در بحث آئرودینامیک خودرو و پیشرفت‌های حاصل شده، بارزترین تغییر در طراحی مدل‌های مدرن مشهود دیده می‌شود. اصلاحات کوچک در طراحی طی دهه‌های اخیر تحولی شگفت‌انگیز در صنعت خودروسازی و هوانوردی ایجاد کرده است. خودروهای امروزی در مقایسه با طراحی مکعبی و گوشه‌دار محبوب تا دهه ۸۰، ظاهری ساده‌تر و در عین حال اسپرت‌تر دارند. بر اساس تحقیقات و مطالعات اختصاصی، سازندگان خودرو محصولات خود را به گونه‌ای طراحی می‌کنند که از مزایای آئرودینامیکی بهره‌مند شوند.
اما آئرودینامیک چگونه به خودروها کمک می‌کند و چرا به زمینه‌ای حیاتی برای تحقیق و توسعه در صنعت خودروسازی تبدیل شده است؟ برای دریافت پاسخ این سؤالات، در این مقاله با ایستگاه همراه باشید.
آئرودینامیک خودرو چیست؟
آئرودینامیک خودرو مسئول مقابله با نیروهای مقاوم در سرعت‌های بالا است. به طور کلی، آئرودینامیک به مطالعه جریان هوا حول یک شیء متحرک اشاره می‌کند که در این مورد، خودروی در حال حرکت موضوع بحث به حساب می‌آید.
در روزهای اولیه، خودروها سرعت پایینی داشتند و تأثیر آئرودینامیک تقریبا ناچیز بود. اما وقتی سرعت به معادله اضافه می‌شود، تعامل بین جریان هوا و خودروهای سریع اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. در حقیقت کل تئوری آئرودینامیک خودرو بر دو تعامل کلیدی استوار است؛ نیروی پسا یا همان درگ (Drag) و نیروی برآ یا همان لیفت (Lift).
منظور از درگ چیست؟
در بحث آئرودینامیک خودرو منظور از درگ، نیروی مخالفی است که هنگام حرکت خودرو در هوا ایجاد می‌شود. از آنجا که هوا به نوعی یک واسطه به حساب می‌آید، خودرویی که با سرعت در آن حرکت می‌کند با مقاومت یا به عبارت دیگر، اصطکاک مواجه خواهد شد. بنابراین، طراحی خودرو و سرعت حرکت آن نقش حیاتی در تعیین میزان درگ دارد.
نیروی درگ با استفاده از فرمول D = Cd × A × 0.5p × V^2 محاسبه می‌شود. اگر این فرمول را از هم باز کنیم، متوجه خواهیم شد که دقیقا چه فاکتورهایی روی نیروی درگ تأثیر می‌گذارند. در فرمول ذکرشده، Cd به ضریب درگ خودرو اشاره می‌کند که معمولا از طریق آزمایش به دست می‌آید. حرف A نشان‌دهنده مساحت جلویی خودرو و حرف نشان‌دهنده چگالی هوا بوده و در نهایت حرف V سرعت خودرو را بیان می‌کند.
فرمول فوق، اهمیت ضریب درگ، سرعت و مساحت جلوی خودرو را به عنوان یک فاکتور اصلی تأثیرگذار روی نیروی درگ، مورد تأیید قرار می‌دهد. با توجه به توان ۲ برای سرعت در فرمول محاسبه نیروی درگ، می‌توان گفت با افزایش سرعت خودرو، نیروی درگ به طور قابل توجهی بیشتر می‌شود. همین موضوع باعث شده سرعت خودرو، فاکتور بسیار مهمی در ماشین‌های پرسرعت به حساب آید.
منظور از لیفت چیست؟
در ادامه بحث آئرودینامیک خودرو به بررسی مفهوم مهم دیگری به نام لیفت یا نیروی برآ می‌پردازیم. خودروهای مسابقه‌ای به طور خاص با نیروی لیفت دست و پنجه نرم می‌کنند. رانندگی با سرعت بالا باعث دشواری در کنترل و هدایت خودرو می‌شود. این دشواری ناشی از نیروی لیفت یا نیروی عمومی است که از سمت زمین و در اثر جریان هوای پیرامون بر خودرو وارد می‌آید.
نیروی لیفت به طور خاص زمانی قدرت خود را به نمایش می‌گذارد که ماشین در حال پیچیدن است. در این حالت، خودرو به دلیل نیروی عمودی بیش از حد، بلند شده یا از مسیر منحرف شود. اینجاست که آئرودینامیک خودرو اهمیت پیدا می‌کند. با طراحی مناسب می‌توان خودرو را به گونه‌ای ساخت که با ایجاد نیروی فشار به سمت پایین (دانفورس)، چسبندگی و پایداری بیشتری در پیچ‌ها داشته باشد.
احتمالا به این نکته پی برده‌اید که دانفورس در حین سرکوب نیروی لیفت، درگ و کشش ایجاد می‌کند. اما در نهایت، همه‌چیز به یافتن تعادل بهینه بین این دو نیرو ختم می‌شود. فرمول محاسبه نیروی لیفت تا حد زیادی شبیه به نیروی درگ است، ولی به جای ضریب کشش، ضریب لیفت در آن قرار می‌گیرد. سایر فاکتورها یعنی مساحت جلوی خودرو، سرعت خودرو و چگالی هوا در جای خود باقی می‌مانند و فرمول نهایی به صورت L = Cl × A × 0.5p × V^2 در می‌آید.
دلیل ایجاد درگ و لیفت چیست؟
برای درک بهتر آئرودینامیک خودرو می‌بایست از دلیل ایجاد نیروهای مخالف، یعنی درگ و لیفت سر درآورید. همه‌چیز به فشار هوا مربوط می‌شود.
وقتی خودرو در خلاف جهت جریان هوا حرکت می‌کند، در جلو خودرو ناحیه‌ای با فشار بالا و در عقب آن ناحیه‌ای با فشار پایین به وجود می‌آید. قسمت جلویی خودرو مسیر هوا را مسدود ساخته و یک نیروی رانشی را تولید می‌کند. به این پدیده در اصلاح «درگ فشاری» می‌گوییم.
در کنار درگ، لیفت نیز در مبحث آئرودینامیک خودرو حائز اهمیت است. نیروی لیفت در اثر اختلاف فشار هوا بین سطح فوقانی و تحتانی ماشین به وجود می‌آید. با افزایش سرعت خودرو، نیروی خالص بالابرنده یا لیفت نیز افزایش یافته و بخش عقب ماشین به سمت بالا هل داده می‌شود.
مقابله با نیروهای درگ و لیفت
هدف اصلی در طراحی آئروینامیک خودرو کاهش اثر نیروهای درگ و لیفت است. تا کنون راهکارهای متعددی برای مقابله با این نیروهای مخالف پیشنهاد شده که از جمله آن‌ها می‌توان به نصب بادگیر (Air Dam)، رکاب جانبی (Side Skirt) و اسپویلر (Spoiler) و دیفیوزر (Diffuser) اشاره کرد. این المان‌های آئرودینامیکی به وضوح در خودروهای پرفورمنس مشاهده می‌شوند.
با توجه به محدودیت مقاله و حوصله خوانندگان، توضیح بیشتر درباره تأثیر طراحی روی نیروی درگ و لیفت جایز نیست. کافیست بدانید که همه‌چیز به تنظیم فشار هوا با تغییر مسیر جریان آن مربوط می‌شود. نحوه کاربرد سه راهکار فوق جهت کاهش ضریب درگ و لیفت خودرو به شرح زیر است.
- بادگیر (Air Dam). بادگیر باعث کاهش نیروی درگ و افزایش دانفورس شده و در عین حال، امکان جریان هوا برای خنک نگه داشتن موتور را فراهم می‌آورد. این راهکار تأثیر مثبت روی آئرودینامیک ماشین دارد.
- درایوپلیت (Drive Plate). درایوپلیت یکی دیگر از راهکارهای بهبود آئرودینامیک خودرو به حساب می‌آید. این قطعه معمولا در خودروهای مسابقه‌ای یافت می‌شود تا هوا را به اطراف هدایت کرده و نیروی دانفورس ایجاد کنند.
- زیربند خودرو (Car Undertray). این راهکار، جریان هوا در قسمت تحتانی خودرو را بهبود بخشیده و فشار کلی هوا و جریان آشفته را کاهش می‌دهد. زیربند ماشین، موجب افزایش پایداری خودرو در سرعت بالا می‌شود.
- دیفیوزر (Diffuser). معمولا به خودروهای مسابقه‌ای اضافه می‌شود تا حرکت هوا در زیر ماشین را روان‌تر سازد.
- استراک (Strake). در کنار دیفیوزر نصب می‌شود تا به جریان هوا نظم دهد.
- رکاب جانبی (Side Skirt). از رسیدن هوای پرفشار به ناحیه کم‌فشار زیر خودرو جلوگیری کرده و نیروی دانفورس را افزایش می‌دهد.
- اسپویلر (Spoiler). جریان هوای بهتری را به وجود آورده و نیروی دانفورس و چسبندگی را بهبود می‌بخشد.
طراحی آئرودینامیکی خودرو مزایای متعددی به همراه دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از بهبود جلوه ظاهری ماشین، صرفه‌جویی در سوخت و بهبود سرعت، کاهش آلودگی، کاهش سروصدا و پایداری در سرعت‌های مختلف. ولی در کنار مزایای متعدد و کاربردی، آئرودینامیک خودرو دردسرهایی نیز به دنبال دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به هزینه طراحی بالا، محدودیت‌های فیزیکی و محدودیت استفاده از المان‌های شکسته اشاره کرد.
جمع‌بندی
آئرودینامیک خودرو اساسا درباره مقابله با نیروهای مقاوم همچون درگ، و کاهش تأثیر لیفت از طریق افزایش دانفورس است. بسیاری از مالکان تمایل دارند با استفاده از اسپویلر، رکابت جانبی یا تجهیزات دیگر، آئرودینامیک ماشین خود را بهبود بخشیده و ظاهری شکیل و تهاجمی را برای آن به وجود آورند. خوشبختانه لوازم جانبی متنوعی به ویژه برای ماشین‌های اسپرت در بازار یافت می‌شود که با نصب آن‌ها می‌توان از مزایایی همچون بهبود عملکرد موتور، کاهش مصرف سوخت و کنترل بهتر دست بهره‌مند شد.
نصب تجهیزات آئرودینامیکی باید به درستی صورت گیرد، در غیر این صورت مشکلاتی همچون کاهش دید راننده، تداخل با سیستم‌های ایمنی خودرو، افزایش مصرف سوخت، کاهش کارایی در سرعت‌های پایین، لرزش و سرو صدا، تغییر مرکز ثقل خودرو، افزایش فشار بر سیستم انتقال قدرت و تعلیق، به وجود می‌آید.
دیدگاهتان را بنویسید