آیرودینامیک (Aerodynamics) یا هواپویش، علم بررسی اجسام متحرک در مقابل جریان هوا است که شاخه‌ای از رشته دینامیک سیالات محسوب می‌شود. امروزه، محاسبه ضریب آیرودینامیک در خودروها به موضوع بسیار مهمی در صنعت خودروسازی تبدیل شده است و شرکت‌های خودروسازی معتبر، تمام تلاششان را به کار می‌بندند تا محصولات خود را علاوه بر زیبایی، در بهینه‌ترین وضعیت مقاومت در برابر هوا و ضریب درگ مطلوب (drag coefficient) روانه بازار کنند.
احتمالاً شما نیز اصطلاحاتی مانند ضریب درگ، دوان فورس یا اسلیپ استریم را گه‌گاه در اخبار مربوط به خودروها یا مسابقات اتومبیل‌رانی شنیده‌اید و در مورد مفهوم آن‌ها ابهاماتی برایتان پیش آمده است. در این مقاله از مجله همراه مکانیک، با ما باشید تا با برخی از مهم‌ترین اصطلاحات آیرودینامیک خودرو آشنا شوید.
آیرودینامیک خودرو چیست؟
خودروها نیز در دسته شی‌ءهای متحرک در مقابل هوا قرار می‌گیرند و در هنگام حرکت، باید از میان دیواری از هوا عبور کنند. به زبان ساده‌تر، خودروی در حال حرکت، باید جریان هوایی را که در مقابلش قرار دارد، بشکافد و از میان آن عبور کند؛ لذا برای محاسبه نیروی موردنیاز حرکت خودرو در مقابل جریان‌های آیرودینامیکی، باید به علم آیرودینامیک خودرو متوسل شویم. در سرعت‌های بالا و هنگام وزش باد‌های شدید، تأثیر مقاومت هوا بر شتاب‌گیری خودرو، کنترل خودرو و حتی میزان مصرف سوخت، بسیار واضح و مشخص است.
جریان‌های آیرودینامیکی
جریان‌های آیرودینامیکی، به حرکت هوا بر روی سطح خودرو اشاره دارند که به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
جریان لامینار
جریان لامینار، به جریان هوایی که با نظم خاصی از روی سطح خودرو عبور می‌کند، گفته می‌شود. این جریان هوا، اصولاً به‌عنوان مانع و بی‌نظمی پررنگی درحرکت خودرو به‌حساب نمی‌آید و در قسمت‌های جلویی، جانبی و زیر خودرو جریان پیدا می‌کند. خطوط عضلانی تعبیه‌شده بر روی بدنه برخی خودروها، در جهت‌دهی بهتر این جریان نقش بسیار مؤثری دارند.
جریان توربولانس
جریان‌های بی‌نظم یا توربولانس که در خودروهای سدان و چهاردرب بیشتر حس می‌شوند، بیشتر در قسمت عقبی خودرو دیده می‌شوند. طراحان خودرو، تلاش زیادی برای بهبود وضعیت این جریان انجام می‌دهند؛ چراکه با کاهش جریان‌های توربولانس، شاهد نیروی درگ کمتری در خودرو خواهیم بود.
اصطلاحات آیرودینامیک خودرو
حال ممکن است این سؤال برای شما پیش آمده باشد که اصلاً ضریب درگ چیست و چه تأثیری بر عملکرد خودرو دارد. بررسی و درک بهتر آیرودینامیک خودرو، نیازمند دانستن برخی پارامترها و اصطلاحات آیرودینامیکی است که در ادامه، به تعریف برخی از مهم‌ترین و رایج‌ترین آن‌ها پرداخته‌ایم:
ضریب درگ-پسا یا مقاومت (Drag Force)
ضریب درگ یا پسا، همان‌طور که از اسم آن نیز مشخص است و به‌صورت عدد نمایش داده می‌شود، نشان‌دهنده میزان مقاومت یک شی‌ء در برابر حرکت درون یک جریان سیال است. خودروهای در حال حرکت، با جریان سیالی از هوا مواجه هستند که درواقع، همان نیروی مقاومت هوا یا درگ است که اندازه‌گیری آن در بخش طراحی و ساخت خودرو، اهمیت بسیار زیادی دارد. یکی از اهداف مهم طراحان خودرو فارغ از بحث زیبایی‌شناسی، اعمال ترفندهایی در جهت کاهش اثرات این نیرو است.
ضریب درگ، بر فاکتور‌های مهمی در خودرو نظیر پایداری خودرو، حداکثر سرعت و حتی میزان مصرف سوخت تأثیرگذار است؛ ازاین‌رو، طراحی خودروها باید به‌گونه‌ای باشد که دارای کمترین ضریب درگ باشند تا عملکرد بهتری از خود نشان دهند. ضریب درگ پایین‌تر، نشان از قدرت بیشتر خودرو در شکافتن هوای پیش رو و شتاب‌گیری بهتر دارد. محاسبه این ضریب، از طریق تست خودرو در تونل باد انجام می‌شود و با استفاده از فرمول‌های پیچیده ریاضی و بر اساس میزان سرعت و غلظت هوا و سطح مقطع خودرو و عواملی این‌چنینی محاسبه می‌شود.
دوان فورس (Downforce)
دوان فورس، نیرویی است که به دلیل نیروی گرانش زمین و جریان هوا به سمت زمین وارد شده و موجب چسبندگی بیشتر خودرو بر روی سطح جاده می‌شود. در حالت کلی، اگرچه افزایش وزن خودرو سبب افزایش دوان فورس می‌شود، اما به دلیل کاهش فرمان‌پذیری و در صورت عدم بهره‌مندی از پیشرانه‌ای قوی، مانعی جدی در برابر چالاکی خودرو محسوب می‌شود. بر این اساس، طراحی خودرو باید به‌گونه‌ای صورت گیرد که با هدایت بخشی از جریان هوا به سمت زمین، وزنی مجازی برای خودرو فراهم شود که اصطلاحاً، دوان فورس نامیده می‌شود.
افزایش دوان فورس، موجب چسبندگی بیشتر خودرو بر سطح زمین می‌شود و به راننده این امکان را می‌دهد که با سرعت بیشتری به‌خصوص در پیچ‌ها حرکت کند. کم‌بودن یا زیادبودن دوان فورس، موجب ازدست‌دادن چسبندگی چرخ‌های عقب یا جلوی خودرو و درنتیجه، منجر به بیش‌فرمانی یا کم‌فرمانی می‌شود. به‌عنوان مثال، در خودروهای فرمول یک، خودروها اغلب دوان فورسی در حدود 5 برابر وزن خودشان تولید می‌کنند.
اسلیپ استریم- خلأ بخش پشتی Slipstream
«اسلیپ استریم» و «درتی ایر»، دو مورد از اصطلاحات آیرودینامیک خودرو هستند که در مسابقات فرمول یک زیاد شنیده می‌شوند. این دو اصطلاح، از لحاظ ماهیتی بسیار به هم شبیه هستند؛ اما تنها نکته مهمی که آن‌ها را از هم متمایز می‌کند، محل رخ‌دادن آن‌ها است. زمانی که یک خودرو در مسیر مستقیم در پشت سر خودروی دیگر قرار می‌گیرد، پدیده اسلیپ استریم رخ می‌دهد.
جک چیلورز Jack Chilvers، متخصص آیرودینامیک در فرمول 1، اسلیپ استریم را این‌طور توضیح می‌دهد: خودروی در حال حرکت، با ایجاد دانفورس، جریان هوایی کم‌فشار را در پشت سر خود برجای می‌گذارد که برای خودرویی که از پشت به آن نزدیک شود، کار غلبه بر مقاومت جریان هوا را آسان‌تر می‌کند.
به زبان ساده‌تر، با استفاده از این تکنیک، خودرویی عقبی درصورتی‌که به‌اندازه کافی به خودرویی که در تعقیبش است، نزدیک شود و در این منطقه کم‌فشار قرار بگیرد، کار غلبه بر مقاومت هوا را برای خود آسان‌تر می‌کند و با استفاده از مزیت نسبی سرعت، موقعیت سبقت‌گیری خود را بهبود می‌بخشد؛ بنابراین، هنگامی‌که در شرایط محدودی نیستید، استفاده از slipstreaming می‌تواند به نفع شما باشد. اسلیپ استریم، تنها برای خودروی عقبی منفعت ندارد و نیروی مکش فضای خلأ در قسمت عقب خودروی جلویی نیز به دلیل قرارگیری شی‌ء در این ناحیه، از بین می‌رود و موجب افزایش سرعت آن می‌شود؛ اگرچه که این افزایش سرعت به نسبت خودروی عقبی، ناچیز است.
هوای آشفته (Dirty Air)
هوای آشفته، تا حدودی همان اسلیپ استریم است؛ اما در شرایط مکانی نامناسب؛ درواقع، آشفتگی هوا اغلب در گوشه‌ها و سرپیچ‌ها رخ می‌دهد. وقتی هوا از روی سطح اتومبیل‌های فرمول 1 عبور می‌کند، هوای کم‌فشار و اصطلاحاً کثیف را در پشت سر خود بر جای می‌گذارد.
این اختلال در جریان هوا، عملکرد آیرودینامیکی خودروی عقبی را کاهش می‌دهد. یکی از چیز‌هایی که موجب آزار راننده می‌شود، اختلال در تغییر احساس خودرو است. ازدست‌دادن تعادل هوا و تغییر رفتار خودرو، باعث افت قابل‌توجهی در عملکرد و کارایی آن می‌شود؛ بنابراین، هنگامی‌که ماشین شروع به ازدست‌دادن تعادل هوایی می‌کند، راننده مجبور است با کاهش سرعت از خودرو جلویی فاصله بگیرد و شانس سبقت‌گیری را از دست بدهد.
علی‌رغم تصور عمومی که از دست دادن عملکرد آیرودینامیکی بزرگ‌ترین آسیب «هوای کثیف» است، مسئله اصلی خنک کاری است که اغلب می‌تواند دردسری بیشتری برای خودرو عقبی ایجاد کند. چیلورز در خصوص این معضل این‌طور توضیح می‌دهد که: زمانی که رانندگان در تعقیب خودرویی هستند، فشار مضاعفی به خودرو خود وارد می‌کنند که موجب تولید حرارت بیشتری در اجزایی مانند موتور و ترمزها می‌شود. دریافت جریان هوای کم‌فشار، روی همه سیستم‌های خنک‌کننده نیز تأثیر می‌گذارد. این بدان معنی است که رادیاتورها نمی‌توانند به‌اندازه کافی کار کنند، جریان هوای خنک‌کننده برای مجاری ترمز نیز کافی نیست و درنتیجه باعث گرم شدن بیش‌ازحد همه سیستم‌ها می‌شود. به همین دلیل است که رانندگان برای مدیریت این سیستم‌ها نیز مجبور به عقب‌نشینی می‌شوند.
ازاین‌رو در رقابت‌های فرمول یک یا F1 تلاش زیادی شده است تا با تصویب یک قانون انقلابی که از سال 2022 لازم‌الاجرا می‌شود، از این پدیده تا حد زیادی جلوگیری کند. این قوانین ایرودینامیکی جدید علاوه‌بر کاهش ایجاد جریان هوای کثیف؛ این هدف را دنبال می‌کند که هوای متلاطم به داخل مکش شود و از قسمت بالایی خودرو به بالا پرتاب شود تا از بالای سر خودرو عقبی عبور کند. در چنین حالتی، امکان تعقیب کردن خودروها توسط یکدیگر در فاصله‌های کم و سبقت بر سرپیچ‌ها میسر می‌شود.
جمع‌بندی
در کل باید گفت که اگرچه بررسی و محاسبه عملکرد‌های آیرودینامیک خودرو کار چندان آسانی نیست و نیازمند کار آزمایشگاهی دقیق در تونل باد و تحلیل و تفسیر اطلاعات پیچیده با نرم‌افزارهای مخصوص است اما به لطف فن‌آوری‌های، خودرو‌سازان روزبه‌روز در فکر تولید محصولاتی با شرایط آیرودینامیکی بهتر هستند. نصب تیغه‌های انعطاف‌پذیر در قسمت جلویی خودروها، استفاده از دیفیوزر، طراحی خطوط عضلانی جانبی، بررسی ارتفاع مناسب خودرو تنها برخی از اقدامات شرکت‌های خودروسازی برای روانه‌سازی خودروهای بهینه‌تر به‌سوی جاده‌ها است. به لطف پیشرفت‌های تکنولوژی، افق‌های آینده صنعت خودروسازی در این بخش روشن است و در نسل‌های آینده به‌احتمال‌زیاد شاهد خودروهای بیشتری با بدنه‌های بهینه و نیروی داون فورس و ضریب درگ مطلوب خواهیم بود.
بیشتر بخوانید
