آیرودینامیک خودرو چیست؟

آیرودینامیک یا هواپویش، شاخه‌ای از دینامیک گازها و در حالت کلی‌تر دینامیک سیّالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک می‌پردازد. منظور از حل یک مسئلهٔ آیرودینامیکی، محاسبهٔ میدان سرعت، فشار، و دمای هوا در اطراف یک جسم است. برای این منظور باید معادله‌های حاکم بر جریان سیّال را حل کرد. سپس به کمک حل به دست آمده می‌توان نیروها و گشتاورهای وارد بر جسم را  حساب کرد.

مسئله‌های آیرودینامیکی را می‌توان از جنبه‌های مختلف طبقه‌بندی کرد. یک طبقه‌بندی معمول بر اساس الگوی جریان هواست. اگر مسئلهٔ آیرودینامیکی مربوط به جریان هوا در اطراف یک جسم باشد به آن آیرودینامیک بیرونی و اگر مربوط به جریان هوا داخل یک محیط بسته باشد به آن آیرودینامیک درونی گفته می‌شود. مثال آیرودینامیک بیرونی، جریان هوا در اطراف یک هواپیما و مثال آیرودینامیک درونی، جریان هوا داخل یک موتور جت یا تونل باد است.

روش دوم طبقه‌بندی بر اساس چگالی هواست. اگر چگالی جریان هوا در همهٔ نقاط میدان سیّال ثابت باشد و با زمان تغییر نکند، جریانتراکم‌ناپذیر و در غیر این صورت تراکم‌پذیر است.

روش سوم طبقه‌بندی مسئله‌های آیرودینامیکی بر اساس عدد ماخ جریان هوا است. اگر عدد ماخ کوچک‌تر از یک باشد جریان فروصوتی، اگر نزدیک یک باشد جریان هَماصوتی، اگر بزرگ‌تر از یک و کوچک‌تر از پنج باشد جریان زبرصوتی، و اگر بزرگ‌تر از پنج باشد جریان فوق‌صوتی خوانده  می‌شود.

روش چهارم طبقه‌بندی بر اساس گرانروی هواست. اگر ضریب گرانروی ناچیز فرض شود جریان غیرلزج و در غیر این صورت لزج خوانده می‌شود.

مقدمه ای برکاربرد آیرودینامیک در خودرو

معنی ایرودینامیک در اصل، چیزی به جز مطالعه رفتار هوای متحرک نیست. اگر بخواهیم از رفتار هوا به نفع خود استفاده کنیم، باید ببینیم که هوا به هنگام حرکت چگونه عمل می کند. از آزمایشات با دوچرخه یا اتومبیل بدون سقف و همچنین از تجربیات خود در مورد تأثیر هوای توفانی می دانیم که یک تندباد دارای چه نیروی عظیمی است؛ کار یک متخصص ایرودینامیک این است که از این نیروی عظیم برای بالا نگهداشتن هواپیما استفاده کند؛ برای مثال، اگر یک هواپیما 75 تن وزن داشته باشد، بالهای آن باید طوری طراحی شوند که جریان هوا بتواند در آنها فشاری معادل 75 تن ایجاد کند.

هدف طراح بال اینست که باد نسبی فقط مقدار نیرویی را تولید کند که آن نیرو هواپیما را به سمت بالا سوق دهد. وی دیگرمایل نیست که باد نسبی نیرویی هم برای پس زدن و عقب بردن هواپیما ایجاد کند. اما طراح متأسفانه قادر نیست به آنچه می خواهد دست یابد، زیرا جریان هوا در اطراف هواپیما مقداری هم نیروی رو به عقب تولید می کند که این نیرو حرکت رو به جلوی هواپیما را محدود می سازد.

نیروی رو به عقب به نیروی پسار یا درگ یا رانش معکوس یعنی نیرویی که هواپیما را به عقب می کشد، معروف است. شما هم اگر رو به باد رکاب بزنید یا بدوید، احساس خواهید کرد که نیرویی شما را از عقب می کشد و از پیشرویتان جلوگیری می کند.

به احتمال قوی انتظار دارید بگوییم نیروی پساری که هوا در هواپیما یا اشیا تولید می کند از طریق فشار دادن است نه کشیدن، یعنی باید هوای جلوی هواپیما باشد که پسار به وجود می آورد نه هوای عقب آن. این نظریه درست است و ایرادی بر آن وارد نست، ولی کل قضیه برخلاف سادگی ظاهری، از مفهوم عمیق تری برخوردار است. به عنوان مثال بد نیست کمی در مورد همین اتوبوسی که ایستاده است بیندیشیم:

فشار هوا در همه اطراف آن برابر و مقدارش نیز به همان اندازه فشار جوی متعارفی است که همواره ما را احاطه کرده است.

اما به محض اینکه اتوبوس راه می افتد ، فشار هوا در جلو آن اندکی از فشار متعارف بیشتر می شود. اکنون دیگر تعادل بین فشار هوای جلو و فشار هوای پشت اتوبوس از بین رفته و فشاری اضافی در جلو اتوبوس پیدا شده که اتوبوس را به سمت عقب پس می زند و باعث ایجاد پسار می شود.

حال لازم است که فشار هوای عقب را تا جایی که مقدور است بالا نگه داریم تا تعادل از دست رفته را دوباره بدست آوریم. برای این منظور، چاره ای نیست جز اینکه عقب ماشین را مخروطی درست کنیم تا جریانات تقسیم شده هوا به نرمی به هم ملحق شوند و زیاد دچار آشفتگی نگردند.

این روش در ساختن اتومبیلهای سواری تندرو و هواپیماهای سریع السیر و همچنین در طراحی بدنه کشتیها و قایق ها نیز به کار می رود.

نیروی درگ چیست؟

هر خودرو برای حرکت همواره با نیرویی از جانب سیال (هوا) روبرو است،این نیرو همان نیروی درگ است که در مسائل ائرودینامیکی مربوط به طراحی و ساخت خودرو همواره از اهمیت خاصی برخورداراست.طراحان و خودروسازان به وسیله اعمال ترفندهایی سعی در کاهش این نیرو و مقابله با ان را دارند.نیروی درگ به عوامل مختلفی مربوط می شود تا یک خودرو دارای ضریب ائرودینامیکی (ضریب پسار) بهتری باشد.برخی از این عوامل عبارتند از:

1- جنس مواد به کار رفته در بدنه خودرو (برخی از مواد دارای اصطکاک کمتری با هوا هستند که مورد توجه قرار می گیرند در ساخت بعضی از خودروها

2- خطوط روی بدنه خودرو (این خطوط کمک شایانی به خودرو جهت شکافتن هوا می نمایند.)

3- شکل ظاهری خودرو (برای درک این مورد کافی است به شکل ظاهری خودروهای سوپر اسپرت مثل لامبورگینی و فراری توجه و بعد از ان به خودروهای شاسی بلند مثل هامر یا جیپ توجه کنید تا متوجه خواص ائرودینامیکی بهتر سوپر اسپرت ها شوید.)

یکی از عواملی که در طراحی خودرو باید لحاظ شود انجام عملیاتی که در قسمتهایی از خودرو گره ها و یا به عبارت بهتر اشفتگی های هوایی به وجود نیاید.این اشفتگی ها باعث می شوند تا خودرو برای تداوم داشتن حرکت خود تلاش بیشتری کند و یکی از مضراتاین تلاش بیشتر افزایش مصرف سوخت در خودرو است.این گره ها همچنینی باعث ناپایدار شدن خودرو هم می شوند.

مسائل ائرودینامیکی در طراحی خودروهای مسابقه ای از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است از از این رو می توان خودروهای فرمول وان را نام برد که از بالاترین سطح ائرودینامیک خودرو سود می برد.به عبارت بهتر در خودروهایی که در مسابقات سرعت شرکت می کنند مقاومت هوا باید به میزان بسیار کمتری در مقابل خودرو صورت پذیرد.

در خودروهای سوپر اسپرت و خودروهایی که فاکتور سرعت و شتاب بسیار مهم است سرعت هوایی که از زیر خودرو عبور می کند بسیار سریع تر از هوایی که از بالای خودرو عبور می کند است بنابراین به دلیل حرکت کند هوا در بالای خودرو فشار ایجاد شده در این قسمت بیشتر از قسمت زیر خودرو است و فشار بالای خودرو باعث چسبیدن خودرو به زمین می شود.

در خودرو مناطق مختلف خودرو دارای مقادیر مختلف فشار هستند:
قسمت جلوی خودرو دارای فشار زیاد است
قسمت عقب خودرو دارای فشار کمی است

قسمت جلوی خودرو جریان هوا را می شکافد سپس هوای شکافته شده به منطقه پشت ان می رسد در این وقت قسمت پشت خودرو باید توانایی این امر را داشته باشد تا هوای شکافته شده را به ارامی ببندد.به طور کلی هرچه جلوی خودرو سریع تر هوا را بشکافد و قسمت عقب با ارامش بیشتری حفره ایجاد شده را ببندد ماشاهد جریان اغتشاشی کمتری در قسمت عقب خودرو هستیم.