Het is onaangenaam om over na te denken, maar stel je voor wat er zou gebeuren als je je auto tegen een bakstenen muur zou rijden met een snelheid van 65 mijl per uur (104,6 kilometer per uur). Metaal zou draaien en scheuren. Glas zou breken. Airbags zouden uitbarsten om u te beschermen. Maar zelfs met alle vooruitgang op het gebied van veiligheid die we hebben op onze moderne auto's, zou dit waarschijnlijk een zwaar ongeluk zijn om bij weg te lopen. Een auto is gewoon niet ontworpen om door een bakstenen muur te gaan.
Maar er is nog een ander type 'muur' waar auto's doorheen moeten, en dat al heel lang is:de muur van lucht die met hoge snelheden tegen een voertuig duwt.
De meesten van ons zien lucht of wind niet als een muur. Bij lage snelheden en op dagen dat het buiten niet erg winderig is, is het moeilijk om de interactie van de lucht met onze voertuigen te zien. Maar bij hoge snelheden en op uitzonderlijk winderige dagen, luchtweerstand (de krachten die door de lucht op een bewegend object worden uitgeoefend -- ook gedefinieerd als slepen ) heeft een enorm effect op de manier waarop een auto accelereert, handelt en brandstofverbruik behaalt.
Hier komt de wetenschap van aerodynamica om de hoek kijken. Aerodynamica is de studie van krachten en de resulterende beweging van objecten door de lucht [bron:NASA]. Auto's zijn al tientallen jaren ontworpen met aerodynamica in het achterhoofd, en autofabrikanten hebben een verscheidenheid aan innovaties bedacht die het gemakkelijker maken om door die "muur" van lucht te snijden en minder van invloed zijn op het dagelijkse rijden.
Als een auto is ontworpen met het oog op de luchtstroom, betekent dit in wezen dat hij minder moeite heeft met accelereren en een lager brandstofverbruik kan behalen, omdat de motor lang niet zo hard hoeft te werken om de auto door de muur van lucht te duwen.
Ingenieurs hebben verschillende manieren ontwikkeld om dit te doen. Meer afgeronde ontwerpen en vormen aan de buitenkant van het voertuig zijn bijvoorbeeld gemaakt om lucht zo te kanaliseren dat deze met zo min mogelijk weerstand rond de auto stroomt. Sommige high-performance auto's hebben zelfs onderdelen die de lucht soepel over de onderkant van de auto verplaatsen. Veel bevatten ook een spoiler -- ook bekend als een achtervleugel -- om te voorkomen dat de lucht de wielen van de auto optilt en deze bij hoge snelheden onstabiel maakt. Hoewel, zoals je later zult lezen, de meeste spoilers die je op auto's ziet, meer dan wat dan ook ter decoratie zijn.
In dit artikel zullen we kijken naar de fysica van aerodynamica en luchtweerstand, de geschiedenis van hoe auto's zijn ontworpen met deze factoren in gedachten en hoe, met de trend naar "groenere" auto's, aerodynamica nu belangrijker dan ooit is.
Inhoud
Voordat we kijken hoe aerodynamica wordt toegepast op auto's, volgt hier een kleine opfriscursus natuurkunde zodat u het basisidee kunt begrijpen.
Terwijl een object door de atmosfeer beweegt, verdringt het de lucht eromheen. Het object is ook onderhevig aan zwaartekracht en weerstand. Slepen wordt gegenereerd wanneer een vast object door een vloeibaar medium zoals water of lucht beweegt. De weerstand neemt toe met de snelheid -- hoe sneller het object reist, hoe meer weerstand het ervaart.
We meten de beweging van een object met behulp van de factoren beschreven in de wetten van Newton. Deze omvatten massa, snelheid, gewicht, externe kracht en versnelling.
Drag heeft een direct effect op acceleratie. De versnelling (a) van een object is zijn gewicht (W) minus weerstand (D) gedeeld door zijn massa (m). Onthoud dat gewicht de massa van een object is maal de zwaartekracht die erop werkt. Je gewicht zou op de maan veranderen vanwege minder zwaartekracht, maar je massa blijft hetzelfde. Om het eenvoudiger te zeggen:
a =(B - D) / m
(bron:NASA)
Naarmate een object versnelt, nemen zijn snelheid en weerstand toe, uiteindelijk tot het punt waar de weerstand gelijk wordt aan het gewicht - in welk geval er geen verdere versnelling kan plaatsvinden. Laten we zeggen dat ons object in deze vergelijking een auto is. Dit betekent dat naarmate de auto sneller en sneller rijdt, er steeds meer lucht tegen de auto duwt, waardoor de snelheid wordt beperkt en tot een bepaalde snelheid wordt beperkt.
Hoe is dit alles van toepassing op auto-ontwerp? Wel, het is handig om een belangrijk getal te bepalen -- luchtweerstandscoëfficiënt. Dit is een van de belangrijkste factoren die bepalen hoe gemakkelijk een object door de lucht beweegt. De luchtweerstandscoëfficiënt (Cd) is gelijk aan de luchtweerstand (D), gedeeld door de hoeveelheid van de dichtheid (r), maal de helft van de snelheid (V) in het kwadraat maal de oppervlakte (A). Om dat leesbaarder te maken:
Cd =D / (A * .5 * r * V^2)
[bron:NASA]
Dus realistisch gezien, naar hoeveel luchtweerstandscoëfficiënt streeft een auto-ontwerper als ze een auto maken met aerodynamische bedoelingen? Ontdek het op de volgende pagina.
We hebben net geleerd dat de luchtweerstandscoëfficiënt (Cd) een getal is dat de kracht van luchtweerstand op een object, zoals een auto, meet. Stel je nu de kracht van lucht voor die tegen de auto duwt terwijl deze over de weg rijdt. Bij 70 mijl per uur (112,7 kilometer per uur) werkt er vier keer meer kracht tegen de auto dan bij 55 mijl per uur (56,3 kilometer per uur) [bron:Elliott-Sink].
De aerodynamische capaciteiten van een auto worden gemeten met behulp van de luchtweerstandscoëfficiënt van het voertuig. In wezen geldt:hoe lager de Cd, hoe aerodynamischer een auto is en hoe gemakkelijker hij door de muur van lucht kan bewegen die ertegenaan duwt.
Laten we eens kijken naar een paar cd-nummers. Herinner je je de boxy oude Volvo-auto's uit de jaren 70 en 80? Een oude Volvo 960 sedan haalt een Cd van 0,36. De nieuwere Volvo's zijn veel slanker en bochtiger, en een S80-sedan haalt een Cd van 0,28 [bron:Elliott-Sink]. Dit bewijst iets dat je misschien al kon raden:gladdere, meer gestroomlijnde vormen zijn aerodynamischer dan vierkante vormen. Waarom is dat precies?
Laten we eens kijken naar het meest aerodynamische in de natuur:een traan. De traan is aan alle kanten glad en rond en loopt taps toe aan de bovenkant. Lucht stroomt er soepel omheen terwijl het op de grond valt. Hetzelfde geldt voor auto's -- gladde, ronde oppervlakken laten de lucht in een stroom over het voertuig stromen, waardoor de "duw" van lucht tegen het lichaam wordt verminderd.
Tegenwoordig halen de meeste auto's een Cd van ongeveer 0,30. SUV's, die doorgaans compacter zijn dan auto's omdat ze groter zijn, meer mensen herbergen en vaak grotere roosters nodig hebben om de motor af te koelen, hebben een cd van 0,30 tot 0,40 of meer. Pick-uptrucks - een doelbewust boxy ontwerp - rijden meestal rond de 0,40 [bron:Siuru].
Velen hebben het "unieke" uiterlijk van de Toyota Prius hybride in twijfel getrokken, maar hij heeft niet voor niets een extreem aerodynamische vorm. Naast andere efficiënte eigenschappen helpt zijn Cd van 0,26 hem om zeer hoge kilometrages te behalen. In feite kan het verlagen van de Cd van een auto met slechts 0,01 resulteren in een brandstofbesparing van 0,2 mijl per gallon (0,09 kilometer per liter) [bron:Siuru].
Op de volgende pagina zullen we de geschiedenis van aerodynamisch ontwerp onderzoeken.
Hoewel wetenschappers zich al lang min of meer bewust zijn van wat er nodig is om aerodynamische vormen te creëren, duurde het even voordat die principes werden toegepast op auto-ontwerp.
Er was niets aerodynamisch aan de vroegste auto's. Kijk eens naar Ford's baanbrekende Model T -- het lijkt meer op een paardenkoets minus de paarden -- inderdaad een erg boxy ontwerp. Veel van deze vroege auto's hoefden zich geen zorgen te maken over aerodynamica omdat ze relatief langzaam waren. Sommige raceauto's uit het begin van de 20e eeuw hadden echter tot op zekere hoogte taps toelopende en aerodynamische kenmerken.
In 1921 creëerde de Duitse uitvinder Edmund Rumpler de Rumpler-Tropfenauto, wat zich vertaalt in 'traan-drop car'. Gebaseerd op de meest aerodynamische vorm in de natuur, de traan, had hij een Cd van slechts 0,27, maar zijn unieke uiterlijk sloeg nooit aan bij het publiek. Er zijn er slechts ongeveer 100 gemaakt [bron:prijs].
Aan Amerikaanse zijde kwam een van de grootste sprongen voorwaarts in aerodynamisch ontwerp in de jaren dertig met de Chrysler Airflow. Geïnspireerd door vogels tijdens de vlucht, was de Airflow een van de eerste auto's die ontworpen was met aerodynamica in het achterhoofd. Hoewel het een aantal unieke constructietechnieken gebruikte en een gewichtsverdeling van bijna 50-50 had (gelijke gewichtsverdeling tussen de voor- en achterassen voor een betere handling), werd een vermoeid publiek dat tijdens de Grote Depressie was nooit verliefd op zijn onconventionele uiterlijk, en de auto werd als een flop beschouwd. Toch was het gestroomlijnde ontwerp zijn tijd ver vooruit.
Toen de jaren '50 en '60 tot stand kwamen, kwamen enkele van de grootste verbeteringen in de aerodynamica van auto's van racen. Oorspronkelijk experimenteerden ingenieurs met verschillende ontwerpen, wetende dat gestroomlijnde vormen hun auto's konden helpen sneller te rijden en beter te besturen bij hoge snelheden. Dat evolueerde uiteindelijk tot een zeer nauwkeurige wetenschap om de meest aerodynamische raceauto mogelijk te maken. Voor- en achterspoilers, schopvormige neuzen en aerokits werden steeds gebruikelijker om de lucht over de bovenkant van de auto te laten stromen en om de nodige neerwaartse kracht op de voor- en achterwielen te creëren [bron:Formula 1 Network].
Aan de consumentenkant ontwikkelden bedrijven als Lotus, Citroën en Porsche een aantal zeer gestroomlijnde ontwerpen, maar deze werden meestal toegepast op high-performance sportwagens en niet op alledaagse voertuigen voor de gewone bestuurder. Dat begon in de jaren tachtig te veranderen met de Audi 100, een personenberline met een toen nog ongehoorde Cd van .30. Tegenwoordig zijn bijna alle auto's op de een of andere manier ontworpen met aerodynamica in gedachten [bron:Edgar].
Wat hielp die verandering tot stand te brengen? Het antwoord:de windtunnel. Op de volgende pagina zullen we onderzoeken hoe de windtunnel essentieel is geworden voor autodesign.
Om de aerodynamische effectiviteit van een auto in realtime te meten, hebben ingenieurs een tool uit de vliegtuigindustrie geleend:de windtunnel.
In wezen is een windtunnel een enorme buis met ventilatoren die een luchtstroom over een object binnenin produceren. Dit kan een auto, een vliegtuig of iets anders zijn dat ingenieurs moeten meten voor luchtweerstand. Vanuit een ruimte achter de tunnel bestuderen ingenieurs de manier waarop de lucht interageert met het object, de manier waarop de luchtstromen over de verschillende oppervlakken stromen.
De auto of het vliegtuig binnenin beweegt nooit, maar de ventilatoren creëren wind met verschillende snelheden om reële omstandigheden te simuleren. Soms wordt er niet eens een echte auto gebruikt -- ontwerpers vertrouwen vaak op exacte schaalmodellen van hun voertuigen om de windweerstand te meten. Terwijl de wind in de tunnel over de auto beweegt, worden computers gebruikt om de luchtweerstandscoëfficiënt (Cd) te berekenen.
Windtunnels zijn eigenlijk niets nieuws. Ze bestaan al sinds het einde van de 19e eeuw om de luchtstroom te meten tijdens veel vroege vliegtuigpogingen. Zelfs de gebroeders Wright hadden er een. Na de Tweede Wereldoorlog begonnen raceauto-ingenieurs die op zoek waren naar een voorsprong op de concurrentie ze te gebruiken om de effectiviteit van de aerodynamische uitrusting van hun auto's te meten. Die technologie vond later zijn weg naar personenauto's en vrachtwagens.
De laatste jaren worden de grote, miljoenen dollars kostende windtunnels echter steeds minder gebruikt. Computersimulaties beginnen windtunnels te vervangen als de beste manier om de aerodynamica van een auto of vliegtuig te meten. In veel gevallen wordt meestal alleen een beroep gedaan op windtunnels om ervoor te zorgen dat de computersimulaties nauwkeurig zijn [bron:Day].
Velen denken dat het toevoegen van een spoiler op de achterkant van een auto een geweldige manier is om het aerodynamischer te maken. In het volgende gedeelte zullen we verschillende soorten aerodynamische toevoegingen aan voertuigen onderzoeken en hun rol in prestaties en een beter brandstofverbruik onderzoeken.
Er is meer aan aerodynamica dan alleen luchtweerstand - er zijn ook andere factoren die lift en neerwaartse kracht worden genoemd. Optillen is de kracht die het gewicht van een object tegenwerkt en het in de lucht doet stijgen en het daar houdt. Downforce is het tegenovergestelde van lift - de kracht die een object in de richting van de grond drukt [bron:NASA].
Je zou kunnen denken dat de luchtweerstandscoëfficiënt van een Formule 1-raceauto erg laag zou zijn -- een super-aerodynamische auto is sneller, toch? In dit geval niet. Een typische F1-auto heeft een Cd van ongeveer 0,70.
Waarom kan dit type raceauto met snelheden van meer dan 200 mijl per uur (321,9 kilometer per uur) rijden, maar niet zo aerodynamisch als je misschien had geraden? Dat komt omdat Formule 1-auto's zijn gebouwd om zoveel mogelijk downforce te genereren. Met de snelheden waarmee ze reizen, en met hun extreem lichte gewicht, beginnen deze auto's bij sommige snelheden zelfs een lift te ervaren - de natuurkunde dwingt hen op te stijgen als een vliegtuig. Het is duidelijk dat auto's niet bedoeld zijn om door de lucht te vliegen, en als een auto de lucht in gaat, kan dit een verwoestende crash betekenen. Om deze reden moet de neerwaartse kracht worden gemaximaliseerd om de auto bij hoge snelheden op de grond te houden, en dit betekent dat een hoge Cd vereist is.
Formule 1-auto's bereiken dit door vleugels of spoilers te gebruiken die aan de voor- en achterkant van het voertuig zijn gemonteerd. Deze vleugels leiden de stroom naar luchtstromen die de auto tegen de grond drukken - beter bekend als downforce. Dit maximaliseert de bochtsnelheid, maar het moet zorgvuldig worden uitgebalanceerd met de lift om de auto ook de juiste snelheid in rechte lijn te geven [bron:Smith].
Veel productieauto's bevatten aerodynamische add-ons om downforce te genereren. Hoewel de Nissan GT-R-supercar enigszins bekritiseerd is in de autopers vanwege zijn uiterlijk, is het hele koetswerk ontworpen om lucht over de auto en terug te leiden door de ovale achterspoiler, waardoor er veel downforce wordt gegenereerd. Ferrari's 599 GTB Fiorano heeft luchtboog B-stijlen die zijn ontworpen om ook lucht naar achteren te kanaliseren - deze helpen de luchtweerstand te verminderen [bron:Classic Driver].
Maar je ziet veel spoilers en vleugels op alledaagse auto's, zoals sedans van Honda en Toyota. Voegen die echt een aerodynamisch voordeel toe aan een auto? In sommige gevallen kan het een beetje stabiliteit bij hoge snelheid toevoegen. De originele Audi TT had bijvoorbeeld geen spoiler op het achterdekdeksel, maar Audi voegde er een toe nadat bleek dat de ronde carrosserie te veel lift veroorzaakte en mogelijk een factor was in een paar wrakken [bron:Edgar].
In de meeste gevallen zal het vastschroeven van een grote spoiler op de achterkant van een gewone auto echter niet bijdragen aan de prestaties, snelheid of wegligging, of helemaal niet. In sommige gevallen kan het zelfs meer onderstuur veroorzaken, of terughoudendheid bij het nemen van bochten. Als u echter denkt dat die gigantische spoiler er geweldig uitziet op de kofferbak van uw Honda Civic, laat u dan door niemand anders vertellen.
Ga voor meer informatie over auto-aerodynamica en andere gerelateerde onderwerpen door naar de volgende pagina en volg de links.
