Αεροδυναμική

Η αεροδυναμική είναι ο κλάδος της φυσικής που εξετάζει πώς κινείται ο αέρας γύρω από ένα σώμα που τον διασχίζει· στα αυτοκίνητα καθορίζει πώς η ροή του αέρα διαμορφώνει την αντίσταση, την ευστάθεια, την ψύξη, τον θόρυβο και, τελικά, την απόδοση. Έχει σημασία επειδή ο αέρας, αν και αόρατος, συμπεριφέρεται σαν ρευστό που το αυτοκίνητο πρέπει διαρκώς να παραμερίζει· ο τρόπος με τον οποίο η ροή προσκολλάται στο αμάξωμα, αποκολλάται και επανενώνεται πίσω του επηρεάζει καθοριστικά τη συμπεριφορά του οχήματος και την ενέργεια που καταναλώνει.

Η σημαντικότερη συνέπεια είναι η αεροδυναμική αντίσταση, η δύναμη που αντιτίθεται στην κίνηση. Η αντίσταση αυξάνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας, οπότε ο διπλασιασμός της ταχύτητας περίπου τετραπλασιάζει τη δύναμη· σε ταχύτητες αυτοκινητοδρόμου γίνεται η κυρίαρχη αντίσταση που πρέπει να υπερνικήσει το αυτοκίνητο, ξεπερνώντας τις απώλειες κύλισης και τις μηχανικές απώλειες. Επειδή ο κινητήρας πρέπει να παράγει έργο ενάντια σε αυτή τη δύναμη, η αντίσταση είναι βασικός παράγοντας της κατανάλωσης καυσίμου και, στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, της αυτονομίας. Μεγάλο μέρος της δεν προέρχεται από το εμπρός μέρος που παραμερίζει τον αέρα, αλλά από τον τυρβώδη απόρρου χαμηλής πίεσης που μένει πίσω από το όχημα· γι' αυτό και η σταδιακή λέπτυνση του πίσω μέρους είναι τόσο αποτελεσματική.

Η ροή του αέρα παράγει επίσης κατακόρυφες δυνάμεις. Καθώς ο αέρας επιταχύνεται πάνω από τις κυρτές άνω επιφάνειες του αμαξώματος, η πίεση πέφτει και το αυτοκίνητο τείνει να αναπτύσσει άνωση, που «ελαφραίνει» τα ελαστικά και υπονομεύει την ευστάθεια σε υψηλές ταχύτητες. Οι μηχανικοί τη διαχειρίζονται με αεροτομές, που διασπούν την ανεπιθύμητη ροή, και με διαμορφωμένα πατώματα και πίσω διαχύτες, που στα ταχύτερα μοντέλα μπορούν να παράγουν κάθετη δύναμη και να πιέζουν τα ελαστικά στο οδόστρωμα. Η ίδια ροή πρέπει παράλληλα να διοχετεύεται για την ψύξη του κινητήρα και των φρένων και να καθοδηγείται ώστε να ελαχιστοποιείται ο αεροδυναμικός θόρυβος που φτάνει στην καμπίνα.

Για τον οδηγό και τον ιδιοκτήτη, οι επιδράσεις αυτές μεταφράζονται σε απτά αποτελέσματα: χαμηλότερη κατανάλωση, πιο ήσυχη καμπίνα, μεγαλύτερη σιγουριά σε πλευρικούς ανέμους και σε υψηλές ταχύτητες, καθώς και επαρκή ψύξη σε φόρτο. Ένα «γλιστερό» σχήμα μπορεί να χαρίσει σημαντικά λιγότερη κατανάλωση ή επιπλέον αυτονομία, μειώνοντας απλώς το έργο που πρέπει να παράγει το σύστημα κίνησης σε ταξιδιωτικό ρυθμό.

Η καλή αεροδυναμική είναι ζήτημα προσεκτικής διαμόρφωσης και όχι μιας μεμονωμένης διάταξης. Η συνολική φόρμα του αμαξώματος, η κλίση του παρμπρίζ, η σχεδίαση των εμπρός κολονών και των εξωτερικών καθρεφτών, τα διάκενα των πάνελ, η επιπεδότητα του πατώματος και λεπτομέρειες όπως οι αεροτομές και οι διαχύτες συμβάλλουν όλα. Οι σχεδιαστές τα τελειοποιούν σε αεροσήραγγες και με υπολογιστική ρευστοδυναμική, σταθμίζοντας συχνά τα αεροδυναμικά ιδεώδη με τη σχεδίαση, τη χωροταξία και την ορατότητα.

Η αεροδυναμική επίδοση συνοψίζεται συνήθως στον συντελεστή οπισθέλκουσας, τον Cd, ένα αδιάστατο μέγεθος που εκφράζει πόσο «καθαρά» γλιστρά ένα σχήμα μέσα στον αέρα, αν και για τη συνολική αντίσταση μετρά εξίσου η μετωπική επιφάνεια. Ο κλάδος συνδέεται με τους υπόλοιπους παράγοντες που επηρεάζουν την αντίσταση και την απόδοση ενός αυτοκινήτου, όπως η αντίσταση κύλισης των ελαστικών και το ευρύτερο ζήτημα της κάθετης δύναμης, που όλα μαζί διαμορφώνουν την πραγματική κατανάλωση.