Aerodynamika

Aerodynamika to dział fizyki zajmujący się ruchem powietrza wokół przemieszczającego się przez nie ciała, a w odniesieniu do samochodów decyduje o tym, jak otaczający przepływ kształtuje opór, stabilność, chłodzenie, hałas i ostatecznie efektywność. Ma znaczenie, ponieważ powietrze, choć niewidoczne, zachowuje się jak płyn, który samochód musi nieustannie odpychać, a sposób, w jaki przepływ przylega do nadwozia, odrywa się od niego i ponownie się łączy z tyłu, ma głęboki wpływ na osiągi pojazdu oraz na ilość zużywanej energii.

Najważniejszą konsekwencją jest opór aerodynamiczny, czyli siła przeciwdziałająca ruchowi do przodu. Opór rośnie z kwadratem prędkości, więc jej podwojenie zwiększa siłę oporu mniej więcej czterokrotnie; przy prędkościach autostradowych staje się on dominującym oporem, który samochód musi pokonać, przeważając nad oporami toczenia i stratami mechanicznymi. Ponieważ silnik musi wykonywać pracę przeciwko tej sile, opór jest jednym z głównych czynników decydujących o zużyciu paliwa, a w samochodach elektrycznych o zasięgu. Znaczna część oporu nie wynika z odpychania powietrza przez przód pojazdu, lecz z niskociśnieniowego, turbulentnego śladu pozostawianego z tyłu, dlatego zwężanie tylnej części nadwozia jest tak skuteczne.

Przepływ powietrza wytwarza również siły pionowe. Gdy powietrze przyspiesza nad zakrzywionymi górnymi powierzchniami nadwozia, ciśnienie spada i samochód zaczyna wytwarzać siłę nośną, która odciąża opony i osłabia stabilność przy wysokich prędkościach. Inżynierowie panują nad tym za pomocą spoilerów, które rozbijają niepożądany przepływ, oraz odpowiednio ukształtowanego dna i tylnych dyfuzorów, które w szybszych samochodach mogą wytwarzać docisk dociskający opony do nawierzchni. Ten sam przepływ trzeba też skierować do chłodzenia silnika i hamulców oraz poprowadzić tak, aby ograniczyć hałas aerodynamiczny docierający do kabiny.

Dla kierowcy i właściciela efekty te przekładają się na wymierne korzyści: lepszą ekonomię, cichszą kabinę, pewniejsze zachowanie w bocznym wietrze i przy dużej prędkości oraz odpowiednie chłodzenie pod obciążeniem. Opływowy kształt potrafi dołożyć zauważalne kilometry zasięgu czy oszczędność paliwa wyłącznie dzięki zmniejszeniu pracy, jaką układ napędowy musi wykonać podczas jazdy ze stałą prędkością.

Dobra aerodynamika to kwestia starannego kształtowania, a nie pojedynczego elementu. Wpływ mają ogólna forma nadwozia, pochylenie szyby przedniej, sposób ukształtowania słupków A i lusterek, szczeliny między panelami, gładkość dna oraz detale takie jak spoilery i dyfuzory. Projektanci dopracowują je w tunelach aerodynamicznych oraz za pomocą obliczeniowej mechaniki płynów, często godząc ideały aerodynamiczne ze stylistyką, rozmieszczeniem podzespołów i widocznością.

Osiągi aerodynamiczne ujmuje się zwykle w postaci współczynnika oporu, czyli Cx, bezwymiarowej wartości wyrażającej, jak czysto kształt przecina powietrze, choć dla całkowitego oporu równie ważna jest powierzchnia czołowa. Dziedzina ta wiąże się z innymi czynnikami wpływającymi na opór i efektywność pojazdu, w tym z oporem toczenia opon oraz szerszym zagadnieniem docisku, które wspólnie składają się na rzeczywiste zużycie paliwa.