Aerodynamika

Aerodynamika je věda zabývající se obtékáním (prouděním) vzduchu kolem těles. Obecně platí, že čím nižší je aerodynamický odpor vzduchu vozidla, tím hospodárnější je jeho provoz. Velikost aerodynamického odporu je charakterizována pomocí součinitele aerodynamického odporu vzduchu cx. Hodnota tohoto součinitele je měřítkem kvality tvarů vozu z hlediska obtékání jeho karoserie vzduchem. U moderních automobilů se tato hodnota pohybuje kolem 0,3.

Aerodynamika je specializovaný obor fyziky, který zkoumá silové působení na obtékané těleso. Tento obor má veliký význam v letectví i automobilismu. Výstupem z aerodynamické analýzy bývá rozložení silového pole, tvar proudnic a hodnota koeficientu aerodynamického odporu cX.

Silové pole ukazuje v jakých místech je zvýšený tlak na karoserii. Průběh a velikost působícího tlaku se mění společně s rychlostí obtékání. Aerodynamický tlak rozlišujeme:

statický

dynamický

celkový (součet statického a dynamického)


 

tlakové pole automobilu Ferrari F430 Scuderia

Proudnice je dráha vybrané částice obtékající látky, např. vzduchu. Proudnice se spojují do tzv. proudového svazku. Podle tvaru proudnic můžeme proudění rozdělit na:

laminární (ustálené) – proudnice jsou přibližně rovnoběžné, jejich dráhy se vzájemně nekříží, částice se posouvají a nerotují,

turbulentní (vířivé) – proudnice se roztáčejí a následně kříží.

cs_aerodynamika_002

tvar proudnic automobilu Ferrari F430 Scuderia

Aerodynamický koeficient (součinitel) je bezrozměrná veličina, která vyjadřuje určitou aerodynamickou čistotu obtékaného tělesa. Čím menší je hodnota cx, tím menší odpor vzduchu na automobil působí. Obvykle se hodnoty pohybují v rozmezí 0,2 – 0,4.

Všechny tyto aerodynamické veličiny lze simulovat a počítat za pomoci softwaru (např. FLEUNT) nebo měřit v aerodynamickém tunelu. Aerodynamický tunel pro celý automobil v měřítku 1:1 je náročné a nákladné zařízení. Z toho důvodu se často využívá přesných modelů automobilů v měřítku a menších aerodynamických tunelů.

ukázka měření v aerodynamickém tunelu

Zatím poslední nejmodernější centrum pro měření aerodynamiky bylo otevřeno v Mnichově automobilkou BMW. Náklady na vybudování aerodynamického centra se vyšplhaly na 4,4 miliardy korun. Za tyto peníze vzniklo na ploše 25 000 m2 pracoviště s větrným tunelem schopným simulovat rychlosti až 300 km/h. Velmi obecně lze říci, že pokud se odpor vzduchu u jedoucího auta sníží o desetinu, poklesne tím jeho spotřeba paliva o 2,5 procenta. Proto BMW neváhalo investovat nemalé peníze do nového větrného tunelu.

Video:

Velikost odporové síly
Při pohybu tělesa klade prostředí odpor proti jeho pohybu. Při nízkých rychlostech je odporová síla relativně malá a je považována za přímo úměrnou rychlosti pohybu. Při vyšších rychlostech však odporová síla vzrůstá s druhou mocninou rychlosti.

Nebudeme-li zabíhat do podrobností, můžeme velikost odporové síly vyjádřit tzv. Newtonovým zákonem odporu. Z tohoto vztahu je patrné, že velikost odporové síly závisí na velikosti čelní plochy S (myšleno v průřezu), na hustotě okolního prostředí (zpravidla vzduch), druhé mocnině rychlosti v a na tvaru tělesa. K zobecněnému popisu tvaru tělesa slouží tzv. součinitele odporu Cx, který zohledňuje tvar a kvalitu povrchu tělesa.

V zahraniční literatuře se můžete setkat s označení součinitele odporu cd, jako drag coefficient. Na následujícím obrázku je znázorněno, jaký vliv má tvar tělesa na velikost součinitele odporu cx.


příklady různých hodnot Cx

Co jste nevěděli
V posledních letech rozšiřuje většina automobilek svůj výrobní program o tzv. ekologické verze. Zpravidla se jedná o sériový vůz, který byl optimalizován z hlediska převodů, hmotnosti a jízdních odporů. Právě optimalizace aerodynamiky je jednou z cest jak snížit spotřebu. Vezměme si příklad: Opel Insignia 2.0 CDTi Ecoflex. Ve větrném tunelu inženýři bojovali o každou desetinu koeficientu cx. Již tak skvělý základ cx=0,27 se jim podařilo snížit o jednu desetinu. Zakrytí nádrže ze spodu vozidla ubralo 0,009, částečné zaslepení mřížky na masce ubralo 0,005, zaslepení štěrbiny pod chladičem ubralo 0,001, úprava spoileru snížila koeficient o dalších 0,003. I taková bezvýznamná maličkost jako je plastický nápis na bočnici pneumatik Michelin Energy Saver zvýšila koeficient o 0,001 ve srovnání s holou maketou shodného rozměru i dezénu.

Text: Jan Sajdl
Foto: www.cardesignonline.com, www.aquaphoenix.com

Klíčová slova: aerodynamika, tlakové pole, součinitel, koeficient, odporu vzduchu, odpor vzduchu, odporová síla