Φυσική και Αυτοκίνητο
Το αεροδυναμικό ζήτημα (1ο μέρος)του Διονύση Κωνσταντίνου, Φυσικού
Είναι αλήθεια ότι η αεροδυναμική επιστήμη επιβάλλει στα αυτοκίνητα σχήμα μισής σταγόνας;
Όχι, είναι η μισή αλήθεια. Αεροδυναμικά, καλύτερο είναι το σχήμα της ολόκληρης σταγόνας. Ο συγκερασμός ανάμεσα σε όσα η επιστήμη επιτάσσει, στον καλύτερο συνδυασμό χώρων και διαστάσεων, καθώς και στην προσωπικότητα και την αναγνωρισιμότητα που «οφείλει» να έχει κάθε αυτοκίνητο αποτελεί πρόκληση και πονοκέφαλο για τους σχεδιαστές και, καθώς φαίνεται, η αεροδυναμική κερδίζει συνεχώς έδαφος. Εδώ θα προσπαθήσουμε να δώσουμε μια γενική ιδέα της φυσικής του όντως πολύπλοκου ζητήματος, με την ελπίδα ότι ο στόχος αυτός δε θα αποδειχθεί υπερβολικά φιλόδοξος...
Φανταστείτε ένα αυτοκίνητο μέσα στον ακίνητο αέρα. Η λέξη «ακίνητος» σημαίνει μόνο ανυπαρξία ανέμου. Τα μόρια του αέρα κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις, με μέση ταχύτητα γύρω στα 450 μ./δλ., στις συνηθισμένες θερμοκρασίες, και χτυπούν κάθε αντικείμενο που θα παρεμβληθεί στην τροχιά τους, μη εξαιρουμένων, φυσικά, των αυτοκινήτων. Τι μπορεί να κάνει ένα μόριο στο αυτοκίνητο; Τίποτα απολύτως! Όμως, κάθε δευτερόλεπτο χτυπούν επάνω του απειράριθμα μόρια (ο αριθμός 1025 -γράψτε 1 και συνεχίστε να γράφετε 25 μηδενικά- ίσως δίνει μια ιδέα) και το αποτέλεσμα είναι μετρήσιμο, όχι όμως και αισθητό, αν το χτυπούν από όλες τις μεριές ομοιόμορφα. Μπορεί να μην το χτυπούν ομοιόμορφα; Βεβαίως, όταν υπάρχει άνεμος (αισθάνεστε τις ριπές του, δεν είναι έτσι;) ή όταν το αυτοκίνητο κινείται. Σε κάθε κρούση, η ορμή (το γινόμενο της μάζας επί την ταχύτητα) των μορίων αλλάζει. Ο Νεύτωνας στο δεύτερο από τους τρεις νόμους που φέρουν το όνομά του θα εξηγήσει ότι αυτό γίνεται γιατί δέχονται δύναμη από το αυτοκίνητο και στον τρίτο νόμο του ότι και το αυτοκίνητο δέχεται δυνάμεις από τα μόρια. Κάθε μικροσκοπική δύναμη ασκείται σε ένα μικροσκοπικό τμήμα της επιφάνειας του αυτοκινήτου πάνω στην οποία προκαλεί πίεση. Το μέγεθος αυτό είναι βολικό για τη μελέτη της επίδρασης του αέρα όταν το αυτοκίνητο κινείται.
Οι διαφορές πίεσης στο εμπρός και το πίσω μέρος, σε συνδυασμό με την ιδιάζουσα συμπεριφορά του στρώματος του αέρα κοντά στην επιφάνεια του αυτοκινήτου καθώς κινείται (για να περιοριστούμε στους βασικότερους παράγοντες), οδηγούν στην ανάπτυξη μιας δύναμης πάνω σ’ αυτό, την οποία ονομάζουμε αεροδυναμική αντίσταση. Η αντίρροπη προς την ταχύτητα συνιστώσα της αεραντίστασης ονομάζεται οπισθέλκουσα δύναμη. Θα σας φανεί παράξενο, αν διαβάσετε ότι ένα μεγάλο μέρος της βενζίνης που καταναλώνετε πηγαίνει στην εξουδετέρωση της δύναμης αυτής; Κι όμως, είναι ακριβές και γίνεται ακριβέστερο και... ακριβότερο, όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα κίνησης. Επιπλέον, περισσότερη καμένη βενζίνη σημαίνει επιβάρυνση της ατμόσφαιρας με περισσότερα καυσαέρια. Να, γιατί θέλουμε αυτοκίνητα με μικρό συντελεστή οπισθέλκουσας (είναι ο παράγοντας που καθορίζει τη συνεισφορά του σχήματος του αυτοκινήτου σ’ αυτήν). Πώς θα το πετύχουμε; Μα... παρεμβαίνοντας σε όλα εκείνα που επιδρούν στο συντελεστή. Έτσι, λοιπόν, οι λείες επιφάνειες και τα αεροδυναμικά σχήματα αναβαθμίστηκαν σε σημεία κεντρικής μέριμνας, με σκοπό να εξασφαλιστεί η στρωτή, κατά το δυνατόν, ροή του αέρα γύρω από το αυτοκίνητο.
Αν έχετε υπομονή ως την 1η του επόμενου μήνα, θα διαβάσετε για τα δύο κομβικά ζητήματα της αεροδυναμικής: τη διαχείριση της αεροδυναμικής αντίστασης και του λεπτού στρώματος του αέρα γύρω από την επιφάνεια του αυτοκινήτου. Ως τότε, μπορείτε να προβληματιστείτε -ως γνήσιοι αναγνώστες των 4Τροχών- στο ακόλουθο ζήτημα: στην κλίμακα 1-5, τι βαθμό δίνετε στην επίδραση των αντίστοιχων φυσικών νόμων στη διαμόρφωση της σύγχρονης αεροδυναμικής αισθητικής των αυτοκινήτων;
Ψάρι ή σταγόνα, η φύση δείχνει το ιδεώδες αεροδυναμικό σχήμα, που, χάρη στο περίπου κωνικό τελείωμα, έχει συντελεστή οπισθέλκουσας μικρότερο του 0,1. Τα πιο αεροδυναμικά αυτοκίνητα έχουν πλησιάσει το 0,2, κάτι σημαντικό σε σχέση με τις τιμές γύρω στο 0,5 πριν από 30 χρόνια, αλλά το όριο είναι ακόμα μακριά.
Τα ίδια προβλήματα και η επεξεργασία τους με εργαλείο τους φυσικούς νόμους οδηγούν στις ίδιες λύσεις. Ας επιτραπεί στη στήλη να διατυπώσει, όχι χωρίς κάποια θλίψη, την άποψη ότι σε λίγα χρόνια τα αυτοκίνητα ίσως μοιάζουν, τουλάχιστον στο προφίλ τους, «σαν δυο σταγόνες νερό».