Wist u dat de luchtweerstandscoëfficiënt van een vrachtwagen beter is dan die van een Formule 1-wagen?

Ja, de titel van dit artikel klopt: de luchtweerstandscoëfficiënt van een vrachtwagen is beter dan die van een Formule 1-wagen. En die van de auto die u dagelijks bestuurt, ook. Dat kan verrassend klinken voor wie niet bekend is met de basisprincipes van de aerodynamica. Maar er is een verklaring voor. En hoewel u het misschien niet gelooft, is het makkelijker dan het lijkt.

Een vrachtwagen heeft een gunstigere luchtweerstandscoëfficiënt dan een Formule 1-wagen, maar een F1-wagen heeft een lagere aerodynamische weerstand

Om dit te begrijpen, is het eerst nodig enkele kernbegrippen te kennen en de aerodynamische weerstand niet te verwarren met de luchtweerstandscoëfficiënt. Ter illustratie: de luchtweerstandscoëfficiënt van een vrachtwagen ligt tussen 0,6 en 0,7, al zijn er uitzonderingen, zoals de vrachtwagen van Tesla, waarvoor een verrassende Cx van 0,36 werd aangekondigd. Die van een Formule 1-wagen schommelt rond 1, en bij een gewone personenauto ligt hij doorgaans rond 0,30. En hoe lager deze luchtweerstandscoëfficiënt, hoe beter voor een lagere aerodynamische weerstand.

Maar bij de aerodynamische weerstand spelen ook andere factoren mee. En hier ligt de sleutel: een vrachtwagen heeft een gunstigere luchtweerstandscoëfficiënt dan een Formule 1-wagen, maar een F1-wagen heeft een lagere aerodynamische weerstand. Laten we dit nader bekijken.

Aerodynamische weerstand

De aerodynamische weerstand is de kracht die een bepaald object (in dit geval een personenauto, een vrachtwagen … of een Formule 1-wagen) tegenwerkt wanneer het zich door de lucht verplaatst. Deze weerstand wordt berekend met een formule, die u niet hoeft te leren. Het enige wat u moet weten, is dat het het product is van factoren als de luchtdichtheid, het frontale oppervlak van het object, de luchtweerstandscoëfficiënt en het kwadraat van de snelheid waarmee het object zich ten opzichte van de lucht verplaatst.

Aangezien we objecten vergelijken, zijn de luchtdichtheid en de snelheid in dit geval niet van belang. Onthoud dat de uiteindelijke aerodynamische weerstand van een object wordt bepaald door, onder andere, de luchtweerstandscoëfficiënt en het frontale oppervlak waarmee het object de wind tegemoet treedt. En dit verloopt recht evenredig met beide.

Luchtweerstandscoëfficiënt

De luchtweerstandscoëfficiënt, ook wel weerstandscoëfficiënt genoemd, is een dimensieloos getal (dat wil zeggen dat het geen meeteenheden heeft) dat is gekoppeld aan een bepaald oppervlak. Het kwantificeert de weerstand van een object tegen verplaatsing in een vloeistof (in dit geval lucht), vergeleken met de weerstand van een lichaam dat de luchtstroom volledig zou kunnen stoppen wanneer deze erop botst.

Een muur of wand waarop de lucht loodrecht inwerkt, zou een luchtweerstandscoëfficiënt Cx=1 hebben. Een vlakke plaat loodrecht op de luchtstroom zou die waarde overtreffen, met een Cx boven 1,2, vanwege het effect dat achter de plaat ontstaat wanneer de lucht passeert. Daarom is het ontwerp van het achterste gedeelte bij de aerodynamica van een voertuig zo belangrijk, en kan de Cx van de ene auto tot de andere veranderen door alleen deze zone aan te passen.

Zoals we al hebben aangegeven, geldt: hoe lager de Cx, hoe beter voor de aerodynamische weerstand. Andere voorbeelden van de luchtweerstandscoëfficiënt van geometrische lichamen zijn bijvoorbeeld 0,47 voor een bol, 0,50 voor een kegel of 1,05 voor een kubus. Laten we herhalen wat we aan het begin vermeldden: bij een gewone productieauto ligt de luchtweerstandscoëfficiënt Cx tussen 0,25 en 0,30; bij een vrachtwagen is hij ongeveer 0,7; en bij een Formule 1-wagen, met niet-afgedekte wielen en variabele vleugels, kan hij lopen van … 0,7-0,8 wanneer er op circuits als Monza wordt gereden, tot ongeveer 1,2 in Monaco!

Nu concentreren we ons alleen op de coëfficiënt in de richting van de X-as, waarin het voertuig beweegt; maar er bestaan ook de luchtweerstandscoëfficiënten Cy (zijdelings) en Cz (verticaal). Dat is niet direct aan de orde, maar het is goed om te weten dat bij een F1-wagen de Cx wordt opgeofferd om een hoge Cz te bereiken (die neerwaartse kracht, downforce, levert), door met de instelling van de vleugels te spelen. Daarom heeft een F1-wagen op “snelle” circuits, waar weinig neerwaartse kracht gewenst is, een betere luchtweerstandscoëfficiënt dan op langzame circuits, waar de aerodynamische weerstand minder invloed heeft, maar waar het goed is dat de auto zich aan de grond “vastzuigt”, wat het nemen van bochten bevordert.

Het frontale oppervlak

Het frontale oppervlak is de term die het makkelijkst te begrijpen is in deze vergelijking: het is de grootte van het luchtfront dat het object moet verplaatsen om vooruit te komen. Met andere woorden: het oppervlak dat het object beslaat wanneer je het van voren bekijkt. Bij een voertuig spelen hier de afmetingen van de carrosserie een rol, maar ook de buitenspiegels, de banden …

Het frontale oppervlak van een personenauto kan rond de 2 vierkante meter liggen. Dat van een Formule 1-eenzitter schommelt rond 1,4 vierkante meter. En dat van een moderne vrachtwagen bedraagt ongeveer 8-9 vierkante meter. Het is duidelijk dat de meest efficiënte vorm om een grote binnenruimte te realiseren (de dooscarrosserie, bij een vrachtwagen) de minst efficiënte is qua aerodynamische weerstand, omdat die het grootste frontale oppervlak heeft.

Om de aerodynamica te verbeteren, gebruiken vrachtwagens bijvoorbeeld deflectors op het dak. Deze deflectors veranderen het frontale oppervlak niet, maar wel de luchtweerstandscoëfficiënt. Bij een straatauto als de Audi e-tron verbetert het vervangen van de gewone buitenspiegels door virtuele spiegels beide zaken: minder frontaal oppervlak en een betere Cx.

Een ander belangrijk punt bij het bespreken van aerodynamica is het ontwerp van het achterste gedeelte van het voertuig, bijna even belangrijk als het voorste, omdat de lucht langs de carrosserie aan de voorkant moet stromen en aan de achterkant snel en vloeiend moet “afstromen”, zonder turbulentie of lagen op verschillende snelheden die de aerodynamica benadelen. We gaan hier echter niet verder op in.

De vrachtwagen, de Formule 1 en de wiskunde

Met deze drie concepten is het veel makkelijker om de vergelijking te begrijpen die het vraagstuk van dit artikel oplost. Want op zichzelf zegt de Cx van een object ons niet veel als die niet samen met het frontale oppervlak wordt bekeken.

Bij gelijke luchtweerstandscoëfficiënt zal een object met een groter frontaal oppervlak een grotere aerodynamische weerstand hebben. En daarom verbruikt een SUV meer dan een personenauto met hetzelfde vermogen, omdat de Cx zelfs gelijk kan zijn, maar de SUV een groter frontaal oppervlak heeft.

We hebben al gezien dat een Formule 1-wagen inderdaad een ongunstigere luchtweerstandscoëfficiënt heeft dan een vrachtwagen. Toch is zijn aerodynamische weerstand lager, omdat die weerstand recht evenredig is met het product van de luchtweerstandscoëfficiënt (Cx) en het frontale oppervlak (S). Als we dit product SCx noemen, kan dat van een Formule 1-wagen rond de 1,4-1,5 liggen, terwijl bij een vrachtwagen de SCx ongeveer 4 keer hoger is dan die van een Formule 1-wagen. Hoewel zijn luchtweerstandscoëfficiënt gunstiger is, is de aerodynamische weerstand slechter.

Een andere interessante kwestie is de snelheidsfactor. Zoals u zich herinnert, zeiden we dat de aerodynamische weerstand evenredig is met de luchtdichtheid, de SCx en het kwadraat van de snelheid. U kunt de rekenmachine gebruiken om het verschil in aerodynamische weerstand te zien dat een vrachtwagen moet overwinnen bij zijn maximumsnelheid van ongeveer 100 km/u, en dat van een Formule 1-wagen die driemaal die snelheid rijdt.

Ik wijs er hier ook op dat er een verband bestaat tussen aerodynamische weerstand, snelheid en vermogen, dat goed is om te kennen. Om precies te zijn: het vermogen dat nodig is om een bepaalde aerodynamische weerstand te overwinnen, is niet evenredig met de snelheid, maar met de kubus ervan. Daarom kan een auto met een wat “gemiddelde” aerodynamica de grens van 200 km/u bereiken met nauwelijks 150 pk, terwijl om de maximumsnelheid te verdubbelen zonder de aerodynamica te wijzigen, het vermogen met meer dan 6 keer moet worden verhoogd. Maar dat is een ander verhaal, dat stof zal bieden voor een nieuw artikel.