Czy wiesz, że współczynnik oporu aerodynamicznego ciężarówki jest lepszy niż ten, który ma bolid Formuły 1?

Tak, tytuł tego artykułu jest poprawny: współczynnik oporu aerodynamicznego ciężarówki jest lepszy niż ten, który ma bolid Formuły 1. Podobnie jest z samochodem, którym jeździsz codziennie. Może to brzmieć zaskakująco dla osób, które nie znają podstawowych zasad aerodynamiki. Ale ma to swoje wytłumaczenie. I choć może ci się wydawać, że nie, jest to prostsze, niż się wydaje.

Ciężarówka ma korzystniejszy współczynnik oporu aerodynamicznego niż bolid Formuły 1, ale bolid F1 ma mniejszy opór aerodynamiczny

Aby to zrozumieć, najpierw trzeba poznać kilka kluczowych pojęć i nie mylić oporu aerodynamicznego ze współczynnikiem oporu aerodynamicznego. Dla orientacji: współczynnik oporu aerodynamicznego ciężarówki wynosi od 0,6 do 0,7, choć istnieją wyjątki, jak ciężarówka Tesla, dla której zapowiedziano zaskakujący współczynnik Cx równy 0,36; natomiast bolid Formuły 1 osiąga wartość w okolicach 1, a typowy samochód osobowy do jazdy po drogach ma zwykle około 0,30. Im niższy jest ten współczynnik, tym lepiej dla uzyskania mniejszego oporu aerodynamicznego.

Jednak na opór aerodynamiczny wpływa także wiele innych czynników. I tu leży sedno: ciężarówka ma korzystniejszy współczynnik oporu aerodynamicznego niż bolid Formuły 1, ale F1 ma mniejszy opór aerodynamiczny. Przyjrzyjmy się temu dokładniej.

Opór aerodynamiczny

Opór aerodynamiczny to siła przeciwstawiająca się ruchowi danego obiektu (w tym przypadku samochodu, ciężarówki… lub bolidu Formuły 1), gdy porusza się on w powietrzu. Ten opór oblicza się za pomocą wzoru, którego nie musisz się uczyć. Wystarczy wiedzieć, że jest on iloczynem takich czynników, jak gęstość powietrza, powierzchnia czołowa obiektu, jego współczynnik oporu aerodynamicznego oraz kwadrat prędkości, z jaką obiekt porusza się względem powietrza.

Ponieważ porównujemy obiekty, gęstość powietrza i prędkość nie mają w tym przypadku znaczenia. Warto zapamiętać, że końcowy opór aerodynamiczny obiektu zależy, między innymi, od współczynnika oporu aerodynamicznego i powierzchni czołowej, z jaką dany obiekt stawia czoło wiatrowi. Zależność ta jest wprost proporcjonalna do obu tych wielkości.

Współczynnik oporu aerodynamicznego

Z kolei współczynnik oporu aerodynamicznego, zwany także współczynnikiem oporu, jest liczbą bezwymiarową (czyli nie ma jednostki miary), związaną z konkretną powierzchnią, która określa, jak bardzo obiekt stawia opór ruchowi w ośrodku płynnym (w tym przypadku w powietrzu), w porównaniu z ciałem, które byłoby w stanie całkowicie zatrzymać przepływ powietrza napotykający je na swojej drodze.

Ściana, na którą powietrze napiera prostopadle, miałaby współczynnik oporu aerodynamicznego Cx=1. Płaska płyta prostopadła do przepływu powietrza przekroczyłaby tę wartość, osiągając Cx powyżej 1,2, z powodu efektu, jaki powstaje za płytą podczas przepływu powietrza. Dlatego w aerodynamice pojazdu tak ważne jest kształtowanie tylnej części, a Cx może się zmieniać od jednego samochodu do drugiego właśnie w zależności od tej strefy.

Jak już wspomnieliśmy, im niższy jest Cx, tym lepiej dla oporu aerodynamicznego. Innymi przykładami współczynnika oporu aerodynamicznego brył geometrycznych są na przykład 0,47 dla kuli, 0,50 dla stożka czy 1,05 dla sześcianu. Przypomnijmy to, o czym mówiliśmy na początku: w przypadku seryjnego samochodu osobowego współczynnik Cx mieści się między 0,25 a 0,30; w ciężarówce wynosi około 0,7; a w bolidzie Formuły 1, z odsłoniętymi kołami i regulowanymi spoilerami, może wynosić… od 0,7–0,8, gdy ściga się na torach takich jak Monza, aż po około 1,2 w Monako!

Teraz skupiamy się wyłącznie na współczynniku w kierunku osi X, czyli kierunku ruchu pojazdu; istnieją jednak także współczynniki Cy (boczny) i Cz (pionowy). Nie dotyczą one bezpośrednio naszego tematu, ale warto wiedzieć, że w bolidzie F1 poświęca się Cx, aby uzyskać wysoki Cz (który zapewnia docisk), manipulując konfiguracją spoilerów. Dlatego na torach „szybkich”, gdzie zależy nam na małym docisku, bolid F1 ma lepszy współczynnik oporu aerodynamicznego niż na torach wolnych, gdzie opór aerodynamiczny ma mniejsze znaczenie, ale zależy nam na tym, by samochód „przylegał” do nawierzchni, ułatwiając pokonywanie zakrętów.

Powierzchnia czołowa

Powierzchnia czołowa to najprostsze pojęcie w tym równaniu: jest to wielkość czoła strumienia powietrza, który obiekt musi odepchnąć, aby się poruszać. Innymi słowy, pole powierzchni widzianej z przodu. W pojeździe wpływają na nią wymiary nadwozia, ale także lusterka wsteczne, opony…

Powierzchnia czołowa samochodu osobowego może wynosić około 2 metrów kwadratowych. Ta w jednomiejscowym bolidzie Formuły 1 wynosi około 1,4 metra kwadratowego. Natomiast nowoczesna ciężarówka ma około 8–9 metrów kwadratowych. Oczywiste jest, że najbardziej efektywny sposób uzyskania dużej przestrzeni wewnętrznej (w przypadku ciężarówki – kształt prostopadłościanu) jest najmniej efektywny pod względem oporu aerodynamicznego, ponieważ ma największą powierzchnię czołową.

Aby poprawić aerodynamikę, ciężarówki wykorzystują na przykład deflektory na dachu. Deflektory te nie zmieniają powierzchni czołowej, ale wpływają na współczynnik oporu aerodynamicznego. W samochodzie drogowym, takim jak Audi e-tron, zastąpienie konwencjonalnych lusterek wstecznych wirtualnymi lusterkami poprawia obie te wielkości: mniejsza powierzchnia czołowa i lepszy Cx.

Inną istotną kwestią w aerodynamice jest kształt tylnej części pojazdu, prawie tak samo ważny jak przód, ponieważ należy dążyć do tego, by powietrze płynęło wzdłuż nadwozia od przodu i szybko oraz płynnie „opuszczało” je z tyłu, bez powstawania turbulencji i warstw o różnych prędkościach, które pogarszają aerodynamikę. Nie będziemy się jednak tym zajmować w tym artykule.

Ciężarówka, Formuła 1 i matematyka

Dzięki tym trzem pojęciom znacznie łatwiej zrozumieć równanie, które rozwiązuje zagadnienie postawione w tytule tego artykułu. Sam współczynnik Cx obiektu niewiele nam mówi, jeśli nie jest powiązany z powierzchnią czołową.

Przy takim samym współczynniku oporu aerodynamicznego obiekt o większej powierzchni czołowej będzie stawiał większy opór aerodynamiczny. Dlatego SUV zużywa więcej paliwa niż samochód osobowy o tej samej mocy, ponieważ Cx może być nawet porównywalny, ale SUV ma większą powierzchnię czołową.

Już wiemy, że bolid Formuły 1 rzeczywiście ma mniej korzystny współczynnik oporu aerodynamicznego niż ciężarówka. Jednak jego opór aerodynamiczny jest mniejszy, ponieważ jest on wprost proporcjonalny do iloczynu współczynnika oporu aerodynamicznego (Cx) i powierzchni czołowej (S). Jeśli nazwiemy ten iloczyn SCx, to dla bolidu F1 może on wynosić około 1,4–1,5, podczas gdy w ciężarówce SCx jest około 4 razy większy niż w bolidzie F1. Mimo że jej współczynnik oporu aerodynamicznego jest korzystniejszy, opór aerodynamiczny jest gorszy.

Ciekawą kwestią jest także czynnik prędkości. Jak pamiętasz, powiedzieliśmy, że opór aerodynamiczny jest proporcjonalny do gęstości powietrza, iloczynu SCx i kwadratu prędkości. Możesz skorzystać z kalkulatora i zobaczyć różnicę w oporze aerodynamicznym, który musi pokonać ciężarówka jadąca z maksymalną prędkością, około 100 km/h, i ten, który musi pokonać bolid Formuły 1 jadący z trzykrotnie większą prędkością.

Chcę tu także wspomnieć, że istnieje zależność między oporem aerodynamicznym, prędkością i mocą, którą warto znać. Konkretnie, moc potrzebna do pokonania określonego oporu aerodynamicznego jest proporcjonalna nie do prędkości, lecz do jej sześcianu. Dlatego samochód o aerodynamice powiedzmy „przeciętnej” może osiągnąć barierę 200 km/h, mając zaledwie 150 KM, natomiast aby podwoić maksymalną prędkość bez zmiany aerodynamiki, trzeba zwiększyć moc ponad sześciokrotnie. Ale to już inna historia, na nowy artykuł.