Aerodinamiğin Otomobillere Etkileri

Her gün kullandığınız binek veya toplu taşıma araçlarının bir akışkan olan hava içinde hareketini hiç merak ettiniz mi? Bu yazımızda aerodinamiğin otomobillere etkileri konusunu ele alacağız.

A- A+

31.03.2021 tarihli yazı 7399 kez okunmuştur.

Otomotiv aerodinamiği, karayolu araçlarının aerodinamiği üzerine yapılan çalışmadır. Ana hedefleri; sürtünmeyi ve rüzgar gürültüsünü azaltmak, gürültü emisyonunu en aza indirmek, istenmeyen kaldırma kuvvetlerini ve yüksek hızlarda aerodinamik kararsızlığın diğer nedenlerini önlemektir.

Aerodinamik konusunda hava da bir sıvı olarak kabul edilir. Bazı yarış aracı sınıflarında çekişi ve dolayısıyla viraj alma yeteneklerini iyileştirmek için bastırma kuvveti üretmek de önemlidir.

Şekil 1: Örnek bir araç aerodinamiği modeli

► İlginizi çekebilir: Uçaklar Nasıl Uçar?

Aerodinamik

Aerodinamik, havanın nesnelerin etrafında ve içinde nasıl aktığının bilimidir. Daha genel olarak, "Akışkanlar Dinamiği" olarak adlandırılabilir çünkü hava gerçekten çok ince bir akışkan türüdür. Yüksek hızlarda bir aracın etrafından ve içinden geçen hava akışı; hızlanma, en yüksek hız, yakıt verimliliği ve yol tutuş üzerinde daha belirgin bir etkiye sahip olmaya başlar.

Bu nedenle, mümkün olan en iyi arabayı yapmak için havanın gövde, açıklıklar ve aerodinamik cihazlarının etrafından ve içinden nasıl aktığını anlamak ve optimize etmek gerekir.

Aerodinamik Prensipleri

1) Drag (Sürükleme Kuvveti)

Bir araba ne kadar yavaş giderse gitsin, arabayı havada hareket ettirmek biraz enerji gerektirir. Bu enerji, Drag adı verilen bir kuvvetin üstesinden gelmek için kullanılır.

Araç aerodinamiğinde sürükleme, esasen üç kuvvetten oluşur:

► Ön basınç veya araç gövdesinin havayı yoldan çekmesinin yarattığı etki.
► Arka vakum veya havanın araç gövdesinin bıraktığı deliği dolduramamasının yarattığı etki.
► Sınır tabakası veya araç gövdesinin yüzeyinde yavaş hareket eden havanın yarattığı sürtünme etkisi.

Bu üç kuvvet ile, hava akışının bir araç gövdesiyle olan etkileşimlerinin çoğunu tanımlayabiliriz.

2) Ön Basınç

Ön basınç, aracın önünden akmaya çalışan havadan kaynaklanır.

Şekil 2: Ön basınç gösterimi

► İlginizi çekebilir: Basınç Sensörü Nedir? Çeşitleri Nelerdir?

Milyonlarca hava molekülü arabanın önüne yaklaştıkça sıkışmaya başlar ve bunu yaparken arabanın önündeki hava basıncını yükseltir. Aynı zamanda arabanın yan tarafları boyunca hareket eden hava molekülleri ise, arabanın önündeki moleküllere göre daha düşük bir basınç olan atmosferik basınçtadır.

Tıpkı bir hava tankı gibi, tankın dışındaki daha düşük basınçlı atmosfere yönelik valf açılırsa, hava molekülleri doğal olarak daha düşük basınç alanına akar ve sonunda tankın içindeki ve dışındaki basıncı eşitler. Bu kurallar her araç için geçerlidir. Sıkıştırılmış hava molekülleri doğal olarak aracın önündeki yüksek basınç bölgesinden bir çıkış yolu arar ve bunu aracın yanlarında, üstünde ve altında bulurlar.

3) Arka Vakum

Arka vakum, araç içinden geçerken havada kalan “delikten” kaynaklanır. Bunu daha iyi anlamak için, aşağıdaki Şekil 3’ deki araba görseline bir göz atalım. Bir yolda ilerlerken, arabanın bloklu sedan şekli havada bir delik oluşturur. Hava, yukarıda anlatıldığı gibi araç vücudunun etrafında hızla hareket eder.

Gezinmenin üzerindeki hızlarda, arabanın arka camının ve bagajının hemen arkasındaki boşluk "boş" veya bir vakum gibidir. Bu boş alanlar, hava moleküllerinin deliği arabanın yapabildiği kadar çabuk dolduramamasının bir sonucudur. Hava molekülleri bu alanı doldurmaya çalışır, ancak araba her zaman bir adım öndedir.

Şekil 3: Arka vakum gösterimi

► İlginizi çekebilir: Vakum Tüpü Nedir?

Arabanın bıraktığı boşluğun doldurulamaması teknik olarak akış ayırması olarak adlandırılır.

Akış ayrılması, sürükleme kuvvetlerinin yalnızca "arka vakum" kısmı için geçerlidir ve araç hızı arttıkça daha büyük olumsuz etkiye sahiptir. Aslında sürükleme, aracın hızının karesi ile artar, bu nedenle hızı arttıkça bir aracı havada itmek için daha fazla beygir gücüne ihtiyaç vardır.

Bu nedenle, bir araç yüksek hızlara ulaştığında arabayı akış ayrılma alanlarını sınırlandıracak şekilde tasarlamak önemli hale gelir. İdeal olarak, hava moleküllerine bir otomobilin karoserinin dış hatlarını takip etmeleri ve aracın bıraktığı deliği, lastiklerini, süspansiyonunu ve çıkıntılarını (Aynalar, takla çubukları) doldurmaları için zaman verilir.

Le Mans yarış arabalarına tanık olduysanız, bu arabaların kuyruklarının arka tekerleklerin arkasına nasıl iyice uzandığını, yandan veya üstten bakıldığında nasıl daraldığını görmüş olacaksınız. Bu ekstra üstyapı; hava moleküllerinin aniden büyük bir boş alanı doldurmak zorunda kalmadan, otomobilin kokpitinin bıraktığı deliğe ve ön alana gövde boyunca düzgün bir şekilde vakumla birleşmesine olanak tanır.

Arka vakumun yarattığı kuvvet, ön basıncın yarattığı gücü aştığında, aracın arkasında oluşan vakum ölçeğini en aza indirmek için çok iyi bir hamle olacaktır.

Drag Katsayısı (Sürükleme Kuvveti Katsayısı)

Bir aracın ürettiği sürüklemenin diğeriyle karşılaştırılmasını sağlamak için Sürükleme Katsayısı veya CD adı verilen boyutsuz bir değer oluşturulmuştur. Her aracın rüzgar tüneli verileri kullanılarak ölçülebilen bir CD'si vardır. CD, çeşitli hızlarda sürükleme kuvvetini belirlemek için sürükleme denklemlerinde kullanılabilir.

Joseph Katz, "Designing for speed" adlı kitabında; ortak araçlar, bunların CD'leri ve ön alanlarının bir tablosunu sunuyor. İşte o tablodan bir alıntı:

Şekil 4: CD değerleri

Bu tablodan ve araçlardan bazılarının gövde şekli hakkındaki bilgilerimizden, bir araç şu özelliklere sahip olduğunda en iyi CD'nin elde edildiği sonucuna varılabilir:

► Öndeki basıncı en aza indirmek için küçük bir burnu / ızgarası vardır.
► Arabanın altındaki hava akışını en aza indirmek için ızgaranın altında minimum yerden yükseklik vardır.
► Önde basınç oluşumunu önlemek için dik eğimli bir ön cama (varsa) sahiptir.
► Hava akışının takılı kalmasına izin vermek için "Fastback" tarzı arka cam / güverte veya eğimli gövdeye sahiptir.
► Hava akışını sabit tutmak ve sonunda akış kopmasının meydana geldiği alanı en aza indirmek için yakınsayan bir "kuyruğu" vardır.

Kaynak:

► Joseph Katz “Designing For Speed”
► drivetribe.com