راز مشترک گلوله و خودرو در چیست؟ علم آیرودینامیک توضیح میدهد
در همین ابتدا باید یک نکته را بهطور واضح روشن کنیم! منظور ما گلولهای که به خودروی شما شلیک میشود نیست. بلکه درباره شکل گلوله صحبت میکنیم و اینکه چه ارتباطی با دلیل پیروی خودروهای امروزی از اشکال خاص برای کاهش پسار یا درگ دارد.
اگرچه طراحی خودروهای مدرن ممکن است برای همه جذاب نباشد اما یک چیز غیرقابل انکار است: خودروهای مدرن تقریباً همیشه بهتر از خودروهای کلاسیک میتوانند از میان مولکولهای هوا عبور کنند. البته خودروهای کلاسیک ظاهری نمادین دارند و حتی میتوانند بهعنوان خودروی روزمره هم کاربردی باشند، اما کسی آنها را به خاطر مصرف سوخت پایین انتخاب نمیکند. اکثر خودروهای قدیمیتر به دو دلیل چندان کارآمد نیستند: فناوری قدیمی موتور و آیرودینامیک ضعیفی که سرعت نهاییشان را محدود میکند. در اینجا روی نکته دوم تمرکز میکنیم.
کسانی که قسمت معروف برنامه MythBusters را دیدهاند، احتمالاً از قبل میدانند وقتی گلوله به آب برخورد میکند چه اتفاقی میافتد. انرژی بهسرعت و گاهی بهشکل خشونتباری از بین میرود؛ گلوله یا بهشدت کند میشود یا کاملاً متلاشی. در هوا هم چیزی مشابه اتفاق میافتد. خودرو اگرچه در آب حرکت نمیکند اما باید از میان هوا عبور کند تا از نقطهای به نقطه دیگر برسد. نیرویی که در برابر این حرکت مقاومت میکند، پسار یا درگ نام دارد. پسار بر هر چیزی که در هوا حرکت میکند تأثیر میگذارد، چه گلوله باشد و چه خودرو. در واقع، معماری طراحی گلولههایی که برای پیمودن مسافتهای طولانی ساخته شدهاند، تفاوت چندانی با طراحی خودروی شما ندارد.
بیایید وارد ماجرا شویم و نگاهی به فیزیک بیندازیم تا ببینیم آیرودینامیک و پسار چگونه بر طراحی بیرونی خودرو تأثیر میگذارند.
اکثر علاقهمندان به خودرو با آنچه شکل آیرودینامیک ایدهآل در نظر گرفته میشود آشنا هستند: قطره آب. یک بال هوایی کامل ضریب پسار تقریباً ۳۰ برابر کمتری نسبت به یک صفحه تخت با همان سطح دارد؛ یعنی هوا یک صفحه تخت را حدود ۳۰ برابر مؤثرتر به عقب هل میدهد؛ به عبارت دیگر، اگر دو خودرو با سطح جلویی همسان داشته باشیم اما یکی به شکل دیوار و دیگری به شکل قطره آب، خودروی قطرهای شکل، تکانه خود را بسیار کارآمدتر حفظ میکند.
موضوع اصلی این نیست که مثل یک گوه از هوا برش بزنیم بلکه کاهش توربولانسی است که پشت خودرو در حین حرکت ایجاد میشود. اگر به برخی گلولهها نگاه کنید، متوجه میشوید که بعضی از آنها واقعاً مخروطی شکل نیستند؛ انتهای گلوله به سمت داخل باریک میشود. این طراحی که به گلولههای قایق دم معروف است، هوای کند پشت گلوله را که همان ناحیه توربولانس نامیده میشود، به حداقل میرساند.
اما ناحیه توربولانس در خودرو به چه معناست؟ به بیان ساده، خودروی شما برای اینکه بتواند حرکت کند، باید هوا را از سر راه کنار بزند؛ این موضوعی بدیهی است. ناحیه توربولانس همان فضای خلأ پشت خودرو است که هنوز هوا آن را پر نکرده است. این ناحیه خودرو را به عقب میکشد، یعنی شما هنگام رانندگی در حال مبارزه با این نیرو هستید. به همین دلیل است که خودروسازانی که طراحیهای کارآمدی دارند، از ابزارهای آیرودینامیکی تخصصی مثل دیفیوزر عقب استفاده میکنند تا این ناحیه توربولانس را با کوچک کردن آن به حداقل برسانند؛ درست مثل همان گلولههای قایق دم.
حالا که میدانیم ظاهر خودرو چه تأثیری رو این موضوع دارد بنابراین این سؤال پیش میآید که خودروسازان چطور از این دانش برای طراحی خودروهای مدرن استفاده میکنند؟ با فرض اینکه از خودروهایی مثل جیپ رانگلر که آشکارا برای کارایی طراحی نشدهاند صرفنظر کنیم، خودروسازان اولویت اصلی خود را کاهش پسار میدانند؛ یعنی تا حد امکان ناحیه توربولانس را از بین ببرند و اثراتی مثل بلند شدن ناخواسته از زمین را خنثی کنند. این کار از طریق روشهای مختلفی انجام میشود، از جمله افزودن عناصر زیربدنه مثل لبه جلو و دیفیوزر عقب، کاهش ارتفاع خودرو از زمین و بهینهسازی اسپویلر عقب و سایر تغییرات.
سازندگان امروزی خودروها را با کمک رایانه، فناوری آیرودینامیک فعال و مزیت ارزشمند تجربههای گذشته طراحی میکنند؛ اما آنها نمیتوانند قوانین فیزیک را شکست دهند؛ قوانینی که بیان میکنند با افزایش سرعت، عبور از هوا بهشکل نمایی دشوارتر میشود. به همین دلیل است که شکستن مرز ۴۸۰ کیلومتر بر ساعت برای خودروهای تولیدی اینقدر دشوار است. در آن سرعتها، جزئیات ریز اهمیت بسیار بیشتری پیدا میکنند.
با این حال، همین اصول در حوزه سرعتهای معمولی بزرگراه هم صدق میکنند؛ به همین دلیل است که خودروسازانی که مدیریت انرژی را در اولویت قرار میدهند، خودروهای خود را با آن پوششهای آیرودینامیکی چرخ مجهز میکنند. این امر با اینکه کمی از زیبایی خودرو میکاهد اما در عوض چند کیلومتر به توان پیمایش آن اضافه میکند و این عدد در طول زمان انباشته میشود. این یعنی در حالت ایدهآل، خودروهایی با ضریب پسار عالی شبیه قطرات آب صاف و منحنی خواهند بود، مثل فولکسواگن XL-1 یا تویوتا پریوس نسل کنونی. برخی رانندگان بسیار صرفهجو هم گاهی تغییرات مشابهی روی خودروهایشان اعمال میکنند؛ از پوشش چرخ آیرودینامیکی گرفته تا بدنههای دستساز به شکل قطره آب و...