Linia wyznaczona przez wiatr: taniec aerodynamiki i designu samochodowego

Tatra T77 z 1934 roku osiągnął współczynnik oporu aerodynamicznego 0,212, wartości tej nie przekroczył żaden samochód przez ponad sześćdziesiąt lat.
Tatra T77 z 1934 roku osiągnął współczynnik oporu aerodynamicznego 0,212, wartości tej nie przekroczył żaden samochód przez ponad sześćdziesiąt lat.

Udostępnij tę stronę

Aerodynamika to nauka, która mierzy, jak nadwozie samochodu dogaduje się z powietrzem, i która najgłębiej zmienia jego projekt. Każdy nowy kształt wychodzący z tunelu aerodynamicznego wpływa bezpośrednio na zużycie paliwa, prędkość, zasięg i stabilność; dlatego od kroplowych form lat 20. po dzisiejsze zamknięte grille sylwetka samochodu zawsze była na nowo kształtowana przez linię wyznaczoną przez wiatr.

Najważniejsze informacje

  • Współczynnik Cx cegły wynosi około 1,0; kształt kropli schodzi aż do 0,05.
  • Rumpler Tropfenwagen, z wartością Cx 0,28 zmierzoną w tunelu aerodynamicznym w 1979 roku, wyprzedzał swoją epokę o pokolenie.
  • Tatra T77 (1934) z Cx 0,212 nie zostało pobite aż do GM EV-1 z 1995 roku.
  • Chrysler Airflow był rewolucją inżynieryjną, ale komercyjnym rozczarowaniem: w pierwszym roku tradycyjne modele sprzedawały się 2,5 raza lepiej.
  • Oczekuje się, że rynek aktywnych klap grilla wzrośnie z poziomu 5,5 miliarda dolarów w 2025 roku do 9,25 miliarda dolarów w 2032 roku.

Czym jest Cx i dlaczego jest w centrum całej tej dyskusji?

Zacznijmy od początku. Współczynnik oporu, czyli Cx, to liczba pokazująca, jak "gładko" dane ciało porusza się w powietrzu. Najlepsze jest to, że: nie zależy od rozmiaru samochodu. Ogromny pickup i malutkie miejskie auto teoretycznie mogą mieć ten sam Cx; ale dla całkowitego oporu powietrza Cx mnoży się przez powierzchnię przekroju czołowego (Cx × st²). Czyli duży samochód, nawet przy tym samym Cx, przepycha więcej powietrza.

Żeby to zobrazować na przykładzie z codziennego życia: różnica między oporem, który czujesz, gdy wystawiasz dłoń z okna samochodu płasko, a tym, gdy trzymasz ją na sztorc, to dokładnie to, co opisuje Cx. Kanciaste nadwozie przypominające cegłę ma Cx około 1,0; nadwozie w kształcie pocisku - 0,295; a kropla, najbardziej aerodynamiczny kształt, niewiarygodne 0,05. Widać więc, że natura narysowała odpowiedź prawie wiek przed inżynierami. Ale za chwilę przejdziemy do tego, co dzieje się, gdy próbuje się dopasować kształt kropli do samochodu.

Marzenie o kropli: Lata 20. XX wieku i pierwsze streamlinery

Damla formundan ilham alan ilk streamliner'lar, 1920'lerde aerodinamiğin otomobil tasarımına girişinin öncüsü oldu.

Właściwie pomysł jest bardzo stary. W 1804 roku sir George Cayley opisał idealny kształt linii przepływu jako "bardzo wydłużone sferoidy"; w 1865 roku Samuel Calthorpe otrzymał patent na "pociąg odporny na opór powietrza". I tu niespodzianka: pierwszym samochodem, który przekroczył 100 km/h, był La Jamais Contente (1899) - elektryk! To silnik elektryczny okalał pierwsze nadwozie pobijające rekordy prędkości; wiatr i elektryczność poznały się już tamtego dnia.

Pierwsza udokumentowana próba budowy samochodu pasażerskiego z myślą o aerodynamice to Alfa Romeo wyprodukowana w 1914 roku przez Castagnę dla włoskiego hrabiego; ale nadwozie było tak ciężkie, że nie było żadnego zysku w prędkości. Prawdziwy przełom przyszedł wraz z Rumpler Tropfenwagenem (1921): ten samochód-kropla, z silnikiem W6 umieszczonym centralnie i niezależnym zawieszeniem na wahaczach, osiągnął w 1979 roku w tunelu aerodynamicznym Cx 0,28. Nie przegap tego detalu: VW Passat osiągnął tę samą wartość dopiero w 1988 roku. Czyli samochód zbudowany w 1921 roku jeszcze sześćdziesiąt lat później potrafił dorównać swoim współczesnym.

Tymczasem Paul Jaray przeniósł swoje doświadczenie z sterowców do samochodu i w 1922 roku uzyskał patent na streamliner. Marki takie jak Mercedes, Opel i Maybach używały nadwozi na licencji Jaraya; czyli aerodynamika stała się czymś, co sprzedawano na licencji, już od pierwszych lat swojego istnienia.

Tatra i ogon Kamma: Najbardziej eleganckie odpowiedzi fizyki

Tatra Hansa Ledwinki, od 1921 roku, wyznaczyła wzorzec streamlinerów z podwoziem typu platforma, niezależnym zawieszeniem i chłodzonym powietrzem silnikiem z tyłu. Tatra T77 (1934), z wartością Cd 0,212, pozostawała niepokonana przez żaden pojazd seryjny aż do 1995 roku - czyli przez ponad sześćdziesiąt lat; GM EV-1 przegonił ją dopiero w tym roku z wynikiem 0,195. Prototyp Schlörwagen z 1939 roku zapisał natomiast wartość Cd 0,186. Dla porównania: Ford Probe V zdołał zejść do 0,137 dopiero w 1985 roku.

Ale zachwyt nad kształtem kropli miał swoją ukrytą cenę: kombinacja kształtu kropli i silnika z tyłu przesuwała środek nacisku do przodu, a środek ciężkości do tyłu. Efekt? Niestabilność kierunkowa. Schlörwagen właśnie z tego powodu poniósł porażkę i był skrajnie wrażliwy na wiatr wiejący z boku. Czyli najbardziej opływowe nadwozie nie zawsze jest najbezpieczniejszym nadwoziem.

I właśnie w tym momencie na scenę wchodzi Wunibald Kamm. Rozwiązanie niemieckiego aerodynamika Kamma z lat 30. było pozornie proste: po prostu ucinasz tę niewyobrażalnie długą kroplę w miejscu, gdzie nadwozie zwęża się do około 50% swojej maksymalnej przekroju poprzecznej. Powstaje zarówno samochód użyteczny, jak i o niskim współczynniku oporu - i to właśnie jest Kammback. Czy to bezdyskusyjne? Nie. Niektóre analizy techniczne argumentują, że wyłącznie pod względem oporu powietrza długi ogon całkowicie przylegający do strumienia powietrza nadal jest lepszy; Mówi się: "W ogonie Kamma nie ma żadnej magii!" Prawdziwa przewaga ogona Kamma wynika z praktyczności: z faktu, że w realnym świecie nikt nie będzie jeździł sześciometrowym samochodem w kształcie kropli.

Chrysler Airflow: Samochód, który zrobił wszystko dobrze, ale się nie sprzedał

W 1934 roku Chrysler wprowadził na rynek pierwszy w pełni seryjny amerykański samochód oparty na linii przepływu powietrza: Airflow. Zespół składający się z Carla Breera, Freda Zedera i Owena Skeltona przeprowadzał testy w tunelu aerodynamicznym we współpracy z Orville'em Wrightem; do kwietnia 1930 roku przetestowano co najmniej 50 modeli w skali. Najlepsza historia kryje się tutaj: odkryto, że dwupudełkowy projekt odwrócony na opak jest bardziej aerodynamiczny, a Chrysler ogłosił to w Detroit pokazem podwozia "jadącego tyłem". Moim zdaniem, to najbardziej elegancka forma inżynierskiego żartu.

Był również rewolucyjny pod względem mechanicznym: silnik przeniesiono do przodu, a pasażerów na oś; rozkład masy wynosił około 54% z przodu, a w stanie załadowanym układał się niemal idealnie 50:50. Nadwozie w pełni stalowe oferowało lekką, ale mocną konstrukcję. A jaki był efekt? Łączna produkcja pozostała poniżej 29 600 egzemplarzy. W pierwszych 2000-3000 pojazdach wystąpiły błędy produkcyjne (w tym odpadanie mocowania silnika przy prędkości 80 mil/h). W pierwszym roku tradycyjne sedany i coupe Chryslera sprzedawały się do Airflow w stosunku 2,5 do 1. Wskazujące palce zwykle kierują się ku owej kontrowersyjnej kracie "wodospadu" oraz postrzeganiu zjednoczonej stylistyki jako "anonimowej góry".

Najciekawsza część tej historii jest taka: mechanicznie słabszy Lincoln Zephyr odniósł sukces sprzedażowy właśnie dlatego, że zachował symbolikę przodu. Czyli ludzie kupują właściwą historię, a nie właściwą fizykę. Ta lekcja obowiązuje także dziś. Ahh, jedna uwaga: w streamlinerach lat 30. siły nożne wcale nie były jeszcze naprawdę zrozumiałe; spojlery i bariery powietrzne, których używają współcześni projektanci, nie istniały. Czyli tamte nadwozia były tylko pchane, a nie dociskane do drogi.

Po latach 70.: Forma klina i wyścig Cd

Od trzech-czterech dekad w sylwetkach samochodów dominuje jedna forma: klin. Nos opadający od dołu do góry, a następnie rozciągający się ku tyłowi i nagle urywająca się linia dachu - we współczesnym odczytaniu Kammbacka, jak ujął to Jalopnik. Klin upowszechnił się zarówno z powodów aerodynamicznych, jak i pakowania; ale ta transformacja miała też swoją cenę. Nawet jeśli projektanci mogą snuć wielkie wizje, ostatecznie muszą skłonić się przed prawami fizyki; spór o to, czy aerodynamika "zabija" design, wciąż trwa. Jeśli pytasz, dlaczego każdy samochód nie jest idealną kroplą, odpowiedź jest prosta: dywersyfikacja i potrzeby rynku. Gdyby czyjeś samochody wyglądały wszystkie jak ta sama kropla, byłoby to bardzo nudne, prawda?

W tym okresie znormalizowały się także widoczne "inwestycje" montowane na nadwoziu. Spoiler to urządzenie mające na celu zakłócenie niekorzystnego przepływu powietrza nad nadwoziem; kierując strugę, poprawia opór aerodynamiczny i zużycie paliwa przy dużych prędkościach. Wersje aktywne dają natomiast konkretną różnicę w stosunku do pasywnych: w jednym z badań Miata regulowany tylny spoiler dał czas okrążenia o 0,28 sekundy lepszy niż długi stały spoiler. Producenci tacy jak BMW również stosują regulowane spoilery i kanały powietrzne w modelach sedan. I nie zapomnijmy o kluczowych punktach: przedni zderzak, wycieraczki, lusterka boczne, górna krawędź klapy bagażnika i punkty styku opon z drogą - to obszary, w których aerodynamika pracuje najciężej.

Era elektryczna: Zakryte kraty, ukryte skrzydła i Togg

Dziś najbardziej widocznym elementem tej gry jest sam przód samochodu: aktywna klapa kratki chłodnicy. Otwiera się, by dostarczyć powietrze do zimnego silnika, a gdy nie jest potrzebna, zamyka się, redukując opór; w pozycji zamkniętej zmniejsza emisję CO₂ i zużycie paliwa. Oczekuje się, że rynek tego malutkiego elementu wzrośnie z poziomu 5,54 miliarda dolarów w 2025 roku do 9,25 miliarda dolarów w 2032 roku, przy rocznym wzroście 7,6%; w 2026 roku udział platform spalinowych w aktywnych kratkach szacowany jest na 46%. Dostawcy tacy jak Magna kontynuują działalność w tej dziedzinie rozwiązaniami takimi jak StyleShutter, które poprawiają także wygląd. W pojazdach elektrycznych kratka jest niemal całkowicie zamknięta - ponieważ przed silnikiem, dla którego chłodzenie nie jest krytyczne, nie trzeba otworu. Optymalizacja aerodynamiczna jest dziś kluczową technologią zwiększania efektywności paliwowej, wydłużania zasięgu EV i poprawy osiągów jazdy. Notka także z frontu Formuły 1: W autach na 2026 rok są aktywne tylne skrzydła, które kierowca otwiera na prostych i które automatycznie się składają przy hamowaniu i zdejmowaniu gazu; natomiast tylny skrzydło Ferrari, które w pozycji otwartej obraca się całkowicie, wywołało poważną dyskusję.

A gdzie w tym obrazie miejsce na Turcję? Togg T10X jest na oficjalnej stronie promowany jako elektryczny SUV wyróżniający się "aerodynamicznymi liniami"; w 2022 roku zgłoszono, że w prototypie przed produkcją seryjną przeprowadzono optymalizację aerodynamiczną i aeroakustyczną. Jeszcze bardziej wymowny jest T10F: dzięki aerodynamicznemu projektowi oferuje zasięg ponad 600 km i jest prezentowany jako model typu fastback o największym zasięgu w gamie marki. A więc od pomysłu uciętego ogona Kammm równanie działa tak samo: opływowe nadwozie, dłuższy zasięg. Polskie źródła motoryzacyjne wyciągają ten sam wniosek: zmniejszenie oporu powietrza podnosi osiągi, efektywność, stabilność i bezpieczeństwo; a przy okazji sprawia, że auto wygląda stylowiej i nowocześniej.

Czy projektant może zawrzeć pokój z inżynierem?

Największa lekcja z historii brzmi tak: dziedzictwo Airflow kryje się w formule "rewolucja inżynieryjna, ale porażka komercyjna". Jeśli fizyka mówi wszystko, ale ludzie się nie zakochują w wyglądzie auta, wyniki sprzedaży nie słuchają fizyki. Dobra wiadomość jest taka: obliczeniowa mechanika płynów (CFD), wzmacniając współpracę między projektantami a inżynierami w zakresie efektywności i osiągów, zmniejsza ten stary konflikt. Zamiast po uformowaniu modelu umieszczać go w tunelu aerodynamicznym, każdy zarys linii można teraz tysiące razy testować na komputerze. To moim zdaniem najzdrowszy stół negocjacyjny między widocznym designem a niewidzialną fizyką. Gdybyś był na jego miejscu, którą stronę posłuchałbyś najpierw: swoich oczu czy tunelu aerodynamicznego?

Źródła