เส้นสายที่ลมวาดขึ้น: การดวลระหว่างอากาศพลศาสตร์กับการออกแบบรถยนต์

Tatra T77 ปี 1934 มีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ 0.212 และตัวเลขนี้ไม่มีรถยนต์คันใดทำลายสถิติได้นานกว่าหกสิบปี
Tatra T77 ปี 1934 มีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ 0.212 และตัวเลขนี้ไม่มีรถยนต์คันใดทำลายสถิติได้นานกว่าหกสิบปี

แชร์หน้านี้

อากาศพลศาสตร์คือวิทยาศาสตร์ที่วัดว่าตัวถังรถยนต์เข้ากันดีกับอากาศเพียงใด และเป็นสาขาที่เปลี่ยนแปลงการออกแบบอย่างลึกซึ้งที่สุด ทุกแนวรถรุ่นใหม่ที่ผ่านอุโมงค์ลมล้วนส่งผลโดยตรงต่อการใช้เชื้อเพลิง ความเร็ว ระยะทาง และความเสถียรภาพ ดังนั้นตั้งแต่รูปทรงหยดน้ำในยุคทศวรรษ 1920 จนถึงกระจังปิดในยุคปัจจุบัน เส้นสายโฉมรถยนต์ต้องถูกแต่งใหม่เสมอด้วยเส้นทางที่ลมวาดขึ้น

ไฮไลต์เด่น

  • ค่า Cd ของอิฐอยู่ที่ประมาณ 1.0 ส่วนรูปทรงหยดน้ำต่ำลงได้ถึง 0.05
  • Rumpler Tropfenwagen ที่วัดค่าในอุโมงค์ลมเมื่อปี 1979 ได้ Cd 0.28 นับว่าล้ำหน้ายุคสมัยอย่างมาก
  • Tatra T77 (1934) ด้วยค่า Cd 0.212 ยังไม่ถูกทำลายจนถึง GM EV-1 ในปี 1995
  • Chrysler Airflow เป็นการปฏิวัติทางวิศวกรรมแต่กลับพลาดในเชิงพาณิชย์: ในปีแรก รุ่นดั้งเดิมขายได้มากกว่ามัน 2.5 ต่อ 1
  • ตลาดบานพับกระจังแบบแอคทีฟคาดว่าจะเติบโตจากระดับ 5.5 พันล้านดอลลาร์ ในปี 2025 ไปถึง 9.25 พันล้านดอลลาร์ ในปี 2032

Cd คืออะไร และทำไมจึงเป็นศูนย์กลางของการถกเถียงทั้งหมดนี้?

มาเริ่มจากต้นเรื่องกันเลย สัมประสิทธิ์แรงต้าน หรือ Cd คือตัวเลขที่บอกว่าวัตถุหนึ่งเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ "นุ่มนวล" เพียงใด จุดที่น่าสนใจที่สุดคือ: มันไม่ขึ้นกับขนาดของรถ รถกระบะยักษ์กับรถซิตี้คันจิ๋วในทางทฤษฎีมีค่า Cd เท่ากันได้ แต่สำหรับแรงต้านอากาศรวมแล้ว Cd ต้องคูณกับพื้นที่หน้าตัด (Cd × ft2) กล่าวคือรถใหญ่แม้ค่า Cd เท่ากันก็ดันอากาศมากกว่า

เปรียบเทียบกับชีวิตประจำวันก็คือ: ตอนที่คุณยื่นมือออกนอกหน้าต่างรถ ความต่างระหว่างแรงผลักที่รู้สึกเมื่อฝ่ามือราบกับเมื่อฝ่ามือตั้งฉาก คือสิ่งที่ Cd บอกเป็นเป๊ะ ๆ ตัวถังเหลี่ยมเหมือนอิฐมีค่า Cd ประมาณ 1.0 ตัวถังรูปกระสุนปืนอยู่ที่ 0.295 และรูปทรงที่อากาศพลศาสตร์ดีที่สุดคือหยดน้ำ ที่ค่าเหลือเชื่อแค่ 0.05 แปลว่าธรรมชาติได้วาดคำตอบไว้ก่อนวิศวกรเกือบหนึ่งศตวรรษเสียอีก แต่เมื่อพยายามเอารูปหยดน้ำมาลงบนรถยนต์แล้วเกิดอะไรขึ้น เราจะไปถึงตอนนั้นในไม่ช้า

ความฝันเรื่องหยดน้ำ: ทศวรรษ 1920 และสตรีมไลเนอร์ยุคแรก

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

จริง ๆ แล้วความคิดนี้เก่าแก่มาก ในปี 1804 เซอร์จอร์จ เคย์เลย์ นิยามรูปทรงเส้นไหลอุดมคติว่าเป็น "ทรงกลมยืดที่ยาวมาก" ในปี 1865 ซามูเอล คัลธอร์ป ได้รับสิทธิบัตร "รถไฟทนแรงต้านอากาศ" และนี่คือเรื่องน่าประหลาดใจ: รถคันแรกที่ทะลุ 100 กม./ชม. คือ La Jamais Contente (1899) และมันเป็นรถไฟฟ้า! กล่าวคือมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นผู้พันตัวถังคันแรกที่ทำลายสถิติความเร็ว ลมกับไฟฟ้าจึงได้พบกันตั้งแต่วันนั้น

ส่วนความพยายามครั้งแรกที่มีบันทึกของรถยนต์นั่งคือของ Castagna ในปี 1914 ที่สร้าง Alfa Romeo ให้แก่เคานต์ชาวอิตาลี แต่ตัวถังหนักจนไม่ได้ความเร็วเพิ่มขึ้นเลย ก้าวกระโดดที่แท้จริงมาจาก Rumpler Tropfenwagen (1921): รถหยดน้ำคันนี้พร้อมเครื่องยนต์ W6 วางกลางและระบบกันสะเทือนอิสระแกนสวิง วัดค่า Cd ได้ 0.28 ในอุโมงค์ลมเมื่อปี 1979 อย่าพลาดรายละเอียดนี้: VW Passat สามารถไปถึงค่าเดียวกันนี้ได้เมื่อปี 1988 เท่านั้น กล่าวคือรถที่สร้างเมื่อปี 1921 ยังไล่ตามคู่ร่วมสมัยทันแม้จะผ่านไปหกสิบปี

ในระหว่างนั้น Paul Jaray ได้นำประสบการณ์ด้านเรือเบาบินมาประยุกต์ใช้กับยานยนต์ และได้รับสิทธิบัตร streamliner ที่ยื่นจดแจ้งในปี 1922 แบรนด์อย่าง Mercedes, Opel และ Maybach ใช้ตัวถังที่ได้ลิขสิทธิ์จาก Jaray นั่นคือ aerodynamic กลายเป็นข้อกังวลที่ขายลิขสิทธิ์ตั้งแต่ยุคแรก ๆ แล้ว

Tatra และหาง Kamm: คำตอบที่งดงามที่สุดของฟิสิกส์

Tatra ของ Hans Ledwinka ได้วางแบบแผนของ streamliner ที่มีแชสซีแบบแพลตฟอร์ม ระบบกันสะเทือนอิสระ และเครื่องยนต์ท้ายระบายความร้อนด้วยอากาศตั้งแต่ปี 1921 Tatra T77 (1934) ด้วยค่า Cd 0,212 ไม่ถูกทำลายสถิติโดยยานยนต์ที่ผลิตจริงคันใดจนถึงปี 1995 - นั่นคือนานกว่าหกสิบปี GM EV-1 ผ่านไปได้ในปีนั้นเองด้วยค่า 0,195 ส่วนต้นแบบ Schlörwagen ปี 1939 ได้สร้างสถิติที่ Cd 0,186 เพื่อเปรียบเทียบ: Ford Probe V ในปี 1985 ลงมาได้เพียง 0,137 เท่านั้น

แต่การชื่นชมรูปทรงหยดน้ำมีราคาที่ต้องจ่ายอย่างแอบแฝง: รูปทรงหยดน้ำบวกกับเครื่องยนต์ท้าย ผลักศูนย์กลางแรงดันไปด้านหน้า และศูนย์ถ่วงไปด้านหลัง ผลลัพธ์? ความไม่เสถียรตามทิศทาง Schlörwagen ล้มเหลวก็เพราะเหตุนี้ และมีความอ่อนไหวอย่างยิ่งต่อลมที่พัดข้าง นั่นคือตัวถังที่ลื่นน้ำที่สุด ไม่ได้แปลว่าเป็นตัวถังที่ปลอดภัยที่สุดเสมอไป

และจุดนี้เองที่ Wunibald Kamm ได้ก้าวเข้ามาบนเวที ทางแก้ของวิศวกร aerodynamic ชาวเยอรมัน Kamm ในทศวรรษ 1930 นั้นง่ายอย่างเหลือเชื่อ: คุณเพียงตัดหางยาวที่เป็นไปไม่ได้ของรูปหยดน้ำ ณ จุดที่ตัวถังหดลงเหลือประมาณ 50% ของส่วนตัดขวางสูงสุด ผลลัพธ์คือได้ทั้งรถที่ใช้งานได้จริงและแรงต้านต่ำ - นั่นแหละคือ Kammback เป็นเรื่องที่ไม่มีข้อโต้แย้งหรือ? ไม่ การวิเคราะห์ทางเทคนิคบางส่วนโต้แย้งว่า หางยาวที่กระแสลมยึดเกาะสมบูรณ์นั้นยังคงดีกว่าในแง่ของแรงต้านโดยลำพัง มีการกล่าวว่า "ไม่มีเวทมนตร์ใด ๆ ในหางแบบ Kamm!" ความเหนือกว่าที่แท้จริงของหาง Kamm เกิดจากความใช้งานได้จริง: จากความจริงที่ว่าในโลกจริงไม่มีใครจะขับรถหยดน้ำยาวหกเมตร

Chrysler Airflow: รถที่ทำทุกอย่างถูกต้องแต่ขายไม่ได้

ในปี 1934 Chrysler ได้เปิดตัวรถอเมริกันที่ผลิตจริงคันแรกที่ใช้หลัก flow line เต็มรูปแบบ: Airflow ทีมงานที่ประกอบด้วย Carl Breer, Fred Zeder และ Owen Skelton ได้ทำการทดสอบในอุโมงค์ลมร่วมกับ Orville Wright จนถึงเดือนเมษายน 1930 มีการทดสอบโมเดลขนาดเล็กอย่างน้อย 50 ชิ้น เรื่องราวที่น่าสนใจที่สุดอยู่ตรงนี้: มีการค้นพบว่าการออกแบบกล่องสองใบนั้น aerodynamic ดีกว่าเมื่อกลับหัว และ Chrysler ได้ประกาศเรื่องนี้ที่ Detroit ด้วยการสาธิตแชสซีที่ "ถอยหลัง" เป็นมุกวิศวกรรมที่มีรสนิยมที่สุด ตามความเห็นของผม

มันก้าวหน้าอย่างปฏิวัติวงการในเชิงกลไกด้วย: เครื่องยนต์ย้ายไปด้านหน้า ผู้โดยสารอยู่เหนือเพลา การกระจายน้ำหนักอยู่ที่ประมาณ 54% ด้านหน้า และตอนบรรทุกเต็มจะเกือบเท่ากันที่ 50:50 ตัวถังเหล็กเต็มรูปแบบให้โครงสร้างที่เบาแต่แข็งแรง แล้วผลลัพธ์ล่ะ? การผลิตทั้งหมดต่ำกว่า 29,600 คัน รถ 2,000-3,000 คันแรกมีข้อผิดพลาดในการผลิต (รวมถึงการหลุดของการยึดเครื่องยนต์ที่ความเร็ว 80 ไมล์/ชม.) ในปีแรก รถ sedan และ coupe แบบดั้งเดิมของ Chrysler ขายได้ดีกว่า Airflow ที่ 2.5 ต่อ 1 นิ้วที่ชี้ฟ้องมักชี้ไปที่กระจังหน้า "น้ำตก" อันเป็นที่ถกเถียงนั้น และการที่ดีไซน์รวมถูกมองว่าเป็น "ก้อนเนื้อไร้ตัวตน"

ส่วนที่น่าสนใจที่สุดของเรื่องนี้ก็คือ: Lincoln Zephyr ที่ด้อยกว่าในเชิงกลไก กลับประสบความสำเร็จในยอดขายเพราะคงสัญลักษณ์ของหัวรถไว้ได้ นั่นแปลว่าประชาชนซื้อเรื่องราวที่ถูกต้อง ไม่ใช่สรีระที่ถูกต้อง บทเรียนนี้ยังคงใช้ได้จนถึงทุกวันนี้ โอ้ และมีข้อสังเกตหนึ่ง: ในรถสตรีมไลเนอร์ยุคทศวรรษ 1930 แรงยกยืนยังไม่ได้รับการทำความเข้าใจอย่างแท้จริง สปอยเลอร์และแนวกันอากาศที่นักออกแบบยุคใหม่ใช้ก็ยังไม่มีอยู่ นั่นคือตัวถังเหล่านั้นถูกผลักไปข้างหน้าเท่านั้น แต่ไม่ได้ถูกกดลงสู่พื้นถนน

หลังทศวรรษ 1970: รูปทรงลิ่มและการแข่งขันด้านค่า Cd

ตลอดสามถึงสี่ทศวรรษที่ผ่านมา มีรูปทรงเดียวที่ครอบงำเส้นสายตัวถังของยานยนต์: รูปทรงลิ่ม หัวรถที่เอียงขึ้นจากด้านล่างขึ้นไปด้านบน แล้วทอดยาวไปด้านหลังและจบลงอย่างกะทันหันของเส้นหลังคา - ตามคำพูดของ Jalopnik นั่นคือการตีความยุคใหม่ของ Kammback รูปทรงลิ่มแพร่หลายทั้งจากเหตุผลด้านอากาศพลศาสตร์และการจัดวางพื้นที่ แต่การเปลี่ยนผ่านนี้ก็มีราคาต้องจ่ายเช่นกัน แม้นักออกแบบจะฝันใหญ่ได้ แต่ในที่สุดก็ต้องยอมจำนนต่อกฎของฟิสิกส์ การถกเถียงว่าอากาศพลศาสตร์ "ฆ่า" ดีไซน์หรือไม่ก็ยังคงดำเนินต่อไป ถ้าถามว่าทำไมรถทุกคันไม่เป็นทรงหยดน้ำสมบูรณ์ คำตอบก็ง่าย: ความแตกต่างและความต้องการของตลาด ถ้ารถของทุกคนเหมือนหยดน้ำแบบเดียวกันหมด ธุรกิจนี้คงน่าเบื่อมาก ใช่ไหม?

ในยุคนี้ "ส่วนเสริม" ที่มองเห็นได้ติดตั้งบนตัวถังก็กลายเป็นมาตรฐานเช่นกัน สปอยเลอร์คืออุปกรณ์ที่มุ่งหมายทำลายการเคลื่อนไหวของอากาศที่ส่งผลเสียบนตัวถัง โดยนำทางกระแสอากาศเพื่อปรับปรุงแรงต้านและการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่ความเร็วสูง รุ่นแบบแอคทีฟสร้างความแตกต่างที่จับต้องได้จากรุ่นแบบพาสซีฟ: ในงานวิจัยหนึ่งเกี่ยวกับ Miata สปอยเลอร์หลังแบบปรับได้ให้เวลารอบที่เร็วกว่าสปอยเลอร์หลังแบบคงที่ 0.28 วินาที ผู้ผลิตอย่าง BMW ก็ใช้สปอยเลอร์แบบปรับได้และช่องระบายอากาศในรถซีดาน และอย่าลืมจุดสำคัญเหล่านี้: กันชนหน้า ที่ปัดน้ำฝน กระจกมองข้าง ด้านบนของฝาท้าย และจุดสัมผัสระหว่างยางกับถนน - นี่คือบริเวณที่อากาศพลศาสตร์ต้องออกแรงมากที่สุด

ยุคยานยนต์ไฟฟ้า: กระจังปิด ปีกที่ซ่อนเร้น และ Togg

วันนี้ด้านที่มองเห็นได้ชัดที่สุดของเรื่องนี้อยู่ที่หัวรถทั้งคัน: ม่านกระจังแบบแอคทีฟ เปิดเพื่อส่งอากาศให้เครื่องยนต์เย็น และปิดเมื่อไม่จำเป็นเพื่อลดแรงต้าน เมื่อปิดจะช่วยลดการปล่อย CO₂ และการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง ตลาดของชิ้นส่วนจิ๋วนี้คาดว่าจะเติบโตจากระดับ 5.54 พันล้านดอลลาร์ ในปี 2025 เป็น 9.25 พันล้านดอลลาร์ ในปี 2032 ด้วยอัตราเติบโตเฉลี่ยต่อปี 7.6% ในปี 2026 คาดว่าแพลตฟอร์มเครื่องยนต์สันดาปภายในจะครองส่วนแบ่ง 46% ในตลาดกระจังแบบแอคทีฟ ซัพพลายเออร์อย่าง Magna ยังคงลงมาในสาขานี้ด้วยโซลูชันอย่าง StyleShutter ที่ช่วยเพิ่มความสวยงามอีกด้วย ส่วนในยานยนต์ไฟฟ้า กระจังเกือบปิดสนิท - เพราะไม่จำเป็นต้องมีรูอยู่หน้ามอเตอร์ที่ความต้องการระบายความร้อนไม่สำคัญนัก การปรับแต่งอากาศพลศาสตร์ในปัจจุบันเป็นเทคโนโลยีหลักในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง ยืดระยะทางของ EV และปรับปรุงสมรรถนะการขับขี่ ข่าวจากแวดวง Formula 1 ก็มีเช่นกัน: รถปี 2026 มีปีกหลังแบบแอคทีฟที่คนขับเปิดใช้บนทางตรง และปิดอัตโนมัติเมื่อเบรกหรือชะลอความเร็ว ส่วนปีกหลังของ Ferrari ที่หมุนพลิกไปทั้งชิ้นในตำแหน่งเปิดก็ก่อให้เกิดการถกเถียงอย่างรุนแรง

แล้วตุรกีอยู่ตรงไหนของภาพนี้? T10X ของ Togg เปิดตัวในหน้าเว็บทางการในฐานะ SUV ไฟฟ้าที่โดดเด่นด้วย "เส้นสายอากาศพลศาสตร์" มีรายงานว่าในปี 2022 มีการปรับแต่งด้านอากาศพลศาสตร์และอากาศพลศาสตร์เสียงบนต้นแบบก่อนการผลิตจริง ที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นคือ T10F: ด้วยการออกแบบอากาศพลศาสตร์ จึงถูกนำเสนอในฐานะรุ่น fastback ที่มีระยะทางไกลที่สุดของแบรนด์ โดยให้ระยะทาง เกิน 600 กม. นั่นคือสมการเดิมที่ยังคงทำงานตั้งแต่ไอเดียตัดท้ายรถของ Kamm: ตัวถังลื่นกว่า ระยะทางยิ่งไกลขึ้น แหล่งข้อมูลยานยนต์ภาษาไทย... เอ่อ แหล่งข้อมูลยานยนต์ก็สรุปในทำนองเดียวกัน: การลดแรงต้านอากาศช่วยเพิ่มสมรรถนะ ประสิทธิภาพ เสถียรภาพ และความปลอดภัย แถมยังทำให้รถดูเท่และทันสมัยขึ้นด้วย

นักออกแบบกับวิศวกรจะปรองดองกันได้หรือไม่?

บทเรียนที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจากประวัติศาสตร์คือ: มรดกของ Airflow ซ่อนอยู่ในสูตร "ปฏิวัติทางวิศวกรรม แต่ล้มเหลวเชิงพาณิชย์" ถ้าฟิสิกส์พูดทุกอย่างถูกต้อง แต่ผู้คนไม่หลงรักหน้าตารถ ตัวเลขยอดขายก็ไม่ฟังฟิสิกส์ ข่าวดีคือ: การคำนวณพลศาสตร์ของไหล (CFD) กำลังลดความขัดแย้งเก่าแก่นั้น โดยเสริมความร่วมมือด้านประสิทธิภาพและสมรรถนะระหว่างนักออกแบบกับวิศวกร แทนที่จะปั้นปาเป้าเสร็จแล้วค่อยเอาไปทดสอบในอุโมงค์ลม เส้นสายทุกเส้นตอนนี้ถูกทดสอบในคอมพิวเตอร์ได้นับพันครั้ง ส่วนตัวว่านี่คือโต๊ะเจรจาที่สมดุลที่สุดระหว่างการออกแบบที่มองเห็นกับฟิสิกส์ที่มองไม่เห็น ถ้าเป็นเธอ เธอจะฟังฝ่ายไหนก่อน: ตาของเธอ หรืออุโมงค์ลม?

แหล่งอ้างอิง