Με απλά λόγια #3 | Αεροδυναμικές αντιστάσεις

Γράφει: Γιώργος Καπούσι

Ο όρος αεροδυναμικές αντιστάσεις είναι κάτι που ακούμε συχνά όχι μόνο στους αγώνες, αλλά και στην καθημερινή μας ζωή.

Σε αυτό το κείμενο θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τι είναι και πως επιδρούν.

Στις πραγματικές συνθήκες, για κάθε σώμα που ταξιδεύει μέσα σε οποιοδήποτε ρευστό υπάρχει μια δύναμη που αντιστέκεται σε αυτήν του την κίνηση. Το μέτρο αυτής της δύναμης, το πόσο ισχυρή είναι δηλαδή, εξαρτάται από κάποιους παράγοντες:

Την πυκνότητα του ρευστού, που συμβολίζεται με “ρ” (και στην περίπτωσή μας είναι ο αέρας), μια μαθηματική σταθερά που εξαρτάται από το γεωμετρικό σχήμα του σώματος (Cd), το μέγεθος της επιφάνειας του σώματος με την οποία προσκρούει μετωπικά το ρευστό (Α), και την ταχύτητα που κινείται το σώμα στο τετράγωνο (u).

Ας τοποθετήσουμε τα παραπάνω σε ένα παράδειγμα από τον κόσμο των αγώνων: Έστω ότι ένα μονοθέσιο έχει μια δεδομένη κλίση στις πτέρυγές του. Τότε ο παράγοντας Α στην παραπάνω εξίσωση που εκφράζει τη μετωπική επιφάνεια του σώματος (της πτέρυγας δηλαδή) έχει μια συγκεκριμένη τιμή. Όταν η κλίση των αεροτομών αυξηθεί, θα αυξηθεί η επιφάνεια με την οποία συγκρούεται ο αέρας, πράγμα που σημαίνει ότι το αποτέλεσμα της εξίσωσης θα είναι μεγαλύτερο.

Στο παρακάτω σχήμα, έχουμε τοποθετήσει δίπλα-δίπλα δύο περιπτώσεις, όπου μια υποτιθέμενη αεροτομή παίρνει δύο διαφορετικές κλίσεις. Τα βέλη αντιπροσωπεύουν τον αέρα. Έχουμε μαρκάρει με κόκκινο το ύψος της επιφάνειας που συγκρούεται με τον αέρα κάθε φορά. Βλέπουμε πως όταν η κλίση της πτέρυγας αυξάνεται, αυξάνεται και η απόσταση “d”, πράγμα που αυξάνει το εμβαδό της επιφάνειας που έρχεται σε επαφή με τον αέρα (το Α στην εξίσωση), μεγαλώνοντας έτσι και τις αντιστάσεις.

Όλα τα παραπάνω είναι πάνω-κάτω γνωστά. Το ενδιαφέρον κομμάτι όμως, αφορά το ρυθμό αύξησης της αντίστασης σε σχέση με την ταχύτητα.

Η ύπαρξη της δύναμης του τετραγώνου στην παράμετρο της ταχύτητας, έχει την εξής επίδραση στο φαινόμενο: Η αντίσταση αυξάνεται με μεγαλύτερους ρυθμούς από αυτούς της ταχύτητας. Με απλά λόγια, η φύση προσπαθεί πολύ πιο σκληρά για να κρατήσει πίσω ένα σώμα, από ότι το ίδιο το σώμα προσπαθεί να κινηθεί γρήγορα.

Αν για παράδειγμα στην εξίσωση της αντίστασης βάλουμε τις τιμές 5 και 10 στη θέση της ταχύτητας, θα συμπεράνουμε πως στη δεύτερη περίπτωση η αντίσταση τετραπλασιάστηκε σε σχέση με την πρώτη, από τη στιγμή που η ταχύτητα μονάχα διπλασιάστηκε.

Επιπλέον, αν θελήσουμε να υπολογίσουμε τη σχέση που έχει η ισχύς ενός αυτοκινήτου με την ταχύτητα, θα δούμε πως αυτή είναι ανάλογη με την ταχύτητα στην τρίτη. Όμως αυτό είναι ένα ξεχωριστό κεφάλαιο, για το οποίο ίσως μιλήσουμε σε μελλοντικό άρθρο.

Όμως, σκεφτείτε αυτό:
Σύμφωνα με τα τα παραπάνω, ένα όχημα, όταν διπλασιάζει την ταχύτητα με την οποία κινείται, τετραπλασιάζει τις αεροδυναμικές του αντιστάσεις ενώ ταυτόχρονα χρησιμοποιεί την οχταπλάσια ισχύ!

Και για να σας δώσουμε ένα χειροπιαστό παράδειγμα, η Bugatti Veyron, εκτός άλλων, διαθέτει και ένα… ιππόμετρο. Ένα όργανο δηλαδή που μας δείχνει πόσους ίππους χρησιμοποιεί ο κινητήρας κάθε χρονική στιγμή. Στο γνωστό και κλασσικό πλέον επεισόδιο του Top Gear, ο James May αναφέρει πως το αυτοκίνητο χρειάζεται μόνο 270 ίππους για να φτάσει τα 250 km/h. Για να επόμενα 157 km/h όμως που απαιτούνται για να πιάσει την τελική της ταχύτητα, πρέπει να χρησιμοποιηθούν και οι 1001!

Η σημασία όλων των παραπάνω είναι πως η αντίσταση στην αεροδυναμική δεν είναι καθόλου ασήμαντη υπόθεση και μπορεί να έχει τεράστιες επιπτώσεις, αν δεν αντιμετωπιστεί από τους σχεδιαστές με την ανάλογη προσοχή. Και τώρα που είδαμε πόσο μεγάλο είναι το “κόστος” των αντιστάσεων ανά km/h, καταλαβαίνουμε και το λόγο που τα τελευταία χρόνια γίνεται τόσο μεγάλη προσπάθεια εύρεσης τρόπων από τις ομάδες για αύξηση αεροδυναμικής απόδοσης δια της πλαγίας οδού (blown diffusers, εξατμίσεις coanda, κτλ)

Πέρα από την απώλεια χρόνου στους αγώνες, η αεροδυναμική αντίσταση παίζει σημαντικό ρόλο και στα οχήματα δρόμου. Όπως είναι εύκολα κατανοητό, ένα όχημα που κινείται μέσα στον αέρα καταβάλλοντας μικρότερη προσπάθεια, καταναλώνει και λιγότερο καύσιμο.

Αεροδυναμιστές της Williams εργάζονται πάνω σε μοντέλο υπό κλίμακα για χρήση στη σήραγγα, το 2001.