جادوی آیرودینامیک؛ ضریب درگ چیست و چه تاثیری در عملکرد خودروها دارد؟

امروزه بحث ایرودینامیک در صنعت خودروسازی اهمیت زیادی پیدا کرده و بسیاری از شرکت های مطرح سعی می کنند محصولاتی را با بهینه ترین میزان مقاومت در برابر هوا به خیابان ها بفرستند.

با توجه به این مساله، طراحان اکنون بیش از هر زمان دیگری با چالش روبرو شده اند، زیرا باید مدل های جدید را طوری طراحی کنند که در کنار زیبا بودن و جذب مشتریان، از لحاظ ضریب درگ (drag coefficient) نیز وضعیت مطلوبی داشته باشند.

حال سوال مهمی که پیش می آید اینست که ضریب درگ چیست و چه نقشی در خودروها دارد؟ در این نوشتار قصد داریم به طور خلاصه به این سوال پاسخ دهیم. چنانچه این موضوع برایتان جذابیت دارد، دعوت می کنیم با ادامه مطلب همراه ما باشید.

برای نشان دادن وضعیت ایرودینامیک خودرو از ضریب درگ استفاده می کنند. این فاکتور که با نام ضریب پسار نیز شناخته می شود، می تواند فاکتورهای دیگری مثل حداکثر سرعت، میزان پایداری خودرو، مصرف سوخت و چند مورد دیگر را تحت تاثیر قرار دهد.

ضریب درگ همانطور که از نامش نیز مشخص است، با یک عدد نمایش داده می شود. در دینامیک سیالات این عدد در واقع نشان دهنده میزان مقاومت جسم در برابر حرکت در داخل یک سیال است.

در دنیای واقعی، هر سیالی تمایل دارد در برابر اجسامی که از داخل آن عبور می کنند، از خود مقاومت نشان دهد. این مقاومت خود را در قالب نیرویی خلاف جهت حرکت جسم، پدیدار می شود.

برای خودروها، درگ یا پسار نیرویی است که به واسطه وجود هوا در اطراف ایجاد می شود. این نیرو خلاف جهت حرکت بوده و گویی قصد دارد جلوی حرکت خودرو را بگیرد.

به عبارت ساده تر وقتی که یک اتومبیل در حال حرکت است، باید هوایی را که در برابر آن مقاومت می کند، بشکافد. میزان این مقاومت به شکل اتومبیل و سرعت آن بستگی دارد.

اثر درگ در سرعت های بالا بیشتر و بهتر ظاهر می شود. به همین خاطر است که وسایل نقلیه باید طوری طراحی شوند که تا حد ممکن ضریب درگ کمتری داشته باشند. هر چه ضریب درگ کمتر باشد، به معنای اینست که خودرو توانایی بهتری در شکافتن هوای پیش رو دارد.

همانطور که اشاره شد، ضریب درگ به غیر از تحت تاثیر قرار دادن عملکرد خودرو در سرعت های بالا، در فاکتورهایی مثل پایداری، مصرف سوخت و شتابگیری نیز دخالت می کند.

محاسبه ضریب درگ از طریق فرمول های پیچیده ریاضی صورت می گیرد. در این فرمول ها فاکتورهایی مثل سرعت، غلظت هوا و سطح مقطع خودرو نقش دارند. از آنجایی که ضریب درگ معمولا در تونل باد محاسبه می شود، شکل و ساختار تونل نیز می تواند جزو عوامل دخیل در ضریب درگ باشد.

ناگفته پیداست یکی از اجزایی که ضریب درگ خودرو را تعیین می کند، شکل دماغه آن است. اگر این بخش بیش از حد با ضریب درگ کم و به اصطلاح تیز طراحی شود، شکل نهایی خودرو جذاب و زیبا از آب در نخواهد آمد؛ همچنین در چنین حالتی چسبندگی خودرو نیز کاهش یافته و به لحاظ پایداری با مشکل روبرو می شود.

به طور کلی اتومبیل های سواری دارای ضریب درگی بین 0.25 الی 0.30 هستند، این رقم در مدل های شاسی بلند به دلیل ارتفاع بلندتر و بدنه های جعبه ای شکل به 0.35 الی 0.45 افزایش می یابد.

نکته عجیب و متضاد اینکه اتومبیل های مسابقه ای، مثل نمونه های حاضر در رقابت های فرمول یک یا کاترهام Seven، ضرایب درگی بیشتر از هامر H2 دارند. ضریب درگ این شاسی بلند که می توان آن را به جعبه ای بزرگ بر روی چهار چرخ تشبیه کرد، با 0.57 برابر است.

ضریب درگ خودروهای فرمول یک، مطابق با تنظیماتی که تیم ها انتخاب می کنند، بین 0.7 و 1.1 متغیر است. دلیل این امر به تولید نیروی رو به پایین (downforce) بر می گردد. با ایجاد نیروی رو به پایین بیشتر، خودروهای فرمول یک چسبندگی بهتری با زمین پیدا کرده و می توانند پیچ ها را با سرعت بالاتری پشت سر بگذارند.

همانطور که در لابلای مطالب اشاره کردیم، ضریب درگ خیلی پایین در سرعت های بالا باعث کاهش چسبندگی می شود؛ حال آنکه ضریب درگ بالا می تواند به معنی افزایش نیروی downforce باشد.

مساله حائز اهمیت اینکه ضریب درگ یک کمیت کاملا متغیر است. به عبارتی وقتی این ضریب برای یک خودروی معین مشخص می شود، تنها برای آن مدل خاص صادق خواهد بود و نمی توان گفت که تمام اعضای سری مربوطه دارای ضریب درگی مشابه هستند.

برای درک بهتر این مساله از یک مثال کمک می گیریم. برای نمونه مرسدس بنز CLA 180 BlueEfficiency با ضریب درگ 0.22 ایرودینامیک ترین خودروی تولید انبوه حال حاضر جهان به شمار می رود. اما نکته ای که باید مد نظر داشت اینست که تمامی نسخه ها و تریم های متفاوت CLA دارای ضریب درگ 0.22 نبوده و این رقم برای مدلی خاص با اجزای بدنه پیشفرض به دست آمده است. بنابراین هر گونه تغییر در اجزای بدنه، مثل سپر ضریب درگ متفاوتی به دنبال خواهد داشت.

اگر بخواهیم به اتومبیل هایی با کمترین ضریب درگ اشاره کنیم، باید از مدل های دیگری مثل ب ام و 520d EfficientDynamics با ضریب 0.22، تسلا مدل 3 با ضریب 0.23، آلفارومئو جولیا نسخه Advanced Efficiency با ضریب 0.23 و آئودی A4 2.0 TDI ultra نام ببریم.

نسل اخیر سری 3 نیز که همین چند هفته پیش معرفی شد، با ضریب 0.23 از لحاظ ایرودینامیک وضعیت بسیار مطلوبی داشته و به همراه مدل های یاد شده، یکی از برترین ها محسوب می شود.

همانطور که مشاهده می کنید اکثر خودروها با ضریب درگ فوق العاده خوب نسخه های هیبریدی و سبز هستند و خودروسازان اخیرا برای کاهش ضریب درگ این دسته از خودروها از سیستم جلوپنجره متغییر استفاده می کنند. بدین معنا که جلوپنجره خودرو در سرعت های بالا بسته می شود تا با کاهش برخورد باد با رادیاتور، شرایط آیرودینامیکی خودرو بهبود یابد، اما در سرعت های پایین یا در شرایطی که نیاز به خنک کاری حداکثری پیشرانه وجود دارد، فلپ های تعبیه شده در جلو پنجره باز می شوند تا خنک کاری حداکثری انجام شود. اما خودروهای برقی طبیعتا نیاز به چنین سیستمی ندارد و به دلیل سطح رادیاتوری کمتر، اساسا رسیدن به ضریب درگ پایین برای طراحان خودرو برقی ساده تر از خودروهای مجهز به پیشرانه های درون سوز است.

البته استفاده از آیرودینامیک متغییر محدود به بهبود ضریب و مسائل مربوط به کاهش مصرف سوخت نمی شود و در چند سال گذشته کمپانی هایی نظیر فراری و لامبورگینی یا مکلارن به واسطه این شیوه، وضعیت آیرودینامیکی خودرو را با هدف بهبود چسبندگی و کاهش زمان طی یک دور پیست ارتقا داده اند.

اگر در خصوص ضرایب درگ خودروهای تولید داخل نیز کنجکاو هستید، باید گفت که سمند و خانواده پژو 405 با ضریب درگی در حدود 0.3 در زمره خودروهای آیرودینامیک زمان خود قرار داشتند، آیرودینامیک سیتروئن زانتیا نیز در همین محدوده ارزیابی می شود اما سایر خودروهای تولید داخل نظیر پراید با ضریبی در حدود 0.35 از شرایط مطلوب فاصله دارند و تعریف چنین پارامتری برای خودروهایی چون نیسان زامیاد (با تکنولوژی مربوط به نیم قرن پیش) نیز بیشتر به یک شوخی شبیه است.