Rychlost a ekonomiku provozu automobilů neovlivňují jen výkony a efektivita pohonných jednotek. Když se automobil pohybuje po silnici, musí neustále narážet na pomyslnou zeď. Nemáme teď na mysli houstnoucí provoz a neustálé zácpy a kolony. Myslíme tím zeď vzdušné masy. Vzdušná atmosféra na této planetě je překážkou pro vše, co se hýbe a je obtížnější jí zdolávat, čím rychlejší pohyb je.
Co je to vlastně aerodynamika? Fyzikální disciplína zabývající se silovým působením vzduchu na pohybující se těleso a zkoumající proudění či obtékání atmosférického vzduchu kolem nich. Obecné pravidlo, které aerodynamika přinesla v oblasti automobilismu, zní, že se zvyšující se rychlostí a větší čelní plochou automobilu narůstá i hodnota aerodynamického odporu, v určitém momentě jeho velikost dosáhne stejné hodnoty, jako je síla, která pohybující se objekt (auto) táhne vpřed, což znemožní další zrychlování a rychlost už zůstane konstantní.
Aerodynamický odpor se zvyšuje s rychlostí, a to kvadrátně. Praktické testy prokázaly, že pokud se dosáhne snížení aerodynamického odporu jedoucího vozu o desetinu, ušetří se až 2,5 procenta paliva. Aby se dalo s vlivem aerodynamického odporu počítat, zavedl se koeficient aerodynamického odporu Cx (Cd v některých zemích). Slúži na vyjadrenie aerodynamických charakteristík vozu, ktoré ovplyvňujú proudění vzduchu kolem karosérie.
Většina dnešních osobních automobilů má součinitel odporu kolem hodnoty Cx 0,30. S novějšími konstrukcemi se hodnoty zvyšují, zejména u SUV či crossover vozidel, kde se Cx často pohybuje nad 0,30 a blíží se k 0,40. Automobilky tedy vyvíjejí ekologické verze a zjemňují aerodynamiku skrze úpravy povrchu karosérie a podvozku, zakrytování částí podvozku a další opatření.
- Fyzikálne základy: čelní plocha, tvar čela, drsný povrch a jednotlivé díly karosérie ovlivňují proudění vzduchu a síly působící na auto.
- Praktické úpravy: zmenšení čelného průřezu, zakrytí podvozku, aktívne prvky jako klapky v maske a výsuvné spojlery.
- Rozdíl mezi tvarem moderního auta a požadavky na přítlak: nulový vztlak vs. přítlak pro stabilitu, a jejich vzájemná kompenzace s odporom.
Praktické poznatky ukazují, že zvyšování prítlaku zlepšuje stabilitu při vysokých rychlostech a při brzdění, ale zpravidla zvyšuje aerodynamický odpor. Proto se vyvíjejí systémy aktívnej aerodynamiky, které zvyšují prítlak jen tehdy, když je to užitečné.
Ako funguje aktívna aerodynamika? Základom sú pohyblivé prvky, ktoré riadi elektronika vozidla. Pri nízkych rychlostiach sú klapky otvorené pre chladiace potreby; pri vyšších rychlostiach sa uzatvujú, čím sa znižuje odpor vzduchu. Zadné spojlery sa vysúvajú pri diaľničnom tempe alebo prudkom brzdení, zvyšujúc prítlak a stabilitu auta.
Aktívna aerodynamika nie je len o športových autách. Dnes ju využívajú aj bežné automobily ako Kia alebo Hyundai, ktoré skrývajú prvky pod názvom SHP (systém hlídací klapky pod maskou). Cieľom je znížiť spotrebu a zvýšiť efektivitu bez obetovania komfortu.
Prečo znižuje spotrebu a zvyšuje dojazd? Aktívna aerodynamika zlepšuje stabilitu a znižuje odpor vzduchu, čo vedie k lepšej hospodárnosti na dlhých trasách. Vysoký prítlak na zadnú nápravu zvyšuje kontrolu a znižuje citlivosť na bočný vietor. V prípade potrebe môže spojler pôsobiť aj ako aerodynamická brzda pri intenzívnom brzdení.
Neviditeľná výhoda aktívnej aerodynamiky spočíva v tom, že systém pracuje automaticky a vodič o jeho zásahoch často ani nevie. Elektronika vyhodnocuje rýchlosť, zaťaženie a teplotu pohonného ústrojenstva, bez nutnosti zásahu zo strany vodiča.
Najmä v ére elektromobilov a hybridov sa aerodynamika stáva kľúčovým faktorom dojazdu. Elektromobily majú často hladšie predné partie a uzavretú masku, aby minimalizovali vznik turbulencií a znižovali odpor vzduchu. Dôležité je tiež prúdenie vzduchu pod vozom a pri kolies, kde aerodynamické disky a kryty kolies prispievajú k nižšiemu tau a väčšej stabilite.
Vozidla s vyššou stavbou karosérie, ako SUV a dodávky, čelí väčšiemu odporu. Pre tieto typy je obzvlášť dôležité optimalizovať prúdenie okolo návesov, používať bočné usmerňovače vzduchu a kryty podvozka. Efektívinga aerodynamiky pri týchto vozidlách môže znamenať výrazné úspory na diaľničných rýchlostiach a lepší dojazd pri elektromobiloch.
Historicky aerodynamika bola doménou dizajnérov a inžinierov, dnes však ide o súčasť praktickej konštrukcie. Z vedeckého pohľadu vzduch obtíka karosériou a vzniká tlaková síla, ktorá súvisí s koeficientom odporu a čelným plochám. Vysoké rychlosti vyžadujú efektívnu aerodynamiku kvôli zníženiu spotreby a emisií CO2.
V kontexte elektromobility a hybridov je kľúčové, že dojazd závisí na aerodynamike rovnako ako na kapacite batérie. Moderné autá využívajú zakryté kolesá, hladké prechody medzi dielmi karosérie a aktívne klapky v maske, aby sa znížil vznik turbulencií a zlepšil prúdenie vzduchu. Podvozok s batériou v podlahe umožňuje hladšie proudění vzduchu pod vozidlo a zvyšuje prítlak na vozovku, čím sa zvyšuje stabilita a šetrí energia.
Pri rekuperácii energie pri brzdení elektromobilov sa znižuje potreba užívania mechanických bŕzd. Vysychajúce brzdy v bežných autách sú nahradené čiastočnou rekuperáciou, ktorá znižuje spotrebu aj opotrebenie bŕzd. Prepravy a nákladné vozidlá vyžadujú špecifické optimalizácie: oblúky, bočné usmerňovače a prístupový priestor medzi kabínou a návesom. Výsledkom je lepší dojazd a stabilita pri vysokých rýchlostiach.
V závere je potrebné pripomenúť, že aerodynamika nie je iba otázkou dizajnu. Je to kľúčový nástroj, ako z ranej batérie získať viac kilometrov, lepšiu stabilitu a nižšiu spotrebu. Hladké disky, zakrytovaný podvozok, premyslené prúdenie vzduchu a inteligentné využitie rekuperácie sú konkrétne technické riešenia, ktoré podporujú efektívnu jazdu v moderne vyvinutých vozidlách.
Zdroj: ROBO HUBAČ; Zdroj: ABT; Zdroj: Techmania Science Center
Odporové pôsobenie vzduchu a jeho redukcia je otázkou dlhodobej evolúcie automobilizmu a vývoja aerodynamických vlastností - od prudko tvarovaných prvých vozidiel až po dnešné sofistikované aktívne systémy, ktoré spolu s nízkou čelnou plochou a optimalizovaným priechodom vzduchu umožňujú lepší dojazd a nižšie emisie.
Praktické doplnenia a príklady
Exponát simuluje činnost aerodynamického tunelu, což je experimentální zařízení, které vytváří vzdušný proud a slouží ke zkoumání aerodynamických vlastností těles. Aerodynamický tunel NASA s modelem letadla. Trajektorie jednotlivých částic proudící tekutiny znázorňujeme proudnicemi. Kolem aerodynamických těles probíhá laminární proudění - proudění bez vírů. Při turbulentním proudění se za tělesem tvoří víry. Tlak za tělesem je menší než před tělesem a to způsobí růst odporové síly.
Speciální modely a praktické aplikace na ente vozidla ukazují, jak detailní úpravy mohou vést k výraznému zlepšení koeficientu Cx. Příklady zahrnují aerodynamické prvky v masce, spodný kryt, aerodynamické disky a zavření mezer mezi díly karosérie.
V súčasnosti moderné elektromobily zohľadňujú aerodynamiku ako zásadný faktor dojazdu a efektivity. Napríklad tesla Model Y alebo podobné modely vyžívajú zakrytý spodok a hlboké spolupráce na minimalizácii turbulencií.