aerodynamics wind test (2)


Να σου πω πρώτα πως μου ήρθε η ιδέα για το σημερινό άρθρο. Χθες το βράδυ στο φανάρι ήταν μπροστά μου σταματημένο ένα Peugeot 308 Cabrio. Ανοικτή η κουκούλα αλλά το περιεχόμενο ήταν αρσενικού γένους οπότε ελλείψει άλλον έμεινα να χαζεύω τα οπίσθια του Peugeot. Αν είχε αεροτομή θα περνούσε απαρατήρητο αλλά ο διαχύτης μου έδωσε έμπνευση. Άναψε ένα λαμπάκι στο check engine του μυαλού μου και φώτισε την λέξη αεροδυναμική.

Εννοείται ότι και αυτή την φορά δεν υπάρχει περίπτωση να σε μπλέξω με τύπους ή να λύσουμε ασκήσεις. Όλα τα άρθρα έχουν ως σκοπό να βάλουμε τα πράγματα σε μια σειρά και στην καλύτερη των περιπτώσεων όποιος αισθάνεται ή είναι νέος και έχει την διάθεση για περαιτέρω ας googlάρει τις λέξεις-κλειδιά για να εμβαθύνει περισσότερο.

aerodynamics wind test (6)

Όσα παίρνει ο άνεμος

Σε πιο απλά ελληνικά ρευστομηχανική. Είναι ο κλάδος της μηχανικής που ασχολείται με τις δυνάμεις που ασκούν ή ασκούνται από τα ρευστά. Ρευστό είναι ό,τι έχει ροή, από την βότκα και την λάβα μέχρι το λιωμένο παγωτό και τον αέρα. Αυτό που χαρακτηρίζει τα ρευστά είναι το ιξώδες. Όσο μεγαλύτερο, τόσο δυσκολότερα ρέει. Της λάβας για παράδειγμα είναι 100.000 μεγαλύτερο από του νερού, της βότκας είναι ανάλογο της παρέας και του νταλκά. Υποκλάδος της ρευστομηχανικής είναι η αεροδυναμική. Αν θες να φτιάξεις ιστιοπλοϊκό θα χρειαστείς την αεροδυναμική και το αδερφάκι της, την ναυπηγική. Εμάς όμως μας ενδιαφέρουν τα όσα παίρνει ο άνεμος. Ο άνεμος παίρνει ό,τι είναι πάνω στην γη , άλλα εύκολα και άλλα δύσκολα. Το πόσο εύκολα ή δύσκολα έχει να κάνει με την αεροδυναμική αντίσταση (drag).

Αεροδυναμική Αντίσταση

Η αεροδυναμική αντίσταση είναι ένα γινόμενο. Πολλαπλασιάζεις το συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης (Cd), με την πυκνότητα του αέρα, που πρακτικά δεν μας νοιάζει ιδιαίτερα εκτός και αν οδηγείς Bugatti, την μετωπική επιφάνεια και την ταχύτητα. Δεν με ενδιαφέρει καθόλου ποια είναι η ακριβής εξίσωση, αυτό που με ενδιαφέρει είναι να καταλάβεις πότε ένα αυτοκίνητο πιάνει την τελική του ταχύτητα. Είσαι στην Autobahn και αποφασίζεις να πιάσεις την τελική ταχύτητα του αυτοκινήτου σου. Πας με 120 χλμ/ώρα πατάς τέρμα γκάζι για να πιάσεις την τελική των 200 χλμ/ώρα. Όση ώρα επιταχύνεις, σημαίνει ότι η δύναμη του κινητήρα σου είναι μεγαλύτερη από την δύναμη της αεροδυναμικής αντίστασης.

aerodynamics wind test (1)

Η drag όμως μεγαλώνει, όσο μεγαλώνει και η ταχύτητά σου, ώσπου σε κάποια χλμ/ώρα , στο παράδειγμά μας στα 200 χλμ/ώρα , η drag θα γίνει ίση με την δύναμη του κινητήρα σου. Αυτό είναι και η τελική σου ταχύτητα, η δύναμη του κινητήρα ισούται με την αεροδυναμική αντίσταση. Το άλλο που δεν σου είπα είναι ότι η drag αυξάνεται απότομα, η ταχύτητα είναι στο τετράγωνο. Είναι ακόμα χειρότερα από αυτό όμως , καθότι εμάς μας ενδιαφέρει η δύναμη του κινητήρα με κάτι αντικαταστάσεις στον τύπο προκύπτει ότι η ταχύτητα ανεβαίνει εις την τρίτη. Για να μην σε μπλέξω παραπέρα θα σου γράψω ένα απλό και σχετικά ακριβές παράδειγμα:

  • 15 Ps = 100 χλμ/ώρα
  • 120 Ps = 200 χλμ/ώρα
  • 960 Ps = 400 χλμ/ώρα.

Πριν πάμε στον αεροδυναμικό συντελεστή και την μετωπική επιφάνεια να σου πω και μερικά εμπειρικά παραδείγματα, γιατί επί της ουσίας, μόνο η drag μας ενδιαφέρει και άσε τα προσπέκτους να πουλάνε αεροδυναμικούς συντελεστές. Όταν ένα όχημα κινείται με σταθερή ταχύτητα, αυτό που κάνει είναι να εξισώνει τις αντιστάσεις με την ισχύ του κινητήρα. Μέχρι τα 60 χλμ/ώρα, οι τριβές είναι κυρίως αυτές της κύλισης, δηλαδή των ελαστικών με το δρόμο σε σχέση πάντα με το βάρος. Από τα 60 χλμ/ώρα και πάνω, αρχίζει και μεγαλώνει το γινόμενο τόσο ώστε να επηρεάζει σε κάποιο βαθμό. Αν έχεις οδηγήσει μηχανή χωρίς κράνος το ξέρεις πολύ καλά ότι μετά τα 60 χλμ/ώρα είναι η χαρά της κομμώτριας.

aerodynamics wind test (3)

Στο αυτοκίνητο όταν βρέχει είναι η ταχύτητα που δεν σου χρειάζεται ο πίσω υαλοκαθαριστήρας , αναλαμβάνει ο αέρας. Μέχρι τα 120 χλμ/ώρα έχει γίνει ένα σοβαρό μέγεθος, κάπου εκεί είναι που αρχίζουν να δουλεύουν οι αεροτομές και ο αεροδυναμικός συντελεστής αρχίζει να γίνεται πολύτιμος. Από τα 120 χλμ/ώρα και πάνω, είναι το κυρίαρχο μέγεθος, καλά για κάτι 200+ χλμ/ώρα δεν το αναφέρω καν. Αυτός είναι ο λόγος που μετά τα 120 χλμ/ώρα οι καταναλώσεις αρχίζουν και ανεβαίνουν απότομα και τα φορτηγά δεν πάνε πάνω από 80 χλμ/ώρα. Αυτός είναι ο λόγος που μετά από τα 300+ χλμ/ώρα για να ανεβάσεις τελική, τα άλογα πρέπει να ανεβαίνουν κατά δεκάδες και μετά τα 400+ χλμ/ώρα κατά εκατοντάδες.

Η μετωπική επιφάνεια είναι εύκολα αντιληπτό μέγεθος. Άλλο το φορτηγό άλλο το παπάκι. Άλλο να κουβαλάς ένα πίνακα ζωγραφικής στο μηχανάκι, ένα Van Gogh που είναι της μόδας, κρατώντας τον οριζόντια και άλλο να τον κρατάς κάθετα.

Συντελεστής Αεροδυναμικής Αντίστασης

Η αυτού μεγαλειότης Cd. O Cd είναι άσχετος από την μετωπική επιφάνεια. Μπορεί ένα superbike με ένα αυτοκίνητο να έχουν ίδιο Cd. Δεν χρησιμοποιείται μόνο στα αυτοκίνητα, αλλά ακόμα και στους ουρανοξύστες και στις γέφυρες. Είναι λίγο δύσκολο εκεί που πας με 200 χλμ/ώρα στην Autobahn να σου παίζει τα φώτα με 240 χλμ/ώρα το Empire State Building επειδή κοντράρεται με την Ρίο-Αντίρριο αλλά και εκεί είναι εξίσου ή και παραπάνω χρήσιμος. Το πρόβλημά τους είναι, ότι λόγω της τεράστιας μετωπικής επιφάνειας αυτών των κατασκευών, όταν τα χτυπάνε δυνατοί άνεμοι υποφέρουν περισσότερο και από σεισμό. Ένα αυτοκίνητο με κακό Cd μπορεί να καίει παραπάνω και να έχει μικρότερη τελική, αλλά ένας ουρανοξύστης ή γέφυρα με κακό Cd, μπορεί στην καλύτερη να σου προκαλεί ναυτία και στην χειρότερη να καταρρεύσει.

Ο Cd μετράει πόσο εύκολα περνάει ο αέρας γύρω από ένα αντικείμενο, άσχετα από το μέγεθος του. Μετράται στην αεροδυναμική σήραγγα και μόνο εκεί. Γίνονται και εκτιμήσεις μέσο υπολογιστών, αλλά για να βγει αποτέλεσμα πρέπει να μπει στην αεροσήραγγα.

aerodynamics wind test (5)

Αυτό που έχει μεγάλη σημασία είναι η τυρβώδης ροή. Η τυρβώδης ροή είναι εύκολα αντιληπτή όταν κοιτάς μια σημαία που την φυσάει ο άνεμος. Τα άκρα της σημαίας υποφέρουν από ταλαντώσεις σαν ανεμοστρόβιλους ενώ το μπροστά μέρος παραμένει σχεδόν ακίνητο. Στο μπροστά μέρος, η ροή του αέρα είναι γραμμική ενώ στο πίσω τυρβώδης, που σημαίνει φασαρία τόσο ακουστικά όσο και αεροδυναμικά. Το μεγάλο πρόβλημα στην σχεδίαση είναι τα ανοίγματα για την ψύξη, το πώς και πόσος αέρας θα μπει αλλά και η ροή που πρέπει να έχει όταν εξέρχεται. Οι καθρέφτες έχουν μικρή μετωπική επιφάνεια και δεν επηρεάζουν τόσο πολύ, αντίθετα αν θέλεις να πάθει εγκεφαλικό ο Τομπάζης, βάλε λασπωτήρες που είναι ο ορισμός του αερόφρενου. Επιτέλους θα δούμε και ένα βιντεάκι σήμερα. Είναι ο ορισμός της οπτικοποίησης της γραμμικής ροής.

Το πώς γίνεται αυτή η μαγική ροή θα το πούμε στο 2ο μέρος. ‘Έλεγα να σου βάλω και ένα video με κορίτσια να πλένουν αυτοκίνητα ως παράδειγμα της τυρβώδους ροής αλλά το αφήνω γιατί θα πάει στράφι όλο το κείμενο και θα  βρεθούμε στα σχόλια να μιλάμε για μαγιό.

aerodynamics wind test (4)

Να σου πω και την ένστασή μου για τις ανακοινώσεις του Cd . Καταρχήν τον μετράει ο καθένας μόνος του και ανακοινώνει αυτό που βρήκε. Σαν καταναλωτής δεν έχω τυφλή εμπιστοσύνη σε κανένα και δεύτερον δεν θα ήταν πιο τίμιο να μας ανακοινώνουν το γινόμενο Cd επί την μετωπική επιφάνεια;