Aerodinamik

Üretici firmalar, araçlarının insanın ayağını yerden kesmek yanında yüksek sürat, yüksek taşıma kapasitesi, ekonomi gibi üstün performans özelliklerine sahip olması gerektiğini fark ettiklerinden bu yana bir yandan motor tarafından sağlanan gücü artırma, diğer yandan da aracın sistemlerindeki ve bilhassa hava direncinden kaynaklanan kayıpları minimize etme yolları aramışlardır. Bu arayış çok eskilere dayanmaktadır. İlk binek otolarının bir telefon kulübesinden farkı yok iken günümüzdeki otomobil üreticileri araçlarının daha iyi aerodinamik özelliklere sahip olmaları amacıyla köklü form değişikliklerine gitmişlerdir ve bu konudaki AR-GE çalışmalarına büyük önem vermektedirler. Özellikle rekabet piyasasında daha geniş yer hedefleyen üreticiler araçlarının ekonomikliğini artırırken, ekonomikliği artırmada en büyük engel olan hava direnç kaybını azaltmak için bu tür araştırmalara gelirlerinin büyük miktarını ayırmaktadırlar.

Üzerinde titizlikle durulan bu kavramın ne olduğunu basit olarak açıklamak gerekirse, aerodinamik ; genel anlamda havanın hareketini inceleyen bilim dalı olduğunu söyleyebiliriz.
Katı bir cisim etrafında akan hava veya hareketsiz duran hava içinde hareket eden katı cisim söz konusu olduğunda gerekli tüm değerler, aerodinamik denklemler yardımıyla bulunabilir.Bu değerler genel olarak taşıma ve direnç kuvvetleridir. Hava taşımacılığında bu iki kuvvet önemli yer tutarken kara nakil araçları için belli bir hıza kadar sadece direnç kuvveti göz önüne alınır. Ancak çok hızlı araçlarda örneğin Formula 1 yarış arabalarında taşıma kuvveti dikkate alınması gereken mertebelere ulaşır.

Kara nakil araçlarında motorca üretilen güç hava direnci ve sistem içindeki kayıpları dengeler. Bu kayıplar :

Termodinamik kayıplar
Transmisyon kayıpları
Yuvarlanma kayıpları
İvme kayıplarıdır.

Düşük hızlarda hava direnci diğer kayıplar yanında oldukça düşük mertebelerdedir. Ancak hız 30-40 km/h değerine ulaşınca hava direnci önem kazanır. Bunun sebebi hava direncinin hızın karesiyle doğru orantılı olarak artmasıdır.Geometrik boyutları araç dış formuna bağlı direnç katsayısı (cw) belli olan bir araca herhangi bir hızda etkiyen direnç kuvveti hesaplanabilir. Örnek olarak ; hızı 30 m/sn (108 km/h) olan bir aracın rüzgara dik kesit yüzeyi 3m'kare olsun. Aracın direnç katsayısı Cw =0,45 ise bu araca etkiyen direnç şu şekilde bulunur :

D=0,5 x d x Cw x A x V²

Burada;

d : Havanın yoğunluğu ( 1.255 kg/m³ )
A : Aracın dik kesit alanı ( m² )
V : aracın hızı ( m/sn ) dir.
D= 0,5 x 1,255 x 0,45 x 3 x (30)² D= 762,4 Newton

Bu kuvvet 80 kg ağırlığında bir kütleyi havaya kaldırmak için gerekli olan kuvvete eşittir.

Tablo : Benzin motorlu 1200 kg'lık bir otomobilde 90 km/h hızda yakıt enerjisinin % de olarak kullanımı

Cw değeri bir cismin dış formu sebebiyle düzgün doğrusal akım içinde oluşturduğu süreksizlik ve girdaplar gibi akım bozuntularının sonucu ortaya çıkar. Dış form itibariyle cisim ne derece az bozuntuya sebep olursa direnç katsayısı ve buna bağlı olarak direnç kuvveti de o derece küçük olur. Görüldüğü gibi hızı ve geometrik boyutları belli olan bir aracın hava direnç kaybını azaltmanın tek yolu aracın dış formuna bağlı olan direnç katsayısı Cw'yi azaltmaktır. Cw değerinin azaltılması :

Motor gücü sabit bir aracın daha yüksek hıza erişebilmesi
Belli hıza çıkması istenen araca daha küçük motor takılabilmesi
anlamına gelir.

Binek araçları için ekonomi açısından ikinci şık yarış arabalarında ise yüksek performans hedeflendiğinden birinci şık Cw değerinin önemini ortaya koyar.

Direnç katsayısı Cw'nin azaltılabilmesi için araç formları gün geçtikçe aerodinamikteki adıyla damla formuna benzetilmeye çalışılmaktadır. Damla formunun özelliği doğrusal akımda bilinen en az bozuntuya sebep olan yapı olmasıdır.

Hava Direnç Katsayısını Azaltmak İçin Yapılan Çalışmalar

Aracın kaportası çevresinde akan havanın mümkün olduğunca kesintisiz ve pürüzsüz bir yüzey etrafında akması sağlanarak direnç katsayısı daha da düşürülebilmiştir. Bu amaca yönelik araçlarda kapı camlarının ve farların kaporta ile bir yüzeyde dizayn edilmesi, ön ve arka camların daha yatık dizayn edilmesi, yan aynaların formunun aerodinamik özellik taşıması, lastik oyuklarının genişletilmiş çamurluklarla örtülmesi, ön ve arka tekerlekler arasına etekler yerleştirilmesi, ön panel altına hava kesiciler ( airdam ) yerleştirilmesi, jant kapaklarının mümkün olduğunca aerodinamik yapıda imal edilmeleri, aracın altındaki düzgünsüzlükleri alt kaplama takviyesi ile kamufle edilmesi gibi önlemlere rastlanmaktadır. Günümüzde yukarıda bahsettiğimiz önlemler sayesinde direnç katsayısı;

Binek araçlarında 0,25'e
Otobüslerde 0,5'e
Motosikletlerde 0,4'e
Kamyonlarda ise 0,65'e

dek düşürülebilmiştir.

Hatırlatmakta fayda vardır ki, hava akımı içinde akım yönüne dik olarak tutulan bir levha için bu değer 1.28, paraşütte 1.70, tabanca mermisinde 0.3, futbol topunda 0.29, yolcu uçaklarında 0.25, bomba ve yedek yakıt tankı taşımayan savaş uçaklarında 0.20 civarındadır.
Bu arada laboratuar çalışmalarında bulunan sonuçların normal trafikte tespit edilenler ile uyuşmaması çoğunlukla rastlanan haldir. Çünkü araca etkiyen yan rüzgar, yük durumu vb. faktörler direnç katsayısına doğrudan tesir ederler.
Açık bir pencere, bagajdaki 20 kg'lık fazla yükün oluşturduğu yere yaklaşma veya kullanılan lastiklerin daha kalın olanlarıyla değiştirilmesi gibi hallerde direnç katsayısı değeri %10-12 artış gösterir. Küçük gibi görünen bu artışın ise yakıt sarfiyatının %5 yükselmesine neden olduğu tespit edilmiştir.

Yukarıda saydığımız önlemlerden, aracın altındaki düzgünsüzlüklerin alt kaplama ile kamufle edilmesi halinde cw değeri 0.045 düşüş gösterir.
Bunun dışında ön ve arka camların eğik dizayn edilmesi, aracın iç kısmını etkileyen güneş ışığı miktarının artmasına neden olur. Bunun doğuracağı yüksek sıcaklık problemine çözüm olarak cam imalatçı firmalar renksiz iki ince cam tabakası arasına altın veya gümüş metalden mikron mertebesinde film sıvayarak güneşin görünür dalga boyundaki ışınlarını geçiren fakat enfraruj ışınlarını yansıtan camlar geliştirmişlerdir. Bunun maliyeti ise normal cam maliyetinin % 50 üzerindedir.

Cw değerini azaltma çalışmalarının sonucu olarak şu söylenebilir : Geliştirilen farklı önlemler sayesinde direnç kaybı oldukça düşürülebilmiştir ve hatta daha da düşürülebilir ancak bu amaç için uygulanacak ilave önlemlerin doğurabileceği maliyet artışı cw değerinin küçültülmesi sonucu ortaya çıkacak avantajı aşacağından bu gibi önlemler şimdilik sadece deneme, geliştirme ve yarış gibi özel amaçlı araçlara uygulanabilmektedir. Binek otolarında cw değeri 0.25 ile 0.6 arasında değişirken bu tür numunelerde cw değeri 0.20'ye düşebilmektedir.Bu konuda rekor 0.182 ile Mercedes'in C111 serisinin 1985'de geliştirdiği C111/4 modelindedir. Zaman değerlerini alt üst 1936 yapımı geliştirilmiş Mercedes W125 0.20'lik cw değeri ile damla formuna en yakın araçlardan biridir.

Otomobil Üzerinde Oluşan Kaldırma Kuvveti

Tayfun veya hortum gibi şiddetli rüzgarların tehlikeli olmalarının bir nedeni çok alçaktan eserek yukarıya doğru basınç oluşturup herhangi bir kütleyi havaya savurmasıdır. Benzer bir etki de hızlı kullanılan otomobillerde oluşmaktadır. Bu etki aracın üstünde oluşan emme, altında oluşan kaldırma kuvvetiyle daha çok artmaktadır.

Yüksek hızlı araçlarda aracın üst kaporta yüzeyinin kambur olması doğrusal ) bu bölgede eğrilik sebebiyle1akım karakteristiği taşıyan hava akımının ( V hareket yönüne dik bir hız bileşeni kazanmasına ( V2 ) neden olur. Böylece yeni bileşen sayesinde daha büyük değere sahip bir bileşke hız vektörü ( Vb ) ortaya çıkar.




Hızdaki artışa paralel olarak aracın üstündeki basınç düşer. Aracın üstünde oluşan basınç düşmesi araca yukarıdan emme etkisi yapar. Bu etki oluşurken bir yandanda aracın altından giren hava aracı yukarıya kaldırmak için basınç uygulamaktadır. Bu kaldırma ve emme kuvvetleri aracın tekerleklerindeki ağırlık kuvveti etkisini azaltarak kumandanın zorlaşmasına bilhassa viraj halinde aracın kolaylıkla savrulmasına ve hatta yerden havalanıp takla atmasına neden olur.Bu sebeple yarış otomobillerinin alt yapısına eğrilik verilerek yere basma kuvvetini artırmaya çalışılmıştır. Buna rağmen tam bir başarı sağlanamamıştır. Şöyle ki : olanca hızıyla giden bir yarış arabasını rüzgar piste adeta yapıştırır, öte yandan arabanın karoseri rüzgar direncini asgariye indirecek şekilde biçimlendirilmiştir. Rüzgar bir yandan arabayı piste yapıştırırken, öte yandan arabanın altında oluşan hava cereyanı bir karşı güç oluşturur.

Öndeki otomobile fazla yanaşan bir yarış arabasının üzerindeki rüzgar baskısı azalır, çünkü rüzgarın esas baskısını öndeki otomobil karşılar. arkadaki otomobilin sürati artar ancak ön tekerlerin piste olan teması zayıflar.

Bu durumda saatte 300 km hızla giden araç birden bire açıkta kalıp esen rüzgarla karşı karşıya geldiğinde arabanın altından giren hava tekerlerin yerle olan temasını keser ve aracı havalandırır.

1999 yılında 24 saatlik Le Mans yarışında Mercedes ekibinin başına gelen bu olayla ekip yarışlardan çekilmek zorunda kalmıştır.

Normal binek araçlarında tehlike bu boyutlarda olmamaktadır yine de savrulma riski vardır. Porsche 1966'dan 1969'a kadar ürettiği 911 marka araçlarda ağırlık artırımı yaparak soruna pratik bir çözüm bulmuştur. Saatte 225 km hızla giden araçlarının ön tarafına döküm demir sağ ile sol tarafa birer akü koyarak aracın yere yapışmasını sağlamıştır. Teknik açıdan daha akıllıca çözüm ise spoiler kullanımı ile gelmiştir.

Kelime anlamıyla spoiler bozucu veya dağıtıcıdır. Yapılan laboratuar araştırmalarında aracın üstünden akan hava akımının kaportayı terk ettiği arka bölüme konulan spoiler bu bölgenin arkasında oluşturduğu hız düşüşü ve buna bağlı olarak ortaya çıkan basınç artışının araca ilave itme kuvveti sağladığı veya diğer bir deyişle aracın hava direnç kaybını azalttığını ortaya koymuştur Aracın ön tarafına konulan spoilerin ise rüzgarı yönlendirerek yukarı doğru basınç yapmasını ve böylece otomobilin ön kısmının havalanmasını engellemektedir.