Otomobil Aerodinamiğinde Direnç Katsayısı ve Kaldırma Kuvvetinin Fiziksel Temeli

Direnç ve Taşıma Kuvvetlerinin Ortaya Çıkışı

Aerodinamik, havanın kuvvetsel etkilerini inceleyen bilim dalıdır. Katı bir cisim etrafında akan hava veya hareketsiz duran hava içinde hareket eden katı cisim söz konusu olduğunda hava, aerodinamik kanunlarına uygun davranır. Havanın göreli hareketinden kaynaklanan kuvvetler taşıma ve sürükleme kuvvetleridir. Hava taşımacılığında bu iki kuvvet önemli yer tutarken kara nakil araçları için belli bir hıza kadar sadece direnç (sürükleme) kuvveti göz önüne alınır. Ancak çok hızlı araçlarda örneğin Formula 1 yarış arabalarında taşıma kuvveti (aracın yol tutuşuyla ilgili olarak) dikkate alınması gereken değerlere ulaşır. Kuvvetler, hızın karesi ile orantılıdır.

Direnç Katsayısının Hesaplanması

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 3 m² olsun. Aracın direnç katsayısı Cw = 0,45 ise bu araca etkiyen direnç şu şekilde bulunur: D = 0,5 × d × Cw × A × V². Burada d hava yoğunluğu (1,255 kg/m³), A aracın dik kesit alanı (m²) ve V aracın hızı (m/sn) dir. Bu hesaplama sonucunda D = 762,4 Newton değeri elde edilir. Bu kuvvet, 80 kg ağırlığında bir kütleyi havaya kaldırmak için gerekli olan kuvvete eşittir.

Cw değeri bir cismin dış formu sebebiyle düzgün doğrusal akım içinde oluşturduğu süreksizlik ve girdaplar gibi akım bozuntularının sonucu ortaya çıkar. Dış form itibarıyla 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.

Direnç Katsayısını Azaltma Çalışmaları

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 ve kamyonlarda ise 0,65’e düşürülebilmiştir. 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 ve bomba ve yedek yakıt tankı taşımayan savaş uçaklarında 0,20 civarındadır.

Damla formunun özelliği doğrusal akımda bilinen en az bozuntuya sebep olan yapı olmasıdır. Araç formları gün geçtikçe aerodinamikteki adıyla damla formuna benzetilmeye çalışılmaktadır.

Laboratuvar Sonuçları ile Gerçek Trafik Arasındaki Uyumsuzluk

Bu arada laboratuvar çalışmalarında bulunan sonuçların normal trafikte tespit edilenler ile uyuşmaması çoğunlukla rastlanan haldir. Çünkü araca etkiyen yan rüzgar, yük durumu gibi 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. Aracın altındaki düzgünsüzlüklerin alt kaplama ile kamufle edilmesi halinde cw değeri 0,045 düşüş gösterir.

Rekor 0,182 ile Mercedes’in C111 serisinin 1985’te geliştirdiği C111/4 modelindedir. Zaman değerlerini alt üst eden 1936 yapımı geliştirilmiş Mercedes W125 ise 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 çok daha artmaktadır.

Yüksek hızlı araçlarda aracın üst kaporta yüzeyinin kambur olması doğrusal akım karakteristiği taşıyan hava akımının bu bölgede eğrilik sebebiyle hareket yönüne dik bir hız bileşeni kazanmasına neden olur. Böylece yeni bileşen sayesinde daha büyük değere sahip bir bileşke hız vektörü ortaya çıkar. Hızdaki artışa paralel olarak aracın üstündeki basınç düşer. Aracın üstünde oluşan basınç düşmesi araca yukarıdan emme etkisi yaparken, bir yandan da 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 altyapısına eğrilik verilerek yere basma kuvvetini artırmaya çalışılmıştır. Buna rağmen tam bir başarı sağlanamamıştır.

Normal binek araçlarında tehke 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 laboratuvar 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 ortaya koymuştur. Aracın ön tarafına konulan spoilerin ise rüzgarı yönlendirerek yukarı doğru basınç yapmasını ve böylece otomobilin ön kısmının havalanmasını engellemektedir.

Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.