Aerodinamika
Brzina i oblik su najvažniji
Manja potrošnja energije pri kretanju ključ je dosadašnjeg ukupnog razvoja automobilske industrije, što je pojavom električnih automobila - posebno intenzivirano
Sila otpora zraka, a time i energija koju trošimo na kretanje, raste dvostruko brže od brzine
Zrak je sveprisutna pojava koju, iako je neophodna za život, u pravilu ne primjećujemo, jer premda se nalazi svuda oko nas, u uobičajenim dnevnim aktivnostima nam ne predstavlja nikakav problem.
Gibanje kroz zrak je u pravilu lagano jer je isti vrlo rijedak te ga u kubičnom metru (pri klasičnim uvjetima) ima tek 1,2 kg. Za usporedbu - kubični metar vode teži 1.000 kg.
Prilikom gibanja zrakom (ili bilo kojim medijem), njegove se molekule moraju razmaknuti kako bi objekt prošao te ponovno ispuniti prostor nakon što on prođe.
Što je medij gušći, to je kretanje sporije, odnosno za njega moramo utrošiti više energije. Primjerice, možemo napraviti usporedbu s hodanjem prostorom u kojem nema ljudi ili kroz gustu gomilu ljudi koju moramo razmicati kako bismo se pomaknuli, što je znatno teže i sporije.
Ispitivanja u zračnom tunelu iznimno su važan dio razvoja, a upravo je time postignut koeficijent otpora zraka od samo 0,23 kod modela ID.7, što je najmanja vrijednost kod Volkswagenovih modela
Kako brzina utječe na otpore
Pri nižim brzinama kretanja zrak gotovo da i ne pruža otpor te ne predstavlja nikakvu značajnu silu koja otežava kretanje. No kako se brzina povećava, tako otpor zraka postaje sve primjetnijim, a usporedo raste i količina energije koju moramo uložiti kako bismo zadržali brzinu kretanja. Zašto se to događa?
Objekt (u našem slučaju vozilo) koji se kreće razmiče zrak koji mu se nađe na putu, ali pri višim brzinama se ne stigne sav maknuti pa se skuplja ispred vozila, stvarajući pritom područje povišenog tlaka.
U isto vrijeme, na stražnjem dijelu vozila nastaje područje niskog tlaka jer se zrak ne stigne dovoljno brzo vratiti u 'rupu' koju je napravilo vozilo. Razlika između ovih tlakova je sila otpora zraka koja nastoji zaustaviti vozilo.
No to nije sve jer postoji i trenje zraka koje klizi po površini vozila, a također i otpori zraka koji prolaze (uvjetno rečeno) kroz vozilo, odnosno sustav hlađenja, ventilacije i slično, što također generira određene otpore.
Crveno su područja s višim tlakom, a plavo područja s nižim tlakom. Oblik stražnjeg kraja vozila također je jako važan
Svi navedeni otpori zajedno daju ukupni otpor zraka, a njegova veličina ovisi o brzini kretanja, obliku i čeonoj projekciji (površini) vozila. Tu je, naravno, i utjecaj gustoće zraka, no na njega ne možemo utjecati, a k tome su i razlike u gustoći u pravilu minimalne.
Svi navedeni faktori dio su formule koja prikazuje u kojoj mjeri utječu na ukupnu silu zraka. Naravno, svaki faktor ima utjecaj, ali je jedino varijabla brzine u formuli prisutna s kvadratom. To znači da ako se vozilo kreće brzinom od 100 km/h (27,7 m/s), onda je kvadrat brzine 771,6, a ako se brzina poveća na 160 km/h (44,44 m/s), kvadrat brzine iznosi 1975,3.
Drugim riječima, ako brzinu povećamo sa 100 km/h na 160 km/h, otpor zraka nismo povećali 60 posto, koliko je povećanje brzine, već gotovo triput (ako su svi ostali faktori nepromijenjeni). Naravno, ako je brzina 200 km/h, onda je sila otpora zraka povećana više od četiri puta...
Tzv. zračna zavjesa koja se formira strujanjem oko kotača, jedan je od detalja koji smanjuju ukupni otpor zraka
Stoga dobro razmislite isplati li se povećati brzinu te skratiti putovanje za nekoliko minuta, a pritom potrošiti 50 posto više energije (benzina, dizela ili električne energije).
Ovo posebno vrijedi za električne automobile jer ćete (kod duljih putovanja) zbog više brzine morati stati na dodatno punjenje, što biste umjerenijom vožnjom možda mogli izbjeći. Naravno, s (pre)brzom vožnjom se mogu pojaviti i dodatni problemi, poput kršenja ograničenja i eventualnih kazni.
Koeficijent otpora zraka
Osim brzine, na veličinu otpora zraka značajno utječe i oblik vozila, a način na koji oblik utječe na otpor zraka definira se koeficijentom otpora zraka (uobičajeno se označava s cd ili cv).
Ovaj koeficijent možemo nazvati i kvalitetom strujanja zraka, jer što vozilo lakše probija zrak te izaziva manje poremećaje u strujanju, to će otpori biti manji. Tako ravna ploča ima koeficijent otpora zraka od 1,28 dok kišna kap, koja ima idealan oblik samo 0,045 što je gotovo 30 puta manje, a toliko manji može biti i otpor zraka.
Arteon u limuzinskoj izvedbi ima koeficijent otpora zraka od 0,295, dok Shooting Brake zbog drugačijeg oblika stražnjeg dijela ima 0,307 te posljedično i nešto višu potrošnju u istim uvjetima vožnje
Stoga automobili u pravilu slijede idealan oblik, ali također moraju ispuniti temeljnu namjenu, a to je udoban prijevoz osoba.
Također, postoje i sigurnosni standardi, kako za zaštitu osoba u vozilu tako i pješaka, a tu su i propisi oko osvjetljenja..., te ih je sve nužno zadovoljiti i pritom postići što niži koeficijent otpora zraka. Današnji automobili u pravilu imaju koeficijent otpora zraka između 0,2 i 0,4, što znači da se iznos koeficijent otpora zraka može dvostruko povećati ili smanjiti ukupan otpor.
Koeficijent otpora zraka je rezultat oblika, ali ne određuje veličinu frontalne projekcije. To znači da neki objekt može imati malen koeficijent otpora zraka, ali zbog veličine ima i veliku površinu što će u konačnici rezultirati većim otporom zraka.
Kod trkaćih modela, nužno je pronaći kompromis između potrebe da se strujanjem zraka osigura sila pritiska na podlogu te omogući prijenos velike snage, i nižeg otpora zraka
Drugim riječima, veće vozilo će imati veću čeonu površinu, ali boljim oblikovanjem može imati manji otpor od lošije oblikovanog vozila iste veličine. Jedan od načina smanjenja površine je ugradnja kamera umjesto retrovizora, što smanjuje i koeficijent otpora zraka jer više nema elemenata koji strše i remete strujanje.
Smanjenje otpora zraka, odnosno u konačnici potrošnje energije, vrlo je važno jer ne samo da smanjuje trošak eksploatacije vozila, već kod klasičnih vozila smanjuje i homologiranu emisiju CO2 pa će i cijena vozila biti niža. Kod električnih vozila manja potrošnja energije izravno utječe na doseg koji je jedna od najvažnijih karakteristika vozila.