Aerodynamika automobilů: co to vlastně je? (1. díl)

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.

První automobily neměly s překonáváním pomyslné vzdušné stěny potíže, přestože jejich tvary měly k aerodynamické dokonalosti velmi daleko. Bylo to dáno tím, že se pohybovaly relativně velmi pomalu. Ale už krátce po roce 1900 se objevily první vozy usilující o rychlostní rekordy, a tak se jejich konstruktéři chtě nechtě museli aerodynamikou zabývat. 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 lochou 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.

Stejně tak zkoumání aerodynamických charakteristik přineslo poznání, že čím nižší aerodynamický odpor vzduchu musí vozidlo překonávat, tím je jeho provoz hospodárnější. 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 tzv. koeficient (součinitel) aerodynamického odporu Cx, který vyjadřuje aerodynamické charakteristiky vozu, jež mají vliv na proudění vzduchu kolem jeho karosérie.

Součinitel odporu a tedy kvalitu proudění kolem vozu ovlivňuje nejen jeho tvar, ale i charakter povrchu karosérie a jednotlivých konstrukčních částí. Souhrnně řečeno, aerodynamický koeficient (součinitel) je bezrozměrná veličina, která vyjadřuje určitou aerodynamickou čistotu obtékaného vozu. Aby to nebylo zase tak jednoduché, v některých zemích se koeficient aerodynamického odporu vzduchu označuje jako Cd, nikoliv Cx.

Je evidentní, že při nízké rychlosti je aerodynamický odpor relativně malý, ale s jejím zvyšováním odporová síla roste s druhou mocninou rychlosti. Aerodynamickými analýzami se získávají poznatky o směru a tvaru proudnic obtékaného vzduchu a také velikost a místo působení aerodynamického tlaku či, chceme-li, odporu. Měří se dvě složky, statický a dynamický tlak, jejich součtem se získává tlak celkový.

Většina dnešních komerčních osobních automobilů má součinitel odporu kolem hodnoty Cx 0,30. Ovšem s novějšími konstrukcemi se pomalu zvyšuje, což je patrné především u stále populárnějších vozů kategorie SUV či crossover. Automobily se zvětšují, jejich downsizované motory potřebují efektivnější chlazení, tudíž se zvětšují čelní masky a kvůli bezpečnosti karosérie nabývají na objemu. Proto se hodnoty Cx stále více posouvají do pásma výrazně nad 0,30, spíše blíže k hodnotě 0,40, jež je běžná například u v Americe populárních velkých pick-upů.

Proto se automobilky snaží nabízet i tzv. ekologické verze standardních modelů. Lepší hospodárnosti se dosahuje nejen zefektivněním chodu pohonné jednotky, ale také úpravou transmisí a především aerodynamickým zjemněním karosérie a podvozku vozu. Stačí několik úprav, zakrytování částí podvozku, úprava proudění vzduchu kolem určitých partií karosérie a lze dosáhnout zlepšení hodnoty Cx i v řádech několika tisíc i setin.

Musíme se ale zmínit ještě o jednom faktoru, který ovlivňuje efektivitu provozu automobilu a jeho jízdní charakteristiky z pohledu proudění vzduchu, tedy aerodynamiky. Tím je přítlak. Připomeňme, že čím menší je odpor vzduchu, tedy koeficient Cx, tím vyšší rychlosti může vůz dosáhnout a jeho provoz je efektivnější. Z této logiky by vyplývalo, že vozy formule 1 musejí mít vynikající aerodynamické charakteristiky, co se týče koeficientu Cx. Není tomu tak, vozy formule 1 mají přímo tragické hodnoty Cx, pohybující se kolem čísla 0,70.

Ovšem jejich aerodynamické charakteristiky jsou přesto vynikající, ovšem ve smyslu přítlaku. Tyto vozy jsou totiž stavěny primárně tak, aby jejich soustavy aerodynamických prvků vytvářely co nejvyšší přítlak, který jim dovoluje pohybovat se vysokými rychlostmi za všech podmínek, díky tomu se také zvyšuje efektivita přenosu výkonu motoru z kol na vozovku. Pokud by ovšem moderní vozy F1 přišly o své aerodynamické prvky a křídla, vzlétly by k nebesům jako neforemné letouny a na vozovce by se při vysokých rychlostech jednoduše neudržely. O efektivitě provozní z hlediska aerodynamiky tu ale rozhodně hovořit nemůžeme vůbec, a to ani v éře dnešní formule 1.

Do určité míry se na přítlačné síly, a tudíž i efektivitu přenosu výkonu na vozovku ohlížejí i výrobci komerčních sportovních aut. Proto není překvapující, že většina moderních supersportů disponuje hodnotami koeficientu aerodynamického odporu výrazně přes 0,30. K tomu přispívají právě aerodynamické prvky přinášející vyšší přítlačnou sílu a také nejrůznější průduchy a lapače vzduchu napomáhající chlazení pohonné jednotky a namáhaných částí podvozku, transmisí či brzd.

Srovnání koeficientu aerodynamického odporu Cx u některých automobilů (v úvodu i letadel):

Letadla

F-4 Phantom II (při podzvukové rychlosti) – 0,021

F-4 Phantom II (při nadzvukové rychlosti) – 0,044

Boeing B-787 – 0,024

Airbus A-380 – 0,0265

Automobily

Ford Probe V Concept (1985) – 0,137

Fiat Turbina Concept (1954) – 0,14

Schlörwagen (1939) – 0,15

Daihatsu UFE-III Concept (2005) – 0,168

Volkswagen XL1 (2014) – 0,186-0,189

General Motors EV1 (1996) – 0,19

Tatra T77A (1935) – 0,21

BMW Vision EfficientDynamics Concept (2009) – 0,22

Tatra 77 (1933) – 0,24

Tatra 87 (1936) – 0,24

Tesla Model S (2014) – 0,24

Peugeot 508 (2011) – 0,25

Audi A2 1.2 TDI (2001) – 0,25

Honda Insight (1999) – 0,25

Toyota Prius (2010) – 0,25

Toyota Prius (2004) – 0,26

Citroen SM (1970) – 0,26

BMW i8 (2014) – 0,26

Nissan GT-R (2011) – 0,26

Opel Calibra (1989) – 0,26

Mercedes-Benz CLA (2014) – 0,28

Volkswagen Passat CC (2008) – 0,28

Citroën C4 (2004) – 0,28

Citroën XM (1989) – 0,28

Porsche Carrera 997 (2004) – 0,28

Audi 80 (1991) – 0,29

Audi A4 (2011) – 0,29

BMW i3 (2013) – 0,29

Lotus Elite (1958) – 0,29

Peugeot 308 (2007) – 0,29

Porsche 918 (2010) – 0,29

Porsche Boxster (2005) – 0,29

Subaru SVX (1992) – 0,29

Mazda3 (2007) – 0,29

Toyota Yaris (2006) – 0,29

Saab 92 (1949) – 0,30

Audi 100 (1982) – 0,30

Lamborghini Diablo (1990) – 0,31

Lexus LFA (2010) – 0,31

Mazda RX-8 (2004) – 0,31

Pagani Huayra (2012) – 0,31

Saab Sonett III 1(970) – 0,31

Ferrari California (2008) – 0,32

Jaguar XJ (X350) (2006) – 0,32

Koenigsegg CCX (2006) – 0,32

McLaren F1 (1992) – 0,32

Porsche 997 GT2 (2008) – 0,32

Tatra 600 (1948) – 0,32

Ford Focus (2004) – 0,32

Peugeot 206 (1998) – 0,33

Subaru Impreza WRX STi (2004) – 0,33

Subaru Forester (2014) – 0,33

Koenigsegg Agera (2013) – 0,33-0,37

Aston Martin DB9 (2004) – 0,34

Ferrari F40 (1987) – 0,34

Ferrari 360 Modena (1999) – 0,34

Ford Sierra (1982) – 0,34

Subaru Impreza WRX (2009) – 0,34

Aston Martin Vanquish (2004) – 0,35

BMW Z4 M coupe (2006) – 0,35

Tatra 603 (1956) – 0,35

Citroën DS (1955) – 0,36

Ford Mustang (1999) – 0,36

Ferrari F50 (1996) – 0,37

Fiat 500 (1957) – 0,38

Lamborghini Countach (1974) – 0,42

VW Beetle (1938) – 0,48

Hummer H2 (2003) – 0,57

Jeep Wrangler TJ (1997) – 0,58

Co nás čeká příště?