Automobilen aerodinamika

Automobilen aerodinamika, ibilgailu baten inguruan, hura mugimenduan dagoenean, aire-fluxuak sortzen dituen fenomenoen ikerketa da. Airearen eta karrozeriaren arteko elkarrekintzak eragin zuzena du erresistentzian, karga aerodinamikoan, egonkortasunean, zarata aeroakustikoan eta kontsumo energetikoan. Fenomeno horiek ezagutzeak hainbat helburu lortzeko eta ulertzeko balio du: erregai-kontsumoa gutxitzea, emisioak murriztea, gidagarritasuna hobetzea eta abiadura handiko egoeretako portaera kontrolatzea, turbulentziak eta zaratak txikituz.
Automobilen aerodinamikak bereziki indarra hartu zuen 1930eko hamarkadan. 1934an Estatu Batuetan Chrysler Airflow-ek aurkeztu zuen, profil aerodinamikoaren arabera diseinatutako lehen serie-ekoizpeneko ibilgailua. Hortik aurrera, automobilgintzak aurrerapen handiak izan zituen arlo horretan, eta bereziki Formula 1 lasterketen garapenak ekarri ditu gaur egun ere ikus daitezkeen berrikuntza garrantzitsuenak. Aerodinamika, fluidoen mekanikarekin estuki lotuta dagoenez, haize-tuneletan egindako probak ezinbestekoak dira fabrikatzaileentzat. Horrez gain, marka handiek eta lasterketa-taldeek fluidoen mekanika konputazionala (CFD) erabiltzen dute simulazio zehatzak egiteko. 

 Aldagai aerodinamikoak 

 Aurreratzeekiko erresistentzia aerodinamikoa 
Fluidoen mekanikan, erresistentzia, fluido batek gorputz baten mugimenduaren aurka egiten duen indarra da. Automobil baten kasuan, fluido hori airea da. Erresistentzia aerodinamiko handiak erregai-kontsumoa gehitzen du eta ibilgailuaren gehienezko abiadura mugatzen du. Gainera, abiadura igotzen den heinean, erresistentzia horren balioa abiaduraren karratuaren proportzioan handitzen da; beraz, hiri-abiaduretan ez da hain erabakigarria, baina autobidean nagusitzen da.

Beste elementu batzuk ere kontuan hartu beharrekoak dira: muga-geruzaren bereizketak sortzen dituen turbulentziak, jasangarritasunak eragindako erresistentzia induzitua, motorraren hozte-sistemaren behar aerodinamikoak edo airearen biskositateak sortzen duen marruskadura. Elementu horiek guztiek eragin zuzena dute kontsumo energetikoan eta errendimenduan.

 Cx koefizientea eta aurreko azalera (S) 
Erresistentzia aerodinamikoa gutxitzeko, fabrikatzaileek bi parametro nagusi optimizatu ohi dituzte: erresistentzia-koefizientea (Cx) eta sekzio maisua (S). Bi aldagai horien biderketak —eta abiadurak— erresistentzia aerodinamikoaren balioa determinatzen dute. Cx baxuagoa lortzeko beharrezkoa da karrozeriaren forma fintzea, osagaiak hobeto integratzea (heldulekuak, ispiluak, faroak...) eta auto osoaren geometria leuntzea. S parametroa, berriz, autoaren aurreko azalera da, eta ahal den neurrian txiki mantentzea lagungarria da, nahiz eta segurtasun-arau modernoek beti ez duten erraztasunik ematen. 

 Momentu aerodinamikoak 
Karrozeriaren inguruan aireak ibilgailuaren hiru ardatzen inguruan momentuak sortzen ditu:

 Mₓ: oreka-momentua ardatz longitudinalaren     inguruan (autoa “biribilka” mugitzen denean).
 Mᵧ:     kabitza-momentua, ardatz transbertsalaren inguruan (autoaren     “sudurra” gora edo behera makurtzen denean).
 Mz:     biraketa-momentua, ardatz bertikalaren inguruan (norabidea     aldatzen denean edo “lazo” efektua gertatzen denean).

Momentu horiek kalkulatzeko airearen dentsitatea, abiadura, sekzio maisua eta diseinu-parametroak hartzen dira kontuan, baita C_l, C_m eta C_n koefizienteak ere. Datu horiek funtsezkoak dira ibilgailuen dinamika aztertzeko, batez ere abiadura handiko ibilbideetan eta maniobra zorrotzetan. 

 Historia 

 Lehen aitzindariak 
Automobilgintza sortu zenetik, fabrikatzaileek ohartu ziren aerodinamikaren garrantziaz. Aitzindarietako bat Camille Jenatzy izan zen. 1889an torpedo itxurako ibilgailu elektriko bat diseinatu zuen, “La Jamais Contente” izenez ezaguna, eta 100 km/h abiadura gainditu zuen lehen automobila bihurtu zen.

1910eko hamarkadan interes berezia piztu zen diseinu aerodinamikoetan. Carrozzeria Castagnak diseinatutako ALFA 40/60 HP nabarmentzen da, autoaren gorputza kabina itxurako kasko aerodinamiko batean oinarritzen baitzen. Une hartan, parabrisak inklinatuagoak bihurtu ziren eta gurpilen karenatzea orokortu zen.

 Rumpler eta Jaray: aerodinamikaren ikuspegi zientifikoa 
1920ko hamarkadan, Edmund Rumpler ingeniari austriarrak erresistentzia txikiko auto bat garatu zuen: Rumpler Tropfenwagen, Cx = 0,28 balio bikainarekin. Bidean aitzindari izan zen eta haren ideiek eragin handia izan zuten geroko diseinuetan.
Garai berean, Paul Jaray ingeniari hungariarrak ohartu zen airean ondo funtzionatzen duen “tantaren forma” ezin dela zuzenean lurraren gainean aplikatu. Lur hurbiltasunak muga-geruza aldarazten du eta erresistentzia handitu egiten da. Jarayk eta Wolfgang Klempererrek Zeppelin konpainiaren haize-tunelak erabili zituzten, eta diseinu biribildu eta leunaren alde egin zuten. Haien lanaren ondorioz sortu zen Ley T2 kontzeptua, non osagai guztien integrazioa (faroak, heldulekuak, parrilla…) lehen aldiz kontu handiz landu zen.

Hala ere, jasangarritasun arazoek (hegal bertikalaren efektua, erresistentzia induzitua) diseinu horien erabilera mugatu zuten. Arazo horiek konpontzeko, hainbat egitura esperimentatu ziren, hala nola atzealdeko sekzio maisua handitzea, egonkortasun-hegatsen antzera.

 Tetraedro-formako autoak eta Europako fabrikatzaileak 
1930eko hamarkadan, torpedo formaren ordez, diseinuak tetraedro-geometriarantz jo zuen, batez ere Alemaniako fabrikatzaile nagusien artean (Mercedes-Benz, Maybach, Opel…). Karrozeren forma zorrotz hauek erresistentzia murriztera bideratuak zeuden eta auto modernoen siluetaren aitzindari izan ziren.

 1980ko hamarkadatik gaur arte 
1973ko Petrolioaren Krisitik aurrera, fabrikatzaileek erregai-kontsumoa murrizteko moduak bilatu behar izan zituzten. Aerodinamika izan zen irtenbide nagusietako bat. 1982an Audi 100 (C3) aurkeztu zen, Cx = 0,30 balioarekin, garai hartako automobilik aerodinamikoena. Xehetasunetan jarritako arreta handiak —leihoak karrozeriaren lerroarekin bat etortzea, panelen arteko tarte txikiak, ispilu integratuak…— emaitza nabarmenak ekarri zituen.

Harrezkero, fabrikatzaile guztiek sartu dituzte haize-tunelak beren garapen-prozesuan. Gaur egun, turismo aerodinamikoenetako batzuek Cx ≃ 0,23–0,25 balioak dituzte. Hala ere, balioa gehiago jaistea zaila da, segurtasun-arau zorrotzak, gurpilen tamaina, egokitzapen mekanikoak eta erosotasun-eskakizunak kontuan hartuta.
Automobil modernoen erronka nagusiak aerodinamikarekin lotutakoak dira oraindik ere, veste gauza askoren artean: elektrifikazioarekin, bateriak kokatzeko moduak eta hozte-sistemak berriro definitu behar izan dira; horrek erronka aerodinamiko berriak ekarri ditu, baina baita aukera berriak ere, hala nola azpikarrozeria guztiz estaltzea edo aire-fluxu aktiboak erabiltzea.

 Formula 1: aerodinamikaren laborategi nagusia 
1950ean FIAk Formula 1eko lehen Munduko Txapelketa abiatu zuenetik, monoplazen aerodinamika izan da berrikuntza tekniko handienen jatorria. Gurpilak kanpoan eramateak erresistentzia handia sortzen du, eta horregatik aerodinamika optimizatzea funtsezko erronka bihurtu zen.

1966 arte ez zen monoplaza bat haize-tunelean probatu, eta 1968an Ferrari 312 izan zen atzeko hegalarekin agertu zen lehen autoa. Garai hartan ingeniariek ohartu ziren aerodinamika ez zela erresistentzia murrizteko soilik: karga aerodinamikoa sortzeko ere erabili zitekeela, hau da, autoa lurrarekiko “pisu handiagoa” izango balu bezala sakatzeko, masarik gehitu gabe.
1970eko hamarkadan iritsi zen iraultza: wing-car edo efektu-lurrarekin funtzionatzen zuten autoak. Lotus 78 eta Lotus 79 (1977) izan ziren lehen adibide arrakastatsuak. Karrozeriaren behealde estutuak eta alboko “falda” malguek Venturi efektua aprobetxatzen zuten depresioa sortzeko. Horri esker, monoplazak kurbetan askoz azkarrago sartu zitezkeen.
Colin Chapman izan zen iraultza horren sortzaile nagusia. Bere ekarpenik handiena izan zen ulertzea behealdearen geometria dela kargarik eraginkorrena sortzen duen zatia, erresistentzia gehiegirik eragin gabe. Gerora FIAk araudi zorrotzak ezarri zituen efektu-lur gehiegizko arriskuengatik: gutxieneko altuera, behealde lauak… Horrek ingeniariak berrikuntza berrietara bultzatu zituen, eta 1990eko hamarkadan difusore modernoak agertu ziren.

Formula 1eko hainbat elementuk —hegalak, difusoreak, fluxu-kanalak…— eragina izan dute geroko serie-ibilgailuen diseinuan, nahiz eta batzuek (adib. F-Duct) espezifikoak izaten jarraitzen duten.

 Erreferentziak 

 Hucho, W. H. (1998). Aerodynamics of Road Vehicles. SAE International. ISBN 978-0768000299.
 Katz, J. (2016). Race Car Aerodynamics. Bentley Publishers. ISBN 978-0837616849.
 Anderson, J. D. (2010). Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill Education. ISBN 978-0073398105.
 Dominy, R. G. (1992). “Aerodynamic Development of Racing Cars”. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.
 Fédération Internationale de l’Automobile (FIA). Formula One Technical Regulations. FIA Publications.
 Audi AG (1982). Audi 100 C3: Aerodynamic Development Documentation.
 Wikipedia (ingelesez). Automotive aerodynamics.
 Wikipedia (gaztelaniaz). Aerodinámica del automóvil.

 Bibliografia 

 Hucho, W. H. (1998). Aerodynamics of Road Vehicles. SAE International.
 Katz, J. (2016). Race Car Aerodynamics. Bentley Publishers.
 Anderson, J. D. (2010). Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill Education.
 McBeath, S. (2011). Competition Car Aerodynamics. Haynes Publishing.
 Wright, P. (2001). Formula 1 Technology. SAE International.
 Dominy, R. G. (1992). “Aerodynamic Development of Racing Cars”. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.
 Milliken, W. F., & Milliken, D. L. (1995). Race Car Vehicle Dynamics. SAE International.
 Pope, A., & Harper, J. J. (1966). Low-Speed Wind Tunnel Testing. Wiley.
 White, F. M. (2011). Fluid Mechanics. McGraw-Hill Education.
 Schlichting, H., & Gersten, K. (2017). Boundary-Layer Theory. Springer.
 Fédération Internationale de l’Automobile (FIA). Formula One Technical Regulations.
 Audi AG (1982). Audi 100 C3: Aerodynamic Development Documentation.
 Wikipedia (ingelesez). Automotive aerodynamics.
 Wikipedia (gaztelaniaz). Aerodinámica del automóvil.