Dlaczego sportowy samochód mocniej dociska się do drogi przy dużej prędkości: jak działa aktywna aerodynamika

Aktywna aerodynamika sprawia, że sportowy samochód przy dużej prędkości może być dociskany do nawierzchni siłą odpowiadającą setkom kilogramów dodatkowego obciążenia, informuje redakcja TopFlop. Nie chodzi jednak o wzrost rzeczywistej masy auta. Nadwozie, podłoga, dyfuzor i ruchome skrzydła sterują przepływem powietrza tak, aby wytworzyć różnicę ciśnień i skierowaną w dół siłę aerodynamiczną.

Efekt gwałtownie rośnie wraz z prędkością, ponieważ siła aerodynamiczna zależy od kwadratu prędkości. To dlatego rozwiązania prawie niewyczuwalne podczas powolnej jazdy zaczynają mieć ogromne znaczenie przy 150, 200 czy 250 km/h. W Porsche 911 GT3 RS producent podaje aż 409 kg całkowitego docisku przy 200 km/h oraz 860 kg przy 285 km/h.

Dlaczego większa prędkość oznacza znacznie większy docisk

Podstawę można wyjaśnić tym samym równaniem aerodynamicznym, którego używa się przy obliczaniu siły nośnej skrzydeł samolotu. NASA podaje, że wartość siły zależy między innymi od gęstości powietrza, powierzchni, współczynnika aerodynamicznego oraz kwadratu prędkości przepływu.

W samochodzie sportowym układ aerodynamiczny jest projektowany tak, aby zamiast unosić pojazd, generować siłę skierowaną w stronę nawierzchni.

W uproszczeniu:

F = ½ × ρ × v² × A × C

gdzie:

• F — siła aerodynamiczna,
• ρ — gęstość powietrza,
• v — prędkość auta względem powietrza,
• A — powierzchnia odniesienia,
• C — współczynnik zależny od konstrukcji aerodynamicznej.

Najważniejszy jest element v². Dwukrotne zwiększenie prędkości nie oznacza dwukrotnie większej siły aerodynamicznej. Przy niezmienionej konfiguracji teoretycznie daje około czterokrotny wzrost.

Przykładowo, jeśli konkretny element generowałby określony docisk przy 100 km/h, to przy 200 km/h — przy zachowaniu podobnych warunków przepływu — potencjalna siła aerodynamiczna byłaby około cztery razy większa. Przy 300 km/h byłaby około dziewięć razy większa niż przy 100 km/h.

NASA opisuje w identyczny sposób także opór aerodynamiczny: jego wartość również zależy od kwadratu prędkości. Dlatego konstruktorzy samochodów sportowych mają problem do rozwiązania: duży docisk jest potrzebny w zakrętach, ale często oznacza jednocześnie większy opór na prostych.

Jeżeli interesuje nas samo znaczenie prędkości w obliczeniach, pomocne jest również wyjaśnienie zależności między prędkością, drogą i czasem oraz sposobem przeliczania km/h na m/s. W aerodynamice prędkość trzeba właśnie traktować jako wielkość fizyczną, a nie tylko liczbę widoczną na prędkościomierzu.

Skąd właściwie bierze się docisk aerodynamiczny samochodu

Nie istnieje jeden element odpowiedzialny za cały docisk aerodynamiczny. W nowoczesnym samochodzie sportowym praktycznie całe nadwozie może być częścią układu sterującego przepływem powietrza.

Przedni splitter ogranicza ilość powietrza dostającego się pod samochód i pomaga zwiększać obciążenie przedniej osi. Kanały w zderzaku kierują strumień wokół kół, ponieważ obracające się opony i otwarte nadkola są poważnym źródłem turbulencji.

Płaska podłoga prowadzi powietrze pod pojazdem możliwie stabilnym strumieniem. Dyfuzor znajdujący się z tyłu stopniowo zwiększa przekrój kanału, pomagając kontrolować rozprężanie przepływu wychodzącego spod samochodu.

Z kolei tylne skrzydło może wytworzyć dużą siłę skierowaną w dół, działając w pewnym sensie jak odwrócone skrzydło samolotu.

Najważniejsze elementy można podzielić następująco:

Element	Główne zadanie	Efekt dla samochodu
Splitter	Zarządzanie powietrzem przed autem	Większy docisk przedniej osi
Płaska podłoga	Uporządkowanie przepływu pod autem	Stabilniejszy docisk
Dyfuzor	Kontrolowane rozprężenie powietrza	Zwiększenie efektywności podłogi
Tylne skrzydło	Generowanie siły skierowanej w dół	Docisk tylnej osi
Kanały i wloty	Sterowanie strugą powietrza	Mniejsze turbulencje i chłodzenie
Aktywne klapy	Zmiana konfiguracji podczas jazdy	Kompromis między dociskiem a oporem

Nie należy przy tym sprowadzać całego zjawiska wyłącznie do popularnego określenia „zasysanie auta do asfaltu”. Siła jest wynikiem rozkładu ciśnień na różnych powierzchniach samochodu i zmiany pędu przepływającego powietrza.

Im szybciej samochód się porusza, tym większa energia przepływu może zostać wykorzystana przez odpowiednio zaprojektowane elementy aerodynamiczne.

Aktywna aerodynamika zmienia samochód podczas jazdy

Klasyczne skrzydło ma jedno ustawienie. Jeżeli zostanie zaprojektowane pod maksymalny docisk, będzie skuteczne w szybkim zakręcie, ale na prostej może powodować niepotrzebnie wysoki opór.

Aktywna aerodynamika eliminuje część tego kompromisu.

Sterownik samochodu może zmieniać pozycję ruchomych elementów w zależności od prędkości, hamowania, kąta skrętu kierownicy, trybu jazdy czy przeciążeń. Na prostej skrzydło może ustawić się pod mniejszym kątem, ograniczając opór. Przed zakrętem system może zwiększyć docisk. Podczas mocnego hamowania element aerodynamiczny może natomiast zostać ustawiony niemal jak hamulec aerodynamiczny.

Dobrym przykładem jest Porsche 911 GT3 RS. Producent zastosował regulowane elementy przedniej części nadwozia oraz dwuczęściowego tylnego skrzydła. Porsche Active Aerodynamics dostosowuje ich ustawienie do sytuacji na drodze, a system DRS zmniejsza opór na prostych.

„We doubled the downforce compared to its predecessor” — wyjaśniał Matias Roll, inżynier aerodynamiki Porsche, opisując rozwój 911 GT3 RS.

Producent podaje, że rozwój aerodynamiki tego modelu obejmował ponad 1500 symulacji i około 250 godzin pracy w tunelu aerodynamicznym.

Co dzieje się w zakręcie

Podczas szybkiego skrętu opony muszą wytworzyć dużą siłę boczną. Aerodynamiczny docisk zwiększa pionowe obciążenie opon, nie dodając samochodowi analogicznej bezwładności wynikającej ze wzrostu jego rzeczywistej masy.

Właśnie tutaj pojawia się największa korzyść.

Samochód ważący około 1500 kg pozostaje samochodem o tej samej masie, ale przy wysokiej prędkości aerodynamika może dociskać go do nawierzchni dodatkową siłą odpowiadającą setkom kilogramów obciążenia.

Nie oznacza to oczywiście, że przyczepność rośnie idealnie proporcjonalnie do docisku. Charakterystyka opony jest bardziej skomplikowana, a jej współczynnik przyczepności zmienia się wraz z obciążeniem.

Mimo tego dodatkowa siła pionowa pozwala oponom przenieść większe siły boczne. Z tego powodu samochody z bardzo rozwiniętą aerodynamiką potrafią pokonywać szybkie zakręty znacznie sprawniej niż auta dysponujące podobną mocą, ale niewielkim dociskiem.

Co dzieje się na prostej

Na długiej prostej maksymalny docisk może być wręcz niepożądany.

Skrzydło ustawione pod dużym kątem zwiększa różnicę ciśnień, ale jednocześnie zwiększa opór aerodynamiczny. Silnik musi wtedy zużyć część swojej mocy tylko na pokonywanie oporu powietrza.

Dlatego w Porsche 911 GT3 RS można zmniejszyć kąt ustawienia aktywnych elementów przy pomocy DRS. Producent wyjaśnia, że rozwiązanie ogranicza opór i umożliwia osiągnięcie większej prędkości na prostych.

To podobny kompromis do obserwowanego w innych problemach związanych z ruchem samochodu. Nawet obliczanie czasu przejazdu nie może opierać się wyłącznie na chwilowej prędkości — szerzej pokazuje to materiał o tym, jak Google Maps wylicza czas przyjazdu, gdy samochód stale przyspiesza i zwalnia.

Porsche 911 GT3 RS pokazuje skalę zjawiska

Dane Porsche dobrze pokazują, jak szybko rośnie znaczenie aerodynamiki.

Prędkość Porsche 911 GT3 RS	Całkowity docisk podawany przez producenta
200 km/h	409 kg
285 km/h	860 kg

Dane producenta.

Warto zwrócić uwagę na proporcję. Prędkość wzrasta z 200 do 285 km/h, czyli o 42,5 proc. Docisk zwiększa się natomiast z 409 do 860 kg — o około 110 proc.

Jest to bardzo bliskie temu, czego można oczekiwać po zależności aerodynamicznej od kwadratu prędkości, choć dokładny wynik jest dodatkowo kształtowany przez ustawienia aktywnych elementów i charakterystykę przepływu.

Przy 285 km/h wartość 860 kg jest już porównywalna z masą niewielkiego samochodu osobowego.

Porsche informuje również, że docisk obecnej generacji GT3 RS jest około dwukrotnie większy niż w poprzednim 911 GT3 RS generacji 991.2 i trzykrotnie większy niż w 911 GT3, do którego odnosiło się porównanie producenta podczas premiery.

Podczas mocnego hamowania aktywne skrzydła mogą przyjąć ustawienie zwiększające opór. Porsche nazywa tę funkcję „airbrake”: przednie i tylne elementy ustawiają się w konfiguracji zwiększającej aerodynamiczne wytracanie prędkości i wspierają klasyczny układ hamulcowy.

Ferrari i Lamborghini stosują inne rozwiązania tego samego problemu

Aktywna aerodynamika nie musi działać identycznie w każdym samochodzie.

Ferrari 296 GTB wykorzystuje ruchomy tylny spoiler inspirowany rozwiązaniem zastosowanym w LaFerrari. Co ciekawe, producent podkreśla, że aktywny element służy w tym przypadku przede wszystkim do generowania dodatkowego docisku, a nie tylko do redukcji oporu.

W konfiguracji High Downforce z pakietem Assetto Fiorano Ferrari deklaruje maksymalnie 360 kg docisku przy 250 km/h. Sam aktywny spoiler może zwiększyć wartość docisku o około 100 kg względem konfiguracji Low Drag.

Lamborghini poszło jeszcze inną drogą w Huracánie Performante.

System ALA — Aerodinamica Lamborghini Attiva — może zmieniać sposób przepływu powietrza przez aktywne elementy aerodynamiczne. Według producenta system zwiększa obciążenie pionowe wtedy, gdy potrzebna jest stabilność w zakręcie, oraz ogranicza opór podczas przyspieszania i jazdy z dużą prędkością.

„When necessary, it increases vertical load (…) or it reduces aerodynamic resistance” — tak Lamborghini opisuje zasadę działania systemu ALA.

To pokazuje podstawową ideę wszystkich takich rozwiązań: samochód nie musi mieć jednego aerodynamicznego ustawienia na całą trasę.

Dlaczego nie wystarczy zamontować ogromnego tylnego skrzydła

Duże skrzydło może zwiększyć docisk tylnej osi, ale samochód musi zachować odpowiedni balans aerodynamiczny między przodem i tyłem.

Jeżeli docisk z tyłu wzrośnie zbyt mocno w stosunku do przedniej osi, przy dużej prędkości auto może mieć większą tendencję do podsterowności. Jeśli proporcje zostaną odwrócone, może pojawić się niestabilność tylnej osi.

Dlatego konstruktorzy analizują nie tylko całkowity docisk, lecz również jego rozkład.

Znaczenie mają:

• obciążenie aerodynamiczne przedniej osi;
• obciążenie tylnej osi;
• położenie środka parcia;
• zmiana balansu wraz z prędkością;
• wysokość zawieszenia podczas hamowania i przyspieszania;
• przechyły nadwozia;
• boczny wiatr;
• kąt skrętu pojazdu względem strumienia powietrza.

Przepływ nie odbywa się bowiem zawsze idealnie od przodu do tyłu. Samochód jadący przez zakręt lub przy silnym bocznym wietrze może znajdować się względem powietrza pod pewnym kątem.

Wpływ otaczającego powietrza na samochód widać również w znacznie spokojniejszych warunkach. Przykładowo nocne chłodzenie karoserii opisane w materiale o tym, dlaczego samochód rano może być mokry mimo braku deszczu, przypomina, że nadwozie cały czas wymienia energię z otoczeniem — choć w aerodynamice samochodowej interesuje nas przede wszystkim ruch powietrza i generowane przez niego siły.

Docisk nie działa tak samo przy 50 i 250 km/h

To jedna z najczęstszych rzeczy pomijanych przy rozmowie o samochodach z dużymi spojlerami.

Przy niewielkiej prędkości aerodynamika ma ograniczony wpływ na przyczepność. Główną rolę odgrywają wtedy opony, zawieszenie, rozkład masy i geometria podwozia.

Przy wysokiej prędkości sytuacja się zmienia.

Warunki jazdy	Znaczenie aerodynamiki
30–50 km/h	zazwyczaj niewielkie
około 100 km/h	zaczyna być mierzalne w autach o rozwiniętym aero
150–200 km/h	może istotnie wpływać na stabilność
200–300 km/h	kluczowe w samochodach torowych i supersportowych

Nie są to uniwersalne granice działania konkretnego samochodu — konstrukcja każdego modelu jest inna. Tabela pokazuje jedynie, dlaczego rozbudowane skrzydła i dyfuzory mają największe znaczenie podczas szybkiej jazdy.

Sam spoiler nie tworzy więc „magicznej przyczepności”. Jego skuteczność rośnie wtedy, kiedy rośnie energia strumienia powietrza.

Czy samochód dzięki dociskowi naprawdę staje się cięższy

Nie w sensie fizycznej masy.

Jeżeli auto waży 1500 kg, jego masa pozostaje około 1500 kg niezależnie od prędkości. Aerodynamika dokłada natomiast skierowaną pionowo siłę.

Dla opon i zawieszenia efekt częściowo przypomina dodatkowe obciążenie, ponieważ większa siła dociska koła do nawierzchni.

Różnica jest fundamentalna: gdyby do samochodu rzeczywiście dołożyć kilkaset kilogramów, wzrosłaby również bezwładność pojazdu. Większa masa utrudniałaby przyspieszanie, hamowanie oraz zmianę kierunku.

Docisk aerodynamiczny pozwala uzyskać dodatkowe obciążenie opon bez analogicznego zwiększenia masy bezwładnej pojazdu.

To jedna z najważniejszych przewag aerodynamicznego docisku w samochodach wyścigowych i torowych.

Dlaczego zwykłe samochody nie mają tak ekstremalnej aerodynamiki

Maksymalny docisk nie jest bezpłatny.

Duże skrzydła zwiększają opór, mogą podnieść zużycie paliwa lub energii i ograniczyć prędkość maksymalną. Rozbudowane dyfuzory, bardzo niskie zawieszenie i podłoga wykorzystująca efekt przypowierzchniowy muszą też działać w określonym zakresie wysokości nad drogą.

Samochód drogowy potrzebuje ponadto:

• odpowiedniego prześwitu;
• komfortu na nierównościach;
• niskiego hałasu aerodynamicznego;
• rozsądnego zużycia energii;
• chłodzenia silnika i hamulców;
• stabilności przy bocznym wietrze;
• miejsca na bagaż i elementy konstrukcyjne;
• zgodności z wymaganiami homologacyjnymi.

Dlatego rozwiązania spotykane w Porsche 911 GT3 RS czy Lamborghini Huracán Performante są zwykle kompromisem między możliwościami torowymi a wymaganiami auta dopuszczonego do normalnego ruchu.

Właśnie aktywne systemy pozwalają ten kompromis zmniejszyć: samochód może korzystać z dużego docisku wtedy, gdy naprawdę go potrzebuje, i redukować opór wtedy, gdy większą korzyścią jest wysoka prędkość na prostej.

Pytania i odpowiedzi

Czy większa prędkość zawsze daje większy docisk?

Jeżeli konfiguracja aerodynamiczna pozostaje podobna, siły aerodynamiczne generalnie rosną wraz z kwadratem prędkości. Nie oznacza to jednak, że każdy samochód będzie zachowywał idealną matematyczną proporcję. Aktywne skrzydła, zmiana wysokości zawieszenia, turbulencje i charakterystyka przepływu mogą zmieniać współczynnik aerodynamiczny.

Czy spoiler i skrzydło oznaczają to samo?

Nie zawsze. Termin „spoiler” odnosi się zwykle do elementu modyfikującego lub zakłócającego przepływ w określonym miejscu. Skrzydło ma profil pozwalający generować określoną siłę aerodynamiczną. W języku potocznym oba określenia bywają jednak używane zamiennie.

Co daje dyfuzor pod samochodem?

Dyfuzor pomaga kontrolować przepływ powietrza wychodzącego spod podłogi. Odpowiednia geometria może poprawić efektywność aerodynamiczną podwozia i zwiększyć docisk bez konieczności polegania wyłącznie na dużym tylnym skrzydle.

Czy DRS zwiększa docisk?

W typowym zastosowaniu jest odwrotnie. DRS, czyli Drag Reduction System, zmniejsza opór aerodynamiczny przez zmianę ustawienia elementu skrzydła. Porsche stosuje takie rozwiązanie w 911 GT3 RS, aby na odpowiednich odcinkach ograniczać opór.

Czy aktywna aerodynamika pomaga także podczas hamowania?

Tak. Przykładowo Porsche 911 GT3 RS może ustawić elementy aerodynamiczne w pozycji zwiększającej opór podczas intensywnego hamowania z dużej prędkości. Powstający efekt airbrake wspiera hamulce kół.

Dlaczego samochód sportowy przy dużej prędkości wydaje się stabilniejszy?

Jeżeli konstrukcja została prawidłowo zaprojektowana, rosnący docisk zwiększa obciążenie opon i ogranicza aerodynamiczne unoszenie nadwozia. Stabilność zależy jednak również od zawieszenia, opon, rozkładu masy, nawierzchni i warunków atmosferycznych. Sama obecność dużego skrzydła nie gwarantuje dobrego zachowania samochodu.

Sportowy samochód przyciska się do drogi przy dużej prędkości, ponieważ przepływ powietrza wokół nadwozia i pod jego podłogą wytwarza siłę skierowaną w dół. Jej wartość rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem prędkości, a aktywne klapy, skrzydła i kanały pozwalają dodatkowo dopasować aerodynamikę do konkretnej sytuacji.

W szybkim zakręcie priorytetem jest docisk. Na prostej system może ograniczyć opór, a podczas hamowania zwiększyć go ponownie. Porsche, Ferrari i Lamborghini realizują tę zasadę na różne sposoby, ale fizyka pozostaje ta sama: energia przepływającego powietrza zostaje wykorzystana do zwiększenia możliwości samochodu bez dokładania mu setek kilogramów rzeczywistej masy.

Warto przeczytać także nasz kolejny materiał, w którym szerzej wyjaśniamy podobny temat:  Średnia temperatura miesiąca: jak z setek pomiarów powstaje jedna liczba