Hvad er et aerodynamisk design?

En F1 racer brøler af sted som et fly og rammer nemt hastigheder, som sender de fleste piloter på vingerne. Hvordan kan det være, at bilen alligevel er som limet til vejbanen?

IC-3 togene er knap så hurtige, men er det ikke et problem for dem, at de har en stor flad front i stedet for en afrundet form?

Vi kigger denne gang på bilers aerodynamiske design, som en af vores læsere undrer sig over. Martin Engberg spørger:

»Hvilke grundlæggende love gælder for bilers aerodynamiske design, og har overfladen en betydning?«

Aerodynamik er en turbulent størrelse, og derfor henter vi hjælp, til at svare på spørgsmålene hos Anders Ivarsson, der er post.doc maskiningeniør ved institut for fysik på Danmarks Tekniske Universitet.

Turbulens trækker luft mod bilens front

Aerodynamik handler om, hvordan luft strømmer omkring et fast objekt. Et godt eksempel er, når man har hånden hængende ud af bilruden. Hvis man holder hånden opret, oplever man et tryk på forsiden af hånden. Det sker, fordi der opstår et undertryk bag hånden, som suger luften foran hånden til sig.

Det er i bund og grund det samme, der sker for en bil. Anders Ivarsson forklarer.

»Forstil dig en klassisk børnetegning af en bil. Luften strømmer henover bilens tag, og pludselig brækker designet nedad mod bagagerummet. Det skaber turbulens og undertryk i området mellem bagrude og bagagerum.«

Det er det, vi oplever som luftmodstand. Den foranliggende luft, der presser på bilens frontareal, for at komme til undertrykket bag bilen. Lidt ligesom hånden.

Små detaljer kan have stor betydning for luftmodstanden

»For at sige noget om, hvor effektivt et aerodynamisk design er, bruger vi en enkelt ligning til at udregne luftmodstandskoefficienten.« fortæller Anders Ivarsson.

Men det aerodynamiske design er meget afhængig af små detaljer som spejle, lister og kanter, og derfor kan man hurtigt blive overrasket over de forskellige bilmodellers luftmodstandskoefficient.

»Tag en Citroën DS fra 1955. Udviklerne arbejdede hårdt på at gøre fronten meget stømlinjet, men det viste sig, at formen på den skrå bagende udlignede det aerodynamiske frontdesign. Bilen har derfor en luftmodstandskoefficient på 0.38, hvilket er 50 procent mere end en stor Audi A2 fra 1998.« siger Anders Ivarsson.

Det kan derfor være en meget uforudsigelig affære at udarbejde et aerodynamisk design, da hver enkelt lille form eller designmæssig udformning kan skabe turbulens.

Men turbulens kan også bruges aktivt i et aerodynamisk design.

»IC-3 toge har umiddelbart en flad front, men de er designet, så der skabes turbulens foran toget når det kommer op i fart. Denne turbulens ligger så som en forlængelse af togets naturlige form« siger Anders Ivarsson og forklarer at vindhvirvlerne virker som en slags usynlig plov foran toget.

Aerodynamisk design er en trial and error proces

»Helt grundlæggende arbejder man med Navier-Stokes ligningerne, som beskriver gasser og væskers dynamik, men det er svært at blive mere præcis, fordi det er umådeligt kompliceret,« lyder det fra forskeren.

»Designet starter i en avanceret 3d-model, hvor man laver et gitter af punkter på bilens overflade. Til hver af disse punkter knytter der sig et væld af udregninger.«

Det er altså svært at give et svar med to fede streger under.

Bildesignere bliver i dag hjulpet på vej af computere, der hurtigt kan give dem en ide om effekten af deres nye design. Men i sidste ende skal der bruges rigtig mange timer på at teste igen og igen i en vindtunnel.

»Ofte fungerer designet ikke ude i virkeligheden. Der er altid nogle lister og kanter, der skal justeres eller laves helt om, og det kan betyde nye ændringer igen. Bildesign handler om trial and error, at prøve sig frem og hele tiden justere designet.«

Formel 1 bil kæmper med mere luftmodstand end en tre ton Hummer

Specielt hos de store Formel 1 hold bliver der brugt penge på aerodynamisk design, for her handler det om at minimere luftmodstanden, samtidig med at maksimere den downforce, der holder bilen på vejen. Det gør man først og fremmest ved at give bilen små vinger, der virker modsat dem på et fly.

»En flyvinge er designet, så der opstår et undertryk over vingen. Det gør at luften presser flyveren opad. På en Formel 1 bil opstår undertrykket under vingen, og derfor presser luften bilen ned mod banen.«

Alligevel er det ganske overraskende at formel 1 biler har en luftmodstandskoefficient på 0,7 -1,1 hvilket er en hel del mere end de 0,6 en 3 tons Hummer H2 læner sig op af.

Aerodynamisk design er vigtigere jo hurtigere man kører

Hvor man ikke er så bange for at brænde enorme mængde højoktan af på racerbanen, er sagen en ganske anden ude i den virkelige verden. Der er nemlig benzinkroner at spare på aerodynamisk design, der har en lav luftmodstandskoefficient.

»Luftmodstanden vokser proportionalt med kvadratet af hastigheden, og det betyder at jo hurtigere du kører, jo stærkere bliver luftmodstanden bilen skal overkomme. Det er altså god brændstoføkonomi, specielt ved motorvejskørsel.«

Anders Ivarsson påpeger, at selvom vi har oplevet et samlet fald i luftmodstandskoefficienten for biler, så er det en langsom proces.

»Bilproducenter ved efterhånden godt, hvad der virker, og hvad der ikke gør. Udfordringen i dag er så bare at lave biler, der samtidig opfylder kundernes krav hvad angår udseende, plads og funktionalitet. Bredere dæk har for eksempel stor betydning for luftmodstanden.«

Materialet har ingen betydning

Selvom man umiddelbart kunne forestille sig at materialet havde en betydning for luftmodstanden, har det ifølge Anders Ivarsson ingen særlig effekt.

»Man må huske på, at der er et grænselag i mødet mellem luft og overflade. I dette grænselag bevæger luften sig ikke helt lige så hurtigt, og derfor har materialet ingen effekt for luftstrømningen hen over bilens overflade,«

Med det sagt, vil vi lade turbulens være turbulens og fluks sende en rød t-shirt til Martin Engberg for ugens spørgsmål. Du kan læse flere spørgsmål og svar på Spørg Videnskaben