Aerodynamika automobilů: Genialita běžným okem neviditelná

Myšlenka stvořit článek na podobné téma se do naší redakční diskuze vrací pravidelně jako kometa od té doby, kdy se náš nejvyšší (ó, slunce naše jasné) dohmátl, že bych o dané problematice měl něco vědět, neboť, jak někteří víte, dostalo se mi vzdělání technického rázu v oboru, který s aerodynamikou vstává a padá. Nekladu si samozřejmě ambice povyšovat se nad ctihodným čtenářstvem, nebo snad tvrdit, že v dané problematice se vyznám já, jenom já, a nikdo další.

Aerodynamika je totiž oborem tak komplexním, že i kapacity studované, které působí v praxi a aerodynamiku snídají, obědvají, večeří a následně s ní usínají, se většinou specializují na určitou oblast. Někdo v automobilce třeba řeší většinu kariéry proudění v motoru, někdo se věnuje zrcátkům, někdo kolům, či podvozku. Výpočtáři se potom snaží to celé nasimulovat a poukázat na místa, kterým by mohlo být věnováno více pozornosti, nebo které jsou naopak svým minimálním vlivem naprostou ztrátou času. A aerodynamici jsou také těmi, kteří musí čelit různým šílenostem z hlav designérů, a musí jím donekonečna vysvětlovat, že auto nemůže mít povrch jako golfový míček, nebo nemůže být chlupaté jako tenisák, i když u těch míčků to zrovna funguje docela dobře.

Další krásnou inspirací pak byl Vojtův článek na téma Aerodynamiky a účelnosti, ve kterém psal o nových Mercedesech, a zejména pak diskuze, která se pod oním dílkem rozpoutala. Zkráceně šlo zejména o toto: Hranatý Mercedes, jak někteří tvrdili, nemůže být ‚aerodynamičtější‘, než srovnatelně staré kulaté auto, hlavně proto, že prostě nevypadá aerodynamicky. Někteří si naopak posteskli, že součinitel odporu vzduchu je pouze vybájená hodnota, podobně jako ‚zaručené‘ hodnoty průměrných spotřeb z euroměřicích eurocyklů europrováděných v eurolaboratořích.

Základní problém bychom tedy měli vymezen. Prvně se nám jedná o to, zda pouhý součinitel odporu vzduchu stačí k tomu, abychom o tom či onom voze mohli prohlásit, že je aerodynamický. Co ale vlastně znamená, že je náš vůz aerodynamický? A k čemu nám vlastně součinitel odporu vzduchu slouží? Dalším problémem je pak otázka, zda jsou vozy, které vypadají aerodynamicky, opravdu efektivní a naopak.

Vraťme se k pojmu ‚aerodynamický‘ vůz. Slyšeli jste to tolikrát. Náš vůz je aerodynamický, tento vůz má skvěle aerodynamicky řešenou karoserii, atd. Většinou je toto tvrzení doprovázeno běžnému uživateli nic neříkající hodnotou součinitele odporu vzduchu Cd.

Odpor vzduchu ale není všechno. Ano, je stále poměrně náročné udělat vůz tak, aby měl nízký součinitel odporu vzduchu. Ale máme tady další činitele. Například čelní plocha. Vezměte si průměrně velké SUV s hodnotou součinitele odporu Cd = 0,30, třeba Toyotu Rav4 z roku 2006. Na tomto místě se sluší podotknout, že hodnota součinitele odporu měřeného v tunelu se běžně uvádí s odchylkou kolem 5% (pro různé tunely v závislosti na parametrech a podmínkách měření, jeden konkrétní tunel bude dávat výsledky s přesností na tisíciny Cd), takže u oné Toyoty můžeme brát i z jiného zdroje uváděných Cd  = 0,31. Když si vezmeme podobně starý hatchback, řekněme třeba Corollu stejného výrobce, hodnota součinitele odporu činí zase Cd = 0,30. A můžeme pokračovat. Stejný součinitel najdeme u Saabu 92, auta z roku 1947. A stejnou hodnotou se pyšní Koeniggsegg CCX z roku 2006.

Co nám tedy hodnota součinitele odporu bez uvedení dalších parametrů řekne? Ano, správně, mnoho nám nesdělí, aspoň ne bez dalšího srovnávání. Potom můžeme usuzovat, že Corolla bude díky menší čelní ploše vykazovat nižší odpor vzduchu, než RAV 4, takže kdyby, čistě náhodou, měla obě auta stejné motory, stejné převodovky, stejné pneumatiky a jela spolu vedle sebe po stejné silnici stejnou rychlostí, bude Corolla o něco úspornější. Rozdíl ve hmotnosti nehraje roli, pokud zrovna neakcelerujete, nebo nejedete do kopce atd. Naopak Koeniggsegg by klidně mohl mít nižší hodnotu součinitele odporu vzduchu, jenomže musí generovat přítlak, aby mohl zatáčkami projíždět rychle.

Běžná auta ale většinou negenerují přítlak. Bohužel, naopak jejich tvar vede k tomu, že na karoseriích vzniká působením proudění vzduchu vztlak, velice podobně jako na profilu křídla. No a kdo se někdy svezl liftbackovou octávií první nebo druhé generace po dálnici rychlostí spíše německou tak dobře ví, kolik trápení dokáže vztlak nadělat. To samé platilo pro aerodynamické, tzv. ‚proudnicové‘ Tatry, tedy T600, T77 a T87. Ano, díky tvaru karoserie byly schopné dosáhnout vysokých cestovních rychlostí i přes svůj relativě nízký výkon, ale zhoršení účinnosti řízení kvůli odlehčení přední nápravy ještě posílené motorem vzadu rozhodně nebylo něco, co byste chtěli zažít. Stát se vám to v zatáčce na typickém německém autobahnu z konce 30. let, koledujete si o průser. A spousta z Tater na to také doplatila, tedy spíše doplatila na vyděšení řidiče. Odhlečení zádi vyvolané bržděním a následný kyvadlový efekt od motoru vzadu zaručují skvěle nezvladatelnou přetáčivost.

Audi TT taky vypadalo skvěle, jeho čisté futuristické tvary slibovaly vysoké cestovní rychlosti a parádní výkony, akorát jste nesměli jezdit moc rychle do zatáček, protože design zadní časti byl pověstný výrobou značného množství vztlaku. Zakulacená hladká hrana mezi zadními světly znemožňovala odtržení proudění. To zůstávalo přilnuté o něco déle, než by bylo vhodné a v zadní části se tedy tvořil vztlak. Proto taky po několika nehezkých nehodách, soudních sporech a různých dalších nepříjmenostech automobilka rozhodla o přidání malého spoileru, který zaručil separaci proudění dříve, čímž se zamezilo tvorbě nežádoucího vztlaku.

Mimochodem, rozhodně vám nedoporučuju aktuální Twingo od Renaultu příliš dráždit ve vysokých rychlostech na dálnici, ledaže byste měli rádi pocit, jakoby byla přední kola ve vzduchu.

Nemám rozhodně za cíl rozebírat celý automobil a jeho části z hlediska aerodynamiky, ale aerodynamika ovlivňuje prakticky vše, na co se podíváte, pokaždé se však jedná o kompromis. Ano, uzavřené lamely chladiče pomáhají nízkému odporu vzduchu, ale vy potřebujete proud vzduchu, aby chladil motor. Uzavřené disky kol možná nevypadají nijak úchvatně, ale rozhodně jsou efektivní. Jenomže, vy potřebujete současně chladit brzdy. To samé zrcátka. Malá zrcátka s malou plochou jsou jistě lepší, ale co je v nich vidět? A takto bychom mohli pokračovat. Všechny vnější části auta ovlivňují aerodynamiku vozu, zároveň aerodynamika ovlivňuje jejich tvar a zpracování.

Pokud jsme si řekli, že součinitel odporu vzduchu není jediný údaj, který nás má zajímat, je vůbec k něčemu dobrý? Měli bychom mu věnovat pozornost? A co ta tunelová měření?

Součinitel odporu vzduchu bychom přehlížet neměli. Jedná se totiž o ukazatel aerodynamické efektivity auta. A jako takový nám poslouží k porovnání různých vozů. Pokud vynecháme extrémy jako je Formule 1, nebo prototypy pro Le Mans, většinu automobilů a jejich tvůrců spojuje snaha dosáhnout co nejnižšího součinitele odporu Cd. A pokud chcete své výsledky nějak prezentovat, potřebujete srovnání. A pro srovnání potřebujete měření. Zde ovšem narážíme na problém. Můžete se chlubit různými hodnotami součinitelů. Třeba vypočtený pomocí CFD. Výsledky získané ze simulací budou pravděpodobně ty nejvíce optimistické, praxe ale ukazuje, že pomocí simulace se dá dobře zjistit, na která místa se zaměřit.

Pak můžete měřit modely v tunelu, obvykle modely ve zmenšeném měřítku. Takže si opět vezmeme na paškál Tatru. Model T77/T87 byl obdivován pro skvělou hodnotu součinitele odporu vzduchu, Cd=0,24, kterou je dodnes nesnadné pokořit. Jenže, je tu háček. Šlo o výsledek získaný experimentálním měřením vyleštěného dřevěného modelu v měřítku 1:5. Reálné Tatry 87 se pohybují kolem Cd  = 0,36, což už tak skvěle nevypadá. Stejné hodnoty dosahuje hranatý VW Jetta z roku 1985.

Rozdíly spočívají v tom, kolik nedokonalostí se ve výsledku zanese do základního tvaru karoserie. Všechna ta kola, podvozek, spoje karoserie, stěrače, kliky dveří, to všechno přidává na výsledném součiniteli odporu vzduchu.

Čímž se dostáváme k otázce, jak jsou na tom vlastně ty hranaté neaerodynamické Mercedesy z 80. let. Vážně je pravda, že tenkrát byl hranatý tvar lépe řešitelný pro počítač a následné simulace, a proto jsou Mercedesy hranaté? Nejprve je potřeba říct, že tenkrát nikdo kulatá auta nedělal. Mercedes, Audi, BMW, hranatá auta vládla světu. A protože už byla hranatá nakreslena svým bezesporu geniálním designérem Saccem, mohla být řešena počítačem. Skvělých výsledků se ale dosáhlo zejména proto, že Mercedes si dal velmi záležet na detailech.

U Mercedesu byli a jsou svým zájmem o aerodynamiku pověstní. U modelů W201 a W124 se to však projevilo plnou měrou. Malé spáry, hladké přechody mezi plochami, ukryté stěrače, u W124 zakrytovaný podvozek a stovky, nebo možná tisíce hodin ladění v aerodynamickém tunelu. To je ten slavný over-engineered Mercedes, jak jej známe, jen z jiné stránky. Ve výsledku mohla i hranatá W124, ač na to rozhodně nevypadá, dosahovat součinitele odporu vzduchu Cd = 0,28 pro benzinové 200 a dieselové 200D (udáváno pro evropský trh). Pro srovnání, stejně jako Porsche 911 997 z roku 2004, nebo elektromobil Nissan Leaf z roku 2011. Pozoruhodné, nemyslíte?

A současné Mercedesy, a nejen ty, jdou ještě dál. Inženýři to mají o to snažší, že dnes jsou zase v módě kulatá auta, možnosti výpočetní techniky jsou dnes neporovnatelné s možnostmi 80.let, a současně se aerodynamice věnuje velká pozornost, protože má velký vliv na spotřebu a ano, i na euroemise.

Takže až vám zase bude někdo vykládat, že hranaté auto nemůže být aerodynamické, a nebo že auto kulaté je automaticky lepší, budete už vědět, že je to blbost. Vždycky totiž záleží na spoustě okolností. A hlavně pamatujte, že není všechno jen o odporu vzduchu, všechno je o souladu a harmonii, včetně kompromisů mezi jednotlivými funkcemi.

Genialita skvěle aerodynamického auta zůstane většinou oku běžného pozorovatele skryta. Je to trošku škoda, protože aerodynamice se věnuje enormní úsilí a finanční prostředky. Třeba přístě, až někde potkáte starý hranatý Mercedes, budete se na něj už dívat i z trochu jiného pohledu.