MechGens: Η ιστορία της καινοτομίας της αεροδυναμικής (1899

Ας θεωρήσουμε την ανθρώπινη περιέργεια την αρχή ενός άγνωστου μονοπατιού και την ανθρώπινη φαντασία ως έναν ιχνηλάτη. Ποιο θα είναι άραγε το θήραμα του οποίου τα ίχνη προσπαθεί η φαντασία να εντοπίσει; Μα φυσικά η δημιουργία. Αυτό το τρίπτυχο χαρακτηρίζει το πώς ο άνθρωπος εφεύρει ή ανακαλύπτει. Όταν οι άνθρωποι της αυτοκίνησης κατανόησαν διαισθητικά, ή τουλάχιστον όχι απόλυτα επιστημονικά ότι ο αέρας αποτελούσε μεγάλο εμπόδιο στις επιδόσεις του αυτοκινήτου, επιστράτευσαν την φαντασία τους. Και μαντέψτε, το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία μιας πλειάδας πρωτότυπων αεροδυναμικών οχημάτων,
που έθεσαν τα θεμέλια για της αρχές που διέπουν σήμερα τον τομέα της “αυτοκινηστικής” αεροδυναμικής.

Κατά τη δεκαετία του 50’, Γερμανοί και Βρετανοί μηχανικοί, συστηματικά ανέλυαν τις επιδράσεις της ροής του αέρα εις βάρος των επιδόσεων ενός οχήματος. Έως το τέλος του 60’ είχε γίνει ήδη αντιληπτό από εγκεκριμένους επιστήμονες η σημαντική αύξηση παραγόμενου ήχου σε υψηλές ταχύτητες, όπως και η επηρεαζόμενη κατανάλωση ενός οχήματος, από την αεροδυναμική αυτού.

Ονειροπόλοι, μηχανικοί και επιχειρηματίες είχαν ήδη δελεαστεί από τις δυνατότητες για αξιοσέβαστα κέρδη που προσέφερε η αεροδυναμική. Η προσπάθειες που έχουν γίνει από τότε έχουν αποδώσει μερικά από τα πιο αξιοθαύμαστα αυτοκίνητα που δημιουργήθηκαν ποτέ, αν και πολύ συχνά προκαλούσαν την αισθητική σε μεγάλο βαθμό. Ωστόσο ας επικεντρωθούμε στην αεροδυναμική σημασία αυτών. Εν τέλει, η εποχή των πλέον αεροδυναμικών οχημάτων έχει φτάσει. Όμως ο δρόμος μέχρι εδώ ήταν γεμάτος σημαντικές αναταραχές.

Η προέλευση των πρώτων εγκεκριμένων σχεδίων χρονολογούνται τουλάχιστον διακόσια χρόνια πριν. Η ιδανική καμπυλοειδής μορφή περιγράφθηκε το 1804 από τον George Cayley ως ένα «επίμηκες σφαιροειδές» . Και ήδη το 1865, ο Samual Calthorpe πατεντάρισε ένα τραίνο που υπερνικά την αντίσταση του αέρα, δείχνοντας αξιόλογα ανεπτυγμένο λαμβάνοντας υπ όψιν την εποχή.

Οι ενασχληθήσαντες με τις υψηλές επιδώσεις, συγκεκριμένα αυτοί που κυνηγούσαν το πολυπόθητο ρεκόρ ταχύτητας επί της ασφάλτου, ήταν οι πρώτοι που ενσωμάτωσαν αεροδυναμική βοήθεια. Το “La Jamais Contente” το πρώτο όχημα που έσπασε το ρεκόρ των 100 km/h (62 m/h ), το 1899.

Η εξέλιξη της αεροδυναμικής των οχημάτων με στόχο την κατάρριψη του παγκοσμίου ρεκόρ ήταν ταχύς, όπως προφανώς φαίνεται παρακάτω στο «Stanley Steamer Rocket» (ή ελληνιστή «ατμορουκέτα του Στανλεϊ») του 1906. Αλλά η εξέλιξη στην ταχύτητα ήταν ακόμα πιο δραματική: η «Ρουκέτα» έσπασε το φράγμα των 200 km/h , με τελική ταχύτητα τα 205,44 km/h (127.66m/h). Αυτή η επίδοση δεν βελτιώθηκε έως και το 1924 και όχι μέχρι το 2009 για ατμοκίνητα οχήματα.

Αλλάζοντας κλίμα, η πρώτη καταγεγραμμένη προσπάθεια ‘καμπυλοποίησης’ ενός επιβατικού οχήματος ήταν αυτή η Alfa Romeo, και συγκεκριμένα έγινε από τον αρχικατασκευαστή Castagna για λογαριασμό της ιταλικής Count Ricotti. Μια πολύ εξελιγμένη κατασκευή, εμπνευσμένη από μια νουβέλα του Ιουλίου Βερν (Jules Verne). Λόγω της εξαιρετικά βαριάς κατασκευής του κουβουκλίου, αποδείχθηκε ότι δεν πλησίαζε καν στην τελική ταχύτητα μιας ‘ανοιχτού’ τύπου Alfa στης οποίας το σχέδιο είχε βασιστεί.

Όμως η επανάσταση στα επιβατικά, ήταν το γερμανικό Rumpler “Tropfenwagen” (“όχημα σταγόνα”) του 1921. Σε αντίθεση με το μη πρακτικό και βαρύ Castanga Alfa, το Rumpler ήταν δραματικά διαφορετικό και ξεχωριστό για το ολοκληρωμένο και αυθεντικό του σχέδιο, αλλά και τη μηχανική του. Ήταν εξοπλισμένο με μία κεντρική W6 μηχανή και με ανεξάρτητο σύστημα ανάρτησης τεσσάρων τροχών, το οποίο, πατεντάρισε ο Rumpler. Το “όχημα σταγόνα” δοκιμάστηκε στην αεροδυναμική σήραγγα της Volkswagen το 1979 και επιτεύχθηκε αεροδυναμικός συντελεστής της τάξεως του 0.28, ένας βαθμός ολισθηρότητας που επιτεύχθηκε από την Volkswagen 9 χρόνια μετά.

Όσο για το όνομα του αυτοκινήτου, “όχημα σταγόνα”, είναι γνωστό ότι το σχήμα μιας σταγόνας είναι το πιο αεροδυναμικό που μπορεί να βρεθεί στην φύση. Με τον υπερθετικό βαθμό “πιο αεροδυναμικό” εννοείται ότι μια σταγόνα έχει τον μικρότερο συντελεστή αντίστασης (coefficient of drag ή Cd) κατά την διέλευση της μέσω του αέρα. Παρατηρώντας βέβαια το όχημα της Alfa Romeo (πιο πάνω) και το Tropfenwagen θα γίνει αντιληπτό, ότι το πρώτο θα άξιζε περισσότερο την ονομασία “σταγόνα”. Ωστόσο, οι αεροδυναμικές επιδόσεις το δεύτερου είναι εντυπωσιακότερες του πρώτου. Ίσως η Volkswagen να ήθελε να εκθειάσει την ιδιοφυία της φύσης.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο Cd, είναι ένας συντελεστής που υποδηλώνει την υποδηλούμενη αεροδυναμική ολισθηρότητα ενός αμαξώματος, ανεξάρτητα από το συνολικό του μέγεθος. Για παράδειγμα, ένα τούβλο οποιουδήποτε μεγέθους, έχει αεροδυναμικό συντελεστή της τάξεως 1.0 και μία σφαίρα 0.295 . Για να φτάσουμε την απόλυτη αεροδυναμική αντίσταση που καθορίζει την ενέργεια που απαιτείται και την αποτελεσματικότητα, η εμπρόσθια περιοχή (διατομή του οχήματος κοιτώντας από μπροστά) πολλαπλασιάζεται από τον συντελεστή (Cd x Ft²). Εν προκειμένω, το σχήμα του Rumpler ήταν κοινώς πολύ αεροδυναμικό, αλλά ήταν επίσης αρκετά ψηλό και έμοιαζε με κουτί. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα γύρω στα εκατό οχήματα αυτού του μοντέλου να χρησιμοποιούνται κυρίως ως ταξί του Βερολίνου, λόγω του ευρύχωρου εσωτερικού και της μίνιβαν (mini-van) εμφάνισής τους. Ένα “άδοξο τέλος“ θα έλεγε κανείς για το όχημα του Rumpler, ωστόσο οι ιδέες του ενέπνευσαν απομιμήσεις και βελτιώσεις παγκοσμίως και διεύρυναν ολόκληρο το πεδίο της αεροδυναμικής.

Η επιρροή του Tropfenwagen στα αγωνιστικά αυτοκίνητα ήταν μία από τις παγκοσμίου εμβέλειας εμπνεύσεις, η οποία ήταν πιο άμεση και διαρκής. Το Benz Tropfenwagen του 1923 ήταν άμεση εξέλιξη του οχήματος του απλού Tropfenwagen, στο οποίο χρησιμοποιήθηκαν ατόφια εξαρτήματα του Rumpler.

Mε μηχανή τοποθετημένη στο κέντρο του αμαξώματος (κεντρομήχανο ή mid-engine) και σπαστό διαφορικό στον πίσω άξονα, δεν ήταν μόνο ο άμεσος πρόγονος των θρυλικών αγωνιστικών της Αυto-Union, αλλά όλων των κεντρομήχανων αγωνιστικών αυτής της εποχής.

Αναφορικά με τον εκκολαπτόμενο τομέα της αεροδυναμικής, το τυπικό διμερές αυτοκίνητο του 20’ ήταν πιο αεροδυναμικό πηγαίνοντας προς τα πίσω, παρά προς τα μπροστά, όπως το παρακάτω DeSoto απέδειξε σε δοκιμές. Επίσης μια περιφερειακή περιήγηση των Ηνωμένων πολιτειών στάθηκε ικανή να γνωστοποιήσει την αυτοκινηστική αεροδυναμική, ως εισαγωγή στην ροή αέρα της Crysler. Κλασικό παράδειγμα ήταν το Chevy Volt το οποίο θα είχε καλύτερη αεροδυναμική αν είχε τοποθετηθεί στην αεροδυναμική σήραγγα ανάποδα.