July 13, 2020

Designul eficientei – de ce automobilele isi vor schimba radical forma

Mobilitatea, in orice forma a ei, este in constanta lupta cu rezistenta la inaintare. Aceasta ia multe forme, pe care le-am discutat pe scurt aici. Cel mai important inamic al vitezei este rezistenta produsa de aer, studiata in dinamica fluidelor sub ramura aerodinamica – nu voi intra in detalii tehnice mai mult decat e strict necesar, insa cu siguranta stiti, cel putin la nivel intuitiv, ca unele corpuri necesita mai multa energie pentru deplasare din cauza formei lor cu o aerodinamica slaba. .

Nivelul de toleranta la miscare al corpurilor in functie de forma lor este cuantificat de o constanta numita “coeficient de rezistenta la inaintare” sau mai scurt Cd (Cx si Cw sunt denumiri alternative). Un cub are Cd de 1.05 iar o picatura de apa in cadere (forma ideala) are un Cd de 0.04. Prin urmare cubul va consuma de 26 de ori mai multa energie pentru a invinge rezistenta la inaintare data de aer decat picatura de apa cu aceeasi suprafata frontala proiectata (umbra corpului pe un perete frontal).

Rezistenta la inaintare este direct proportionala cu suprafata proiectata si cu patratul vitezei. Constanta de proportionalitate este coeficientul de aerodinamicitate Cd.

Daca ati rezistat peste introducere, acum urmeaza partea interesanta: astazi designerii automobilelor fac compromisuri intre aerodinamicitate, amplasare propulsie, siguranta si design, prin urmare niciunul dintre cele patru elemente nu sunt satisfacute in totalitate: se pot crea automobile mai aerodinamice (Cd uzual astazi este de 0.25), mai sigure (imaginati-va pozitionarea soferului in spate) etcetera. Structura mandatorie a pozitionarii motorului si transmisiei in fata duce din nou la compromisuri de eficienta a formei pentru a satisface limitarile de structura ale motorului cu ardere interna si de siguranta in cazul unui impact (distanta si pozitia blocului motor fata de pasageri si sofer, dinamica impactului, etc).

Automobilul Schlorwagen, design german ultra aerodinamic in 1939, are Cd de doar 0.11, de peste 2 ori mai bun decat al automobilelor de astazi.

Toate aceste limitari insa vor fi in scurt timp istorie: automobilul electric are motoarele destul de compacte incat sa fie amplasate direct in roti, pilotul automat sau asistarea la pilotaj impreuna cu interconectarea, IOT si AI vor face accidentele foarte rare sau imposibile (am discutat despre asta aici) prin urmare designerii se vor concentra doar pe eficienta. Ceea ce e minunat, iata de ce:

Astazi, eficienta ridicata a motoarelor electrice creaza avantaje uriase la viteze mici, insa reversul medaliei este faptul ca la viteze mari eficienta nu mai creste, asa cum o face in cazul ICE (Internal Combustion Engine), ceea ce se traduce printr-un consum strict proportional cu patratul vitezei, neponderat de o eficienta crescuta (de la 10-15% la 30-35%) a combustiei interne. Prin urmare, viteza de autostrada, de 130-140 km/h, dublata de un vant frontal semnificativ poate insemna pentru un autoturism electric o autonomie de 10-15 ori mai mica (!) decat in cazul vitezelor de oras, o problema foarte grava pe care automobilele cu ICE nu o au pe de o parte datorita motivului eficientei crescute la viteza de mai sus, pe de alta parte datorita volumului de energie generos stocat in rezervor.

Tesla Model 3, un design aerodinamic dar pe structura “clasica” de ICE, desi e 100% electric, are un coeficient aerodinamic de 0.26.

Aplatizarea curbei de consum pentru ultra-eficientele electrice, afectate puternic de rezistenta la inaintare a aerului la viteza mare, nu se poate face asadar astazi decat printr-o forma aerodinamica a vehiculului cat mai aproape de ideal. Un Cx de 0.15 sau 0.12 ar scadea consumul la jumatate si ar dubla autonomia la orice viteza, iar forma unei picaturi de apa in cadere este una care multumeste si un alt element important: spatiul interior. Prin urmare putem paria pe o modificare iminenta a formei “clasice” a autoturismelor chiar in urmatorii ani.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *