2.2.2 แรงฉุดทางอากาศพลศาสตร์

      เมื่อรถยนต์วิ่งมาด้วยความเร็วพอสมควร ตัวรถมันจะเจอกับแรงต้านของอากาศ ที่คอยจะต้านไม่ให้รถยนต์นั้นเคลื่อนที่ไปได้เร็วกว่านี้ แรงที่พยายามไม่ให้รถยนต์เคลื่อนที่เนื่องจากอากาศที่ต้าน เราเรียกว่า แรงฉุดทางอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamic drag)

      สาเหตุที่ทำให้เกิดแรงต้านนี้ขึ้น มีอยู่สองเหตุผลหลัก ๆ นั่นก็คือ รูปร่างของยานยนต์ที่ทำให้เกิดแรงฉุดต้านของอากาศ หรือแรงฉุดจากรูปทรงรถ (Shape drag) และอีกสาเหตุหนึ่งก็คือ คุณภาพของพื้นผิวตัวถัง หรือความเสียดทานที่พื้นผิว (Skin friction)

รูปการทดสอบอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์ในอุโมงค์ลม

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

รูปแรงฉุดของอากาศที่กระทำต่อรถยนต์

แรงฉุดจากรูปทรงรถ

      การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของรถยนต์นั้นจะมีอากาศคอยดันต้านตัวถังรถ อย่างไรก็ดี เมื่ออากาศไหลปะทะรถ มันจะต้องมีหนทางไหลไปต่อ ก่อนที่มันจะไหลผ่านรถมันจะอั้นต้านตัวถังรถไว้ ทำให้เกิดความกดดันเพิ่มขึ้นที่หน้าตัดตัวรถ ส่งผลทำให้เกิดความกดดันของอากาศที่สูง นอกจากนี้อากาศที่ด้านหลังรถไม่สามารถเติมพื้นที่ได้ทันทีจากการที่รถเคลื่อนไปข้างหน้า มันก็จะสร้างอาณาบริเวณที่เป็นความกดอากาศต่ำ

รูปอากาศพลศาสตร์ของรถแข่ง

      การเคลื่อนที่ของรถยนต์คันหนึ่งจะสร้างอาณาบริเวณอยู่สองพื้นที่ของความกดอากาศที่จะต้านการเคลื่อนที่ของรถเมื่อมันเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (ความดันอากาศที่สูงที่ด้านหน้ารถ) และพยายามดึงย้อนกลับ (ความดันอากาศต่ำที่ด้านหลังรถ) ดูในรูปด้านล่าง เป็นผลของแรงจากอากาศที่กระทำต่อรูปทรงรถยนต์

รูปแรงต้านจากการฉุดของอากาศ

รูปแรงฉุดอากาศของด้านหลังเทียบกับการใส่แพนอากาศ หรือสปอยเลอร์กับไม่ใส่

ความเสียดทานที่พื้นผิว

      เมื่อยานยนต์เคลื่อนที่ อากาศที่ไหลใกล้พื้นผิวของยานยนต์ จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ในขณะที่อากาศที่อยู่ห่างออกไปยังคงเคลื่อนที่ไปเรื่อย ๆ ระหว่างโมเลกุลของอากาศทั้งสองส่วนที่เคลื่อนที่ไม่เท่ากันจะเกิดความแตกต่างของความเร็วของอากาศทั้งสองบริเวณ จะทำให้สร้างความเสียดทานเกิดขึ้นที่ผิวตัวถังรถยนต์ ที่เป็นสาเหตุให้เกิดแรงฉุดทางอากาศพลศาสตร์

รูปแรงฉุดจากความเสียดทานที่พื้นผิว

      แรงฉุดจากอากาศพลศาสตร์ มีองค์ประกอบที่เกิดจาก ความเสียดทานของยานยนต์ที่วิ่งด้วยความเร็ว (Vehicle speed: V), พื้นที่หน้าตัดด้านหน้าของยานยนต์ (Vehicle frontal area: A_f), รูปร่างของรถยนต์สัมประสิทธิแรงฉุดของอากาศ (Coefficient of Aerodynamic Resistance) และความหนาแน่นของอากาศ (Air density: r (อ่านว่า โรห์)) แรงฉุดของอากาศพลศาสตร์สามารถเขียนเป็นสมการ ได้ดังนี้

แรงฉุดจากอากาศพลศาสตร์ = ½ ความหนาแน่นอากาศ ´ พื้นที่ด้านหน้ารถยนต์ ´ สัมประสิทธิ์แรงฉุดอากาศ ´ (ความเร็วรถ + ความเร็วลม)²

F_w = ½r A_fC_D(V + V_w)²           (2.8)

กำหนดให้   F_w = แรงฉุดอากาศพลศาสตร์ (N)

                r  = ความหนาแน่นของอากาศ (kg/m³)

                 A_f = พื้นที่หน้าตัดด้านหน้าของยานยนต์ (m²)

                C_D = สัมประสิทธิ์แรงฉุดอากาศพลศาสตร์ จากรูปร่างลักษณะของยานยนต์

                V = ความเร็วยานยนต์ (m/s)

                 V_w= ความเร็วลม (m/s) 

      ความเร็วของลม จะมีองค์ประกอบที่ต้องนำมาใช้พิจารณาทิศทางการเคลื่อนที่ของลม นั่นคือ ขณะรถยนต์กำลังวิ่ง และมีลมสวนพัดเข้าหารถยนต์เครื่องหมายของความเร็วลมจะเป็นบวก แต่ถ้ารถยนต์วิ่งไปในทิศทางเดียวกันกับที่ลมพัดเครื่องหมายจะเป็นลบ

สัมประสิทธิ์แรงฉุดทางอากาศพลศาสตร์ ของรูปทรงรถยนต์ที่มีรูปร่างต่าง ๆ สามารถดูได้ในตารางที่ 2.2 ด้านล่าง

ตารางที่ 2.2  สัมประสิทธิ์แรงฉุดจากรูปร่างตัวถังรถยนต์ที่มีความแตกต่างกัน

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ระหว่างแปรงฟัน ฮัมแพลงด้วยจนจบ จะทำให้ฟันสะอาดขึ้นสองเท่า”