Aerodynamika motocykli | Gęste powietrze

Jajko na początek

Powietrze to żywioł, z którym motocyklista styka się bez przerwy. Z jednej strony sprawia przyjemność, gdy podczas wolnej jazdy w upalny dzień owiewa twarz. Z drugiej – denerwuje, gdy szarpie ubraniem, spycha z kanapy i zmusza do ciągłego przeciwstawiania się jego naporowi. Problem jest tym większy, im wyższa prędkość. Podczas jazdy trzeba przebijać się przez miliony metrów sześciennych powietrza, a wytworzone przy tym siły hamujące motocykl są aż sześciokrotnie większe przy prędkości 200 km/h niż przy 50 km/h.

Opór powietrza pogarsza także osiągi pojazdu, podnosi zużycie paliwa i poziom hałasu, a nawet destabilizuje motocykl. A wszystko przez to, że powietrze ma stosunkowo dużą gęstość 1,2 kg/m3, z czego na co dzień nie zdajemy sobie sprawy.

Konstruktorzy motocykli początkowo kompletnie ignorowali mieszaninę azotu, tlenu, dwutlenku węgla i innych gazów. Prędkości jednośladów były niewielkie i opór powietrza nie miał większego znaczenia. Jednoślady jeździły jednak coraz szybciej i w końcu zdano sobie sprawę, jak wiele energii tracą na „przebijanie się” przez oporną materię.

Oporowi powietrza zaczęto się przeciwstawiać przy pomocy rozmaitych elementów aerodynamicznych, mocowanych na… kierowcy. Potem zaczęto badać problem bardziej dogłębnie, tworząc odpowiednie laboratoria. Jeden z pierwszych tuneli aerodynamicznych powstał w niemieckiej Getyndze na początku lat trzydziestych. Pierwsze doświadczenia zaowocowały złagodzeniem kształtów motocykli. Pojawiły się zbiorniki paliwa w kształcie kropli, zaczęto wprowadzać węższe kierownice.

Gdy motocykle stanęły przed pokonaniem magicznej granicy 200 km/h, badania aerodynamiki nabrały znacznie większego rozmachu. Odkryto wówczas, że opór powietrza wcale nie rośnie proporcjonalnie do prędkości. Zwiększenie jej o 10% wymaga podniesienia mocy silnika aż o 33%. Wiedziano już, że odpowiednio ukształtowane obudowy pomagają zwiększyć prędkość maksymalną jednośladu, a ich obły kształt wzorowano początkowo na… jajku. Całkowicie obudowany BMW 500 Kompressor, prowadzony przez Ernsta Henne, pobił rekord prędkości w 1937 r. uzyskując wynik 279,5 km/h.

Nos słonia i pysk delfina

Po wojnie badania aerodynamiczne motocykli nabrały tempa, ale nadal wykorzystywano je do tworzenia jednośladów wyczynowych. Głównie dlatego, że pociągały za sobą duże koszty. Szczególnie drogie były tunele aerodynamiczne, dlatego nie każdy mógł sobie pozwolić na takie zaplecze techniczne.

Własny tunel aerodynamiczny wybudowało włoskie Moto Guzzi, które mocno inwestowało w sport, podobnie jak niemieckie NSU, brytyjski Norton czy włoska MV Agusta. Kolejne doświadczenia pokazały, że kształt jajka nie jest jedynym, dobrym rozwiązaniem. Inspiracje zaczęto czerpać także z kształtów zwierząt. Stąd słynny „nos słonia” w Nortonie czy „pysk delfina” w NSU.

W latach pięćdziesiątych prace nad aerodynamiką osiągnęły bardzo zaawansowany poziom. W NSU Rennfox uzyskano współczynnik oporu powietrza Cx na poziomie 0,197, co sprawdzono nowocześniejszymi metodami trzydzieści lat później, przy wykorzystaniu egzemplarzy muzealnych. To wynik lepszy, niż we współczesnych bolidach klasy Grand Prix i Superbike (nieco powyżej 0,20).

Według teoretycznych obliczeń w NSU Rennfox do osiągnięcia prędkości 200 km/h wystarczy silnik o mocy 24 KM. Dobre wyniki osiągnęło także Moto Guzzi, które wyposażając w obszerną obudowę model V8, potrafiło rozpędzić go do prędkości 280 km przy pomocy 80-konnego silnika. Na początku lat sześćdziesiątych XX wieku pod względem aerodynamiki brylował Bianchi 500 z wynikiem Cx = 0,258.

Było tylko kwestią czasu, by doświadczenia aerodynamiczne ze sportu trafiły do zwykłych motocykli. Pierwszą firmą, która poważnie podeszła do tematu, było włoskie Ducati, które w modelu 750SS z 1973 r. uzyskało współczynnik oporu powietrza Cx na poziomie 0,341. Ale było to możliwe tylko wówczas, gdy kierowca leżał na zbiorniku paliwa. Gdy prostował sylwetkę, współczynnik natychmiast znacząco wzrastał. Stało się jasne, że motocykle, w których kierowca jedzie wyprostowany, wymagają zastosowania obszerniejszej obudowy z wysoką szybą ochronną.

Pierwszym tak obudowanym jednośladem był BMW R 100RS z 1976 r. Legitymował się współczynnikiem Cx=0,435 przy nieznacznie pochylonym kierowcy. Dzisiaj takie wyniki to norma dla seryjnych, sportowych bolidów. W pełni obudowane motocykle turystyczne osiągają wyniki przekraczające nawet 0,55. Dla pokonania oporów powietrza przy prędkości 200 km/h współczesny motocykl sportowy potrzebuje ok. 47 KM, a jednoślad turystyczny – ok. 80 KM.

Pod względem oporów powietrza najgorzej wypadają motocykle typu enduro, głównie ze względu na dużą wysokość i wyprostowaną sylwetkę kierowcy. Współczynnik Cx sięga w nich 0,55 ? 0,60. W pierwszym na świecie, drewnianym motocyklu Daimlera z 1885 r. Cx wynosił 0,667.

Łatwiej badać, niż liczyć

Zagadnienia związane z aerodynamiką motocykla są niezwykle skomplikowane. Opór powietrza zależy od wzrostu kierowcy, jego pozycji za kierownicą, konstrukcji motocykla (kształtu obudów, zastosowania kufrów, układu silnika). Czynnikiem decydującym jest jednak powierzchnia czołowa. W motocyklach turystycznych może przekraczać 1 m2, w maszynach sportowych klasy wyższej sięga 0,45 – 0,50 m2.

Powierzchnia czołowa nie przekłada się jednak bezpośrednio na współczynnik oporu powietrza. Suzuki Hayabusa z kierowcą w pozycji leżącej ma powierzchnię czołową 0,69 m2, podczas gdy Yamaha YZF-R1 – 0,67 m2. Współczynnik oporu powietrza w Suzuki jest jednak lepszy i wynosi 0,48, a w R1 aż 0,51.

Rozmaite jest również oddziaływanie na prowadzenie motocykla. Ważnym, niekorzystnym czynnikiem, związanym z aerodynamiką, jest zjawisko odciążania przedniego koła. Wartość odciążenia może sięgać nawet 25 kg. Jeśli pełne obciążenie przedniego koła wynosi ok. 140 kg, łatwo obliczyć, że docisk zostaje zmniejszony aż o 18%. Precyzja prowadzenia musi się pogorszyć, kierowca z pewnością to odczuje. W innym motocyklu odciążenie sięga 17 kg, a pełne obciążenie wynosi blisko 200 kg. Docisk zmniejsza się więc o ok. 9%, pogorszenie własności jezdnych osiąga mniejszy poziom.

Duże są też różnice w poziome hałasu generowanego przez strugi opływającego jednoślad powietrza. W motocyklu turystycznym poziom hałasu przy prędkości 100 km/h sięga 80 dB, a przy prędkości 180 km/h – około 97 dB. W motocyklu sportowym wartości te mogą wynosić odpowiednio 102 i 116 dB. Wszystkie te dane dowodzą, że w zakresie aerodynamiki trudno pokusić się o teoretyczne wyliczenia. Skuteczniejsze są praktyczne badania w tunelach aerodynamicznych, które pozwalają uzyskać optymalne parametry. Jedyne, co można przewidzieć nawet bez badań, to przydatność choćby niepełnych owiewek. Założenie osłony z szybą pozwala jeździć szybciej i bardziej komfortowo. W motocyklach klasy średniej zysk na prędkości maksymalnej może sięgnąć 10 km/h, a w klasie wyższej nawet 15 km/h.

Swego czasu nawet w Polsce prowadzono badania motocykli pod kątem oporu powietrza, wykorzystując w tym celu tunel aerodynamiczny Instytutu Lotnictwa w Warszawie. Znalazł się w nim między innymi model SHL M17 Gazela, który uzyskał wynik 0,17 bez kierowcy i 0,51 z kierowcą.

Badania jednośladów w tunelach aerodynamicznych są dzisiaj na porządku dziennym. Takie zaplecze badawcze mają duże koncerny, inni wynajmują tunele za opłatą. Inżynierów wspiera elektronika i technika komputerowa, co znacznie ułatwia skomplikowane obliczenia.

Opór powietrza jest już dobrze poznanym zjawiskiem, co ułatwia zadanie konstruktorom. Ci wciąż jednak idą na kompromisy. Dokładnie wiedzą, jak powinien wyglądać motocykl o możliwie najmniejszym współczynniku oporu powietrza, ale wiedzą też, że nikt go nie kupi ze względu na trudne do zaakceptowania kształty. Dlatego muszą dokładnie wyważać estetykę jednośladów, dbając przy okazji o dobrą aerodynamikę, dzięki której możemy cieszyć się na co dzień lepszymi osiągami, niższym zużyciem paliwa, wyższym komfortem jazdy i lepszymi własnościami jezdnymi.

Publikacja Świat Motocykli 9/2014.