Raz wróg, raz przyjaciel | Aerodynamika w motocyklach

Maszyna, Ty i wiatr we włosach. Dla wielu brzmi to jak przepis na osiągnięcie stanu zbliżonego do Nirwany. Tymczasem w praktyce zamiast zapomnieć o bożym świecie, dobitnie czujesz, jak twój kark, plecy i ramiona walczą z naporem powietrza, które próbuje zrzucić Cię z nieobudowanego motocykla, gdy tylko osiągniesz prędkość powyżej +/100 km/h. Dyskomfort czujesz zresztą nie tylko Ty, ale i silnik, który musi się więcej napracować, żeby osiągnąć i utrzymać prędkość. Dzieje się tak, ponieważ większość mocy potrzebna jest do pokonania oporu powierza. To jak jazda z nieustannie zaciśniętym hamulcem. Na szczęście można ten hamulec odpuścić, gdy bryła motocykla zyska aerodynamiczne kształty, czyli takie, które gładko przetną strugę powietrza i poprowadzą ją przy powierzchni motocykla bez zawirowań.

Oszukać naturę

Za kształt idealnie aerodynamiczny uważana jest spadająca kropla wody. Oprócz tego, że ma niski współczynnik oporu powietrza na poziomie Cx 0,042 (gdy Suzuki Hayabusa, uważana za aerodynamiczne arcydzieło, ma ten współczynnik na poziomie 0,330), to jeszcze strugi powietrza przepływają wzdłuż niej w sposób laminarny, czyli równolegle przy jej powierzchni, bez zawirowań. Ta ostatnia cecha jest równie ważna, jak sam opór, bowiem turbulencje, powstające za nieaerodynamicznymi kształtami, np. za motocyklistą, także spowalniają jego ruch, niejako ciągnąc do tyłu. 

Początkowo to właśnie kropla wody była inspiracją dla kształtów motocykli wyścigowych. Jej naśladowanie pozwoliło podnieść prędkość motocykli. Moto Guzzi V8 z 1954 r. potrzebowało zaledwie 80 KM, żeby rozpędzić się do 280 km/h i to z przełożeniami wyścigowymi. Obszerne owiewki z lat 50. miały jednak swoje wady. Struga powietrza nie jest szczególnie „plastyczną” materią, więc jeśli owiewka będzie zwężała się ze zbyt ostrym kątem, strumień się od niej „odklei” i w wyniku różnicy ciśnień, panujących między strugą (wysokie ciśnienie), a powierzchnią owiewki (niskie ciśnienie), powstaną niekorzystne zawirowania.

Z tego względu, owiewki muszą być odpowiednio długie, żeby zachować łagodne zwężenie. W pewnym stopniu można sobie z tym poradzić przez ucięcie owiewki w odpowiednim miejscu, by powstał odpowiednik tzw. tyłu Kamma*. W ten sposób oszukuje się wolno reagujący pęd powietrza i zawirowania tworzą się dopiero po chwili, gdy motocykl jest poza ich zasięgiem. Do wykonania tej „sztuczki” potrzebne są odpowiednio obszerne owiewki. To oznacza, że wzrośnie nieaerodynamiczna powierzchnia boczna. Gdy wiatr oddziałuje na nią, działa jak żagiel, a co za tym idzie zaburza stabilność i pogarsza prowadzenie motocykla, nawet w stopniu mogącym spowodować wypadek. Z tego względu w 1957 roku FIM (Międzynarodowa Federacja Motocyklowa) zakazała stosowania takich elementów nadwozia. 

Zabawa formą detali 

Powierzchnie owiewek dzisiejszych motocykli sportowych mają wiele załamań, przewężeń i wlotów. Zaczęto bowiem zwracać większą uwagę na to, by aerodynamiczna bryła motocykla była w stanie kierować powietrze tak, żeby „przeszkadzajki”, np. klamki sprzęgła czy tłumik, możliwie jak najmniej zakłócały jego przepływ.

W przeciwieństwie do samochodów, motocykle mają wiele takich „przeszkadzajek”. Żeby odizolować je od strumienia powietrza, konieczne byłoby obudowanie całego motocykla i kierowcy, czyli powrót do rozwiązań znanych z przeszłości. Ponadto zwiększyłaby się powierzchnia czołowa, która ma niebagatelny wpływ na opór, jaki napotyka motocykl. Mogłoby się więc okazać, że sam współczynnik oporu Cx (który zależy od geometrii, gładkości powierzchni i kąta natarcia) byłby korzystny, ale przez większą powierzchnię czołową na motocykl działałyby większe siły. Dlatego, zamiast zwiększać rozmiary owiewek, producenci bawią się ich formą. Celem jest takie odchylanie strugi powietrza, żeby wyrównywać ciśnienia między nią, a owiewkami czy żeby np. rozszerzała się w okolicach kolan lub kierowała się do góry w okolicach kasku i ramion motocyklisty. 

Nie bez znaczenia są także ubrania motocyklisty. Skórzane kombinezony są obcisłe nie tylko po to, żeby bajerancko wyglądały, ale właśnie dla zminimalizowania oporu aerodynamicznego. Każde zagięcie na jego powierzchni to dodatkowe utrudnienie. Kombinezony zawodnicze mają dodatkowo bardzo długie garby. Są pomyślane tak, że gdy jadący przyjmuje zgarbioną, sportową pozycję, we współpracy z kaskami dbają o jak najmniejsze zakłócenia przepływu powietrza. 

Pojawiają się także aerodynamiczne wstawki na barkach, łokciach i kolanach. Dainese, dbając o aerodynamikę, postanowiło nawet stworzyć buty chowane pod kombinezon. Są to jednak niuanse, których my, zwykli śmiertelnicy, raczej nie dostrzeżemy. 

Kolejna rzecz, która miała duży wpływ na poprawę aerodynamiki, a której byśmy o to nie podejrzewali, to… rozwój oświetlenia. Dzięki technologii LED lampy mogą przybierać niemal dowolne formy, więc nie dyktują ostatecznego kształtu powierzchni czołowej i tyłu, który nb. jako pierwszy skorzystał na tej technologii. Spiczaste kształty, zbliżone do końca kropli wody, w motocyklach sportowych znacząco poprawiły ich aerodynamikę.

Trudno o gotowy przepis 

Skoro powierzchnia czołowa tak mocno wpływa na obniżenie oporów powietrza, to może najlepiej dążyć do drastycznego zwężania motocykli? Niestety, w aerodynamice nie ma jednej recepty na sukces, zwłaszcza w przypadku motocykli. Za dużo jest zmiennych, jak pozycja i gabaryty kierowcy czy po prostu położenie motocykla. Projektanci skazani są na kompromisy, w ramach których odrzuca się czasem niektóre pomysły. 

Przykładem może być Ducati. Przy okazji liftingu Panigale V4, w porównaniu z modelem 2018 powiększono w nim powierzchnię czołową, podobnie jak w wyścigowej wersji. Po wyliczeniach komputerowych i testach w tunelu aerodynamicznym okazało się, że przy ergonomii i stylistyce tego modelu owiewka, za którą motocyklista jest bardziej schowany, dała ostatecznie mniejszy opór aerodynamiczny.

AERODYNAMIKA I STYL mogą iść w parze. Taki kształt „ogona” zapewnia dobry przepływ powietrza, a otwory zmniejszają zawirowania..

Ducati to bardzo wdzięczny przykład dla dzisiejszego tematu. W kwestii badań nad aerodynamiką, jest chyba najbardziej ambitnym producentem, co pokazuje firmowy zespół MotoGP. W 2015 roku w motocyklu GP15 po raz pierwszy zaczęto eksperymentować ze skrzydełkami, tzw. wingletami. Po co taki wynalazek? Przebijanie się przez masy powietrza nie tylko hamuje motocykl, ale przy wysokich prędkościach może być źródłem siły jak w samolocie. Pojawia się ona, gdy powietrze oddziałuje na powierzchnię prostopadle, a nie równolegle do kierunku ruchu. W konsekwencji przednie koło odciąża się czasem nawet o ok. 25 kg. Rośnie nerwowość prowadzenia, pogarsza zwrotność motocykla, przednia opona ma problemy ze złapaniem temperatury, a i skuteczność hamowania drastycznie spada. Skrzydełka mają za zadanie wyeliminować te niedogodności. Sama ich obecność i kształt odwróconego skrzydła samolotu co prawda nie zmniejszają oporu powietrza, ale powodują, że jego strumień wywiera nacisk, co skutkuje dociążeniem przedniego koła.

W najbardziej zaawansowanych rozwiązaniach, np. w Panigale V4 Superleggera czy motocyklach MotoGP, dodatkowy docisk wynosi ok. 50 kg przy 270 km/h. Oznacza to większą powierzchnię styku przedniej opony z nawierzchnią, a więc poprawę przyczepności i hamowania, możliwość wcześniejszego odkręcenia gazu na szybkich zakrętach bez obawy, że przód „ucieknie”. 

Korzyści są znaczące, ale zauważalne przede wszystkim w użytku sportowym. W drogowych, litrowych sportach to przede wszystkim gadżet, upodabniający maszyny seryjne do tych z WSBK czy MotoGP. Poza torem korzyści można odczuć właściwie tylko w poprawie stabilności, gdy wpadniesz na „niemiecką autostradę”. Na rynku pojawiły się już chińskie skrzydełka, które można zamontować do wielu motocykli, ale nie jest to rozwiązanie warte uwagi. Nie tylko może popsuć aerodynamikę motocykla i np. pogorszyć komfort jazdy, ale także właściwości jezdne. Profil skrzydełek w nowych superbike’ach opracowany jest w taki sposób, aby nie zwiększał drastycznie oporu i zawirowań powietrza, nie pogarszał prowadzenia w zakrętach (źle zaprojektowane skrzydełka mogą utrudnić składanie maszyny w zakręt). Dla równomiernego przepływu powietrza niebagatelne znaczenie ma też niski stopień odkształceń materiału. Nie jestem pewien, czy uniwersalne produkty z Państwa Środka zostały zaprojektowane z uwzględnieniem wszystkich tych zagadnień… 

Warto współpracować 

DOBRZE ZAPROJEKTOWANE skrzydełka nie tylko generują siłę docisku, ale też rozchylają strugę powietrza.

Odpowiednio kierując strumieniem powietrza, można go także wykorzystać do zwiększenia sprawności chłodzenia i osiągów różnych podzespołów. Wycięcia w owiewkach poprawiają chłodzenie silnika, a właściwie zaprojektowane wloty nie muszą zakłócić przepływu powietrza. Przeciwnie, mogą wręcz zmniejszyć zawirowania wokół nadwozia. Mogą także kierować powietrze np. na zaciski hamulcowe, chroniąc hamulce przed przegrzaniem i wydłużając ich żywotność.

Pod tym względem, mistrzem jest wspomniany już zespół fabryczny Ducati. Co roku przygotowuje nowe smaczki aerodynamiczne, jak np. wloty kierujące powietrze na tylne koło, by chłodzić hamulec. Konkurenci zarzucają Włochom igranie z regulaminem, bo rzekomo to rozwiązanie chłodzi także tylną oponę i wywiera na nią siłę docisku. Podobnie postąpiła także Honda! 

Aerodynamika to nowa moc! 

ODPOWIEDNIO SKIEROWANE POWIETRZE
chłodzi np. hamulce, opony czy silnik, co podnosi ich wytrzymałość w ekstremalnych warunkach.

O tym, jak ważnym i skomplikowanym zagadnieniem jest aerodynamika, niech świadczą właśnie ostatnie zmagania konstruktorów MotoGP. Od kilku sezonów nie mówi się o tym, kto ile mocy wycisnął z silnika, tylko jakie nowinki aerodynamiczne zastosował. Wziąwszy pod uwagę, że chcąc zwiększyć prędkość o 1% potrzebny jest wzrost mocy o 3%, a siły hamujące motocykl są sześciokrotnie większe przy 200 km/h, niż przy 50 km/h, preferencje konstruktorów wydają się naturalne.

Dopracowanie aerodynamiki poprawia bowiem nie tylko prędkość maksymalną, ale także prowadzenie, zmniejsza spalanie, a także może wydłużyć żywotność klocków hamulcowych czy opon. 

Nie jest to temat łatwy. Udało mi się jedynie opowiedzieć o motocyklach sportowych. Domyślacie się zatem, że w kolejnym wydaniu pod lupą będzie aerodynamika motocykli turystycznych i miejskich, która wpływa nie tylko na osiągi i spalanie, ale i na komfort.