Aerodinamik bilimi otomobil tasarımı ile nasıl birleştirildi? Günümüzde araç tasarımı hakkında konuşulduğunda şüphesiz akla ilk gelen aracın estetik açıdan şekillendirilmesidir. Fakat detaya inildiğinde günümüzdeki arka plandaki gerçek bizlere aerodinamik paremetreler olmadan aracın başarılı bir şekilde geliştirilemeyeceğini gösterir. Otomobil sektörünün ileri gelen firmalarının AR-GE çalışmaları sırasında aerodinamiğe verdikleri önem her biri milyonlarca Avro’ya mal olan ileri teknoloji ürünü rüzgar tünellerinde görülebilir. Peki aerodinamik kavramı bir otomobilin geliştirilmesi esnasında neden önemlidir? Havanın kuvvetsel eğilimlerini inceleyen bu bilim dalını daha iyi kavrayabilmek için tarihsel geçmişe bakmak yararlı olacaktır.
Aerodinamik Nedir?
Araç aerodinamiğine yoğunlaşan ilk mühendisler, zamanın büyük ve kaba yapılı otomobillerini temel alarak çalışmalarını sürdürmekteydiler. Amaçları bu motorlu taşıtların formlarının hava direncini göz önünde bulundurarak iyileştirmek ya da bu formlara alternatif tasarımları entegre etmekti. Otomobil aerodinamik bilimi, motorlu araçlar tarihinde sahneye oldukça geç çıkmış ve Avrupa’da 19. yüzyılın sonlarında başlayan otomobil sektörüne ancak 1920li yıllarda girebilmiştir. Buradan anlaşılmaktadır ki, zamanın mühendisleri yaklaşık 25 sene boyunca günümüz aerodinamik araç tanımına zıt konseptler üzerine çalışmışlardır. Bu süreç ayrıca otomobil endüstrisi için deneme ve kendine yer edinme süreci olarak da tanımlanabilir. Bu nedenle o dönemin tasarımcı ve mühendislerini bu konuda suçlamak pek mantığa sığmasa da bu tarz tartışmalar günümüzde dahi devam etmektedir.
İlk aerodinamik yapılı araçlar sadece konsept çalışma olarak hazırlanmakta ve piyasaya sürülmemekteydi. Yaşanan dünya savaşları sonrası kabuk değiştiren otomobil sektörü, 1950li yıllarda iç mekan konsepti kavramını da bünyesine katarak ergonomi ile sürücü ve yolcu rahatlığı gibi noktaları da göz önünde bulundurmaya başlamıştır. İlk akışkan formlu araç deneylerinde seçilen silüetten ötürü motorun arkada olduğu gözlemlenmektedir. Fakat buradaki esas sorunun olası bir kaza anında ön sıradakiler için yeterli güvenlik mesafesinin olmadığı ilk bakışta anlaşılabilir. Bu sebepten ötürü ilk akla gelen bu fikir derhal değiştirilmiş ve bugünkü standart olarak tanımlanan önden motorlu sistem benimsenmiştir.
I. Dünya Savaşı sonrası ‘yüksek hız’ kavramının moda olmasıyla ve daha yüksek performansa sahip motorların da üretilmesiyle motorların giderek aracın yarı boyutuna ulaştığı gözlemlenmiştir. Böylece tasarım bağlamında iki veya üç parçalı karoser konseptleri benimsenmeye başlanmıştır. Buradan çıkarılacak sonuç, araç tasarımındaki dış form için en yüksek mertebedeki belirleyici etkenin içten yanmalı motor olduğu kabul edildiğidir ve bu düşüncenin bugüne kadar da birincil etken olarak devam ettiği gözlemlenebilir.
Tasarımın ana maddeleri üç ana başlıkta özetlenebilir:
- Tasarım teknolojiyi şekillendirir. Bu sırada işlevsel, ergonomik ve estetik kriterler göz önünde bulundurulmalıdır.
- Tasarım markayı aydınlatır. Teknoloji, tasarruf, güvenlik, konfor ve prestij gibi kavramlar ile bütünleşmelidir.
- Tasarım duyguları harekete geçirmelidir.
Bu üç ana başlığın birleşimi ile ortaya çıkan araç konseptleri aerodinamik uzmanlarının konuyu detaylandırmaları ile zenginleşir. Tasarımcıların kullandığı formlar günümüzde deneysel ve sayısal yöntemler ile hava direncine uygunluk bakımından analiz edilmektedir.
Peki yapılan bu aerodinamik analizlerin kökeni nelere dayanmaktadır? İlk otomobil aerodinamikçileri hangi çalışmalara imza atmışlardır? Bu soruların cevaplarını bulmak için tarihe göz atılması gerekir.
I.Dünya Savaşı sonrası Alman İmparatorluğu’nun imzaladığı Versay Antlaşması (28 Haziran 1919) ile Almanlar kendi toprakları üzerindeki havacılık araştırmalarını resmen durdurmuş ve önemli araştırma merkezleri ise müttefik kuvvetler tarafından imha edilmiştir. Bu şekilde Almanlar’ın savaş sonrası harp sanayisine ve özellikle havacılık sekörüne yatırım yapmamalarının yanı sıra silahlı kuvvetlerinin de kontrol altına alınarak sistematik şekilde zayıflatılması ön görülmüştür. Savaş döneminde havacılık sektöründe faaliyet gösteren tasarımcı ve mühendisler böylece kendilerine yeni iş alanları aramaya başlamıştır. Havacılık sektörünün bozguna uğraması ile kara araçları sanayiine büyük yatırımlar yapılmış ve bu yatırımların önünü açanlar ise dönemin yerel zengin girişimcileri olmuştur. Kara araçları sektörü başta Almanya olmak üzere hemen hemen tüm batı Avrupa’da yeni ekmek kapısı olarak görülmüştür. Havacılık sektöründeki işlerini kaybeden bu mühendis ve tasarımcılar kendilerini otomobil sanayiinin içinde bularak savaş döneminde havacılıkta kullandıkları bilgilerini kara araçlarına uygulamaya çalışmışlardır. Bu konudaki en büyük ilham kaynakları ise uçaklardaki kanat profilidir ve bu fikir aracın sürüklenme katsayısı ile yakıt tasarrufunu düşürmek amacıyla kullanılmak istenmiştir.
‘Damla formu‘ olarak da adlandırılan profiller dönemin yeni otomobil konseptlerinde kullanılmış ve halk arasında oldukça beğeni toplamıştır. Böylesine iddiali bir harekette bulunulmasının diğer bir nedeninin ise, savaş sonrası toplumda gözlemlenen sosyal buhrandan ötürü bilimde radikal atılımlarda bulunulmak istenmesi olduğu iddia edilebilir.
Aerodinamik formların ön planda olmasının diğer nedenlerinin ise o dönemki ‘streamline‘ modası ve sac imalat teknolojileridir. Akışkan form modası sadece otomobillerde değil, demiryolu, uçak, gemi ve hatta ev eşyalarında dahi kullanılmaya başlanmıştır. İmalat cephesinde ise sac bükme makinalarının tasarlanıp kullanıma sunulması sayesinde metallere üç boyutlu bombeli şekiller verilebilmekte ve bu şekiller araç şasilerine kolayca entegre edilebilmektedir.
İlk deneyler tekne, torpido ve hava gemisi (zeplin) formları üzerinde yapılmıştır. Bu konudaki tasarımların çoğu teoride kalmış ve estetik yoksunluğu nedeniyle ciddi anlamda geliştirilememiştir.
Yer üzerinde hareket halinde olan motorlu araçlar hava akışkanı ile çevrilidir. Bu hareket esnasında olumlu veya olumusuz etkenler yaratabilecek dinamik kuvvetler meydana gelir. Aerodinamik bilimi ile otomobil sektörü bazında bu kuvvetlerin olumlu yönleri kullanılmaya çalışılır.
Ana gövde için en önemli detay direnç eğilimidir ve aracın hızı belirli bir ölçekte bu dirence bağlıdır. Amaçlanan ise mümkün olabilecek en alt seviyedeki bir direnç seviyesidir. Hava basıncı belirli bir kuvvetle cismin burun kısmına etki eder ve yavaşlatmaya başlar. Burun kısmının hemen arkasındaki en büyük çapın bulunduğu ‘ana kaburga’ mevkisine kadar basınç düşer ve bu durum kendini hızlanma olarak gösterir. Ana kaburgadan uzaklaşıldıktan sonra basınç yükselerek arkaya doğru devam eder. Kuyruk bölümünde ise basınç tekrar yükselir. Basınçta gözlemlenen bu iniş-çıkış eğilimi yüzey üzerinde hızlanma ve yavaşlama efekti yaratır. Bu etkileşim havanın sürtünmesi ile bağlantılı olmasından ötürü özellikle cismin kuyruk kısmı çeşitli geometrilerle şekillendirilerek uygun enerji dağılımı sağlanabilir.
İyi bir aerodinamik özellik için sadece ana kaburga değil, cismin uzunluk oranları da önemli bir rol oynar. Mermi ve damla formu incelendiğinde, damla formun sivri arka yapısından ötürü cismin altlı üstlü bastırılarak daha fazla bir hıza kavuşturulduğu gözlemlenebilir.
Rumpler (1921)
Rumpler damla formundan yola çıkarak arkadan motorlu bir şasinin üzerine bombeli bir karoser imal etmiştir. Açıkça belli olan detay ise tekerleklerin açıkta durmasıdır. Bu sebeple öncen gelen akım tamamıyla laminar halde (düz akım) arkaya iletilememekte ve araç üzerindeki direnç yükselmektedir. Tekerleklerin gövdeden çıkartılmasıyla yapılan deneylerde % 50’lik bir direnç azalması gözlemlenmiştir.
Jaray (1921)
Jaray akışkan formlu otomobillerin atası olarak bilinir. I. Dünya Savaşı döneminde hava gemisi (zeplin) tasarımında çalıştığından ötürü damla formu üzerinde çok kafa yormuş ve simetrik damla formunu ikiye ayırarak bu şeklin otomobil karoserine uyarlanmasını ön görmüştür. Arkaya doğru uzanan kuyruğumsu çıkıntı ile araç arkasındaki farklı yönlere dağılan akım önlenmeye çalışılmıştır. Esas amaç, önden arkaya doğru gelen hava akımının mümkün olduğunca araç yüzeyinde tutunarak olası türbülans akımını engellemek ya da en aza indirgemektir. Bu tarz karoserlerdeki en büyük deyavantaj ise oran dengesi bakımınan uzunluk-genişlik-yükseklik parametrelerinin tam olarak düzgün belirlenmemesidir. Bu nedenle gövdenin ana kaburgası başlangıç parametresi olarak düşünülmüş ve bu noktadaki yükseklik ile aracın bu noktadan itibaren arkaya doğru uzantısı ‘uzama oranı’ olarak belirlenmiştir. Farklı uzama oranları ile dönemin teknolojisi ile donatılan rüzgar tünelleri ile deneyler yapılarak sürüklenme katsayıları arasındaki farklar analiz edilmeye çalışılmıştır.
Persu (1922)
Persu damla formunu ikiye bölüp bu formu başta hiç bozmadan içine farklı uzunluktaki ön ve arka aksların bulunduğu taşıyıcılar entegre etmeye çalışmıştır. Arkaya doğru sivrilen detay olduğu gibi bırakıldığında arka aksın ister istemez kısaldığı görülmektedir. Prototip çalışmalarında damla formunda oynamalar yapılmış ve yeterli maddi imkana sahip olmadığı için aracın dış görünüşü hem estetik hem de aerodinamik açıdan yetersiz kalınmıştır.
Lay (1933)
Lay’in ilk çalışması sabit hava akımına karşı dik duran bir meteal parçası yüzeyi ile zeplin gövdesi arasındaki akım dağılımını incelemek olmuştur. Önceleri dörtgen prizma şeklindeki araç formları ile çalışmaya başlamış ve gözlemlediği hava akımı dağılımları ile bu dik kenarlı prizmaya kademeli olarak bombeli hatlar kazandırmıştır. O dönemki köşeli hatlara sahip lüks araçların sürüklenme katsayısının bu tarz yuvarlama işlemlerinden sonra bu değerin yaklaşık % 50 azaldığı gözlemlenmiştir. Bu deneyle Lay, aracın alın yüzeyindeki kenarların yuvarlanması ve durgunluk noktasının bombeli bir şekilde tasarlanmasının büyük avantajlar sunabileceğini kanıtlamıştır. Ayrıca başka bir iddası ise, aracın arkası ne kadar damla formu ile orantılı olursa olsun ön yüzeylerin gerekli forma sahip olmadan gerekli düz akımın elde edilemeyeceğidir.
Reid (1935)
Reid’in esas amacı ideal zeplin formundan yola çıkılarak bu şeklin standart otomobil şasisine uygulanmasıdır. Teorisine göre, eğer bir binek aracı için en düşük sürüklenme katsayısı düşünülüyor ise ana kaburganın araç arkasından çok araç önüne yakın olması gerektiğidir. Söz edilen durum en çok arkadan motorlu araç tipine uygundur. Bu nedenle Reid deneylerinde genellikle bu tarz otomobil modelleri kullanmıştır. İç mekan konseptinin öne itilmesi ise araç gövdesinin sağlıklı bir uzama oranına uyarlanası ile de orantılıdır. Tasarladığı modeller farklı tekerlek varyasyonları ile de test edilerek, açık versiyonda tekerleklerin maruz kaldığı hava direncinin % 60, gizlenmiş versiyonda ise % 33 olduğu gözlemlenmiştir.
Kamm (1935)
Akışkan formlu otomobiller geliştirilmeye devam edilirken bir yandan da üretime geçilerek halka satışa sunulmuştur. Halktan gelen olumsuz yorumların başında otomobillerin uzunluğu ve bu nedenle trafikte karşılaşılan park etme ve manevra gibi sorunlar da beraberinde gelmekteydi. Kullanıcı kitlesinden gelen bu şikayetlerde yola çıkılarak araçların boyutlarında oynamaya yönelik stratejiler geliştirilmeliydi.
1920 senesinde uçak üreticisi Dornier’in almış olduğu patent bu çalışmalara ilham kaynağı olmuştur. Esas amaç, uçak kanadının arkasını dikine keserek ve kanat içindeki arka taşayıcının yüksekliğinde bir yüzey elde ederek alttan ve üstten gelen hava akımının arkada birleşip ilave ivme etkisi yaratmasıdır. Kamm ise bu düşünceyi geliştirerek dikine kesilen bu noktanın hacanın akım gücü ile orantılı olduğunu ve kesik noktanın laminar akımın bozulmaya başlayacağı noktada kullanılması gerektiğini iddia etmektedir. Böylece hem aracın boyu kısalacak, teorik olarak dört taraftan gelecek hava akımı tek bir yüzeyde birleşecek ve doğal yollarla araca ilave ivme kuvveti enjekte edilecektir. Bu strateji ‘tek fikirle iki farklı çözüm’ planı olarak hayata geçirilerek üretilen araçlara uyarlanır. Günümüzde kullanılan benzer tasarıma sahip araçların şekli bu fikirden yola çıkılarak tasarlanmıştır.
FKFS (1936)
Kamm’ın da bir üyesi olduğu FKFS kurumu (Binek Araçları Teknolojileri ve Araç Motorları Araştırma Enstitüsü, Stuttgart), Lay gibi köşeli ve sonradan yuvarlanmış prizma benzeri gövdeler ile araştırmalara başlamıştır. Kurum tarafından iddia edilen teoriye göre, araç ne kadar uzun ise doğal olarak uzama oranı da o kadar yükselecek ve hava sürüklenme katsayısı da bir o kadar azalacaktır. Jaray ve Kamm’ın fikirlerinin harmanlanması ile yapılan deneylerde ideal bir binek otomobilinin uzama oranı tesbit edilir ve kurumca tasarlanan araca ait bu parametrenin de belirlenen oranda olmasına özen gösterilir. Aracın arka uzunluğundan memnun kalmayan FKFS mühendisleri tarafından Kamm’ın fikri entegre edilerek, yani dikine kesilmiş arka yüzey stratejisi uygulanarak, sürüklenme katsayısının azaldığı gözlemlenir. Burada fark edilen başka bir detay ise, aracın kesik yüzeyi ne kadar büyük olursa bir o kadar fazla ilave ivme kazanmasıdır. Ortaya çıkan diğer bir sonuç ise, giderek kısalan bir aracın optimal denge seviyesinde önemli bir kütlesel kuvvet kaybının meydana gelmesidir.
Schlör (1938)
Alman Havacılık ve Uzay Merkezi DLR’in eski adı olan Aerodinamik Deneyler Kurumu (AVA) bünyesinde çalışan Schlör, kurumun kendi geliştirdiği uçak kanadı profilinden yola çıkarak tek hacimli bir otomobil geliştirmeye çalışmıştır. Buradaki en belirgin özellik iç mekanın mümkün olduğunca dikdörtgen prizma benzeri hacme sahip olması düşünülerek mümkün olabilecek en büyük iç hacmin elde edilmesi amaçlanmıştır. Diklemesine duran kaburga hatları simetrik damla formundan esinlenerek tasarlanmıştır. Schlör’ün deneylerinde en çok üzerinde durduğu konu ise zemin mesafesidir. Zemin mesafesinin aracın sürüklenme katsayısı ile doğru orantılı olduğu üzerinde durmaktadır. Yapmış olduğu deneylerde farklı mesafeleri göz önünde bulundurarak ileriki çalışmalarda bu parametrenin de dikkate alınması gerektiğini ifade etmiştir.
Otomobil aerodinamiği tarihçesine göz atıldığında, 20. yüzyılın başlarında zamanın şartlarına göre oldukça keskin kararlar alındığı söylenebilir. Aerodinamik çalışmaların bugünkü durumu geçen yüzyıldan oldukça uzaktır; fakat bahsi geçen bilim insanlarının yapmış olduğu deneyler sayesinde bugün otomobil gövdesinde yapılan modifikasyonların hangi kriterlere bağlı olduğu daha rahat anlaşılabilmiştir. Enerji tasarrufunun ön planda olduğu 21. yüzyıl teknoloji dünyasında binek araçlarının sürüklenme katsayısının mümkün olduğunca düşürülerek yakıt tasarrufunun da ön planda tutulması otomobil sektörünün aerodinamik çalışmalara vereceği önemle doğru orantılıdır.
Kaynak:
Öngüner, E., Aerodynamische Formgebung eines Personenkraftwagens unter Berücksichtigung des Masskonzepts, Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Uni-Stuttgart, 2009