افزایش ۲۰ درصدی بهره‌وری سوخت: چگونه حرکت در سایه آیرودینامیکی، مقاومت هوا را برای خودروهای پشتی کاهش می‌دهد

در اوایل سال ۲۰۲۱، مهندسان دینامیک سیالات محاسباتی که در حال مدل‌سازی کاروان‌های خودروهای خودران بودند، یک نقص دور از انتظار را در آیرودینامیک بزرگراه‌ها ثبت کردند: خودروهای سواری که بیش از حد به خودروی جلویی نزدیک می‌شوند، در واقع سوخت بیشتری نسبت به زمانی که به تنهایی رانندگی می‌کنند، می‌سوزانند. نسل‌ها از مسافران جاده‌ای و رانندگان مقتصد با این فرض رانندگی می‌کردند که پناه گرفتن پشت یک تریلی یا شاسی‌بلند بزرگ - روشی که به عنوان حرکت در سایه آیرودینامیکی (slipstreaming) شناخته می‌شود - همیشه مقاومت باد را کاهش داده و در مصرف بنزین صرفه‌جویی می‌کند. اما داده‌های سال ۲۰۲۱ ثابت کرد که اگرچه یک خودروی پشتی می‌تواند در یک شکاف هوایی مناسب به افزایش ۲۰ درصدی بهره‌وری دست یابد، اما اشتباه در تخمین فاصله، خودرو را در یک منطقه متلاطم گرفتار می‌کند که به شدت به ضرر مصرف سوخت تمام می‌شود. برای راننده‌ای که سعی دارد با یک باک بنزین مسیر طولانی‌تری را طی کند، درک اینکه این شکاف آیرودینامیکی از کجا شروع و به کجا ختم می‌شود، تعیین می‌کند که آیا او در حال پس‌انداز پول است یا صرفاً با چسبیدن به خودروی جلویی، خودش را جریمه می‌کند.[5][7]

فیزیک حرکت در سایه آیرودینامیکی تعیین می‌کند که هر خودرو چگونه در اتمسفر حرکت کند. در سرعت‌های بزرگراهیِ ۷۰ مایل در ساعت، مقاومت آیرودینامیکی بخش عمده‌ای از مصرف سوخت خودرو را به خود اختصاص می‌دهد و تأثیر آن بسیار بیشتر از مقاومت غلتشی لاستیک‌ها یا اصطکاک سیستم انتقال قدرت است. وقتی خودروی پیشرو هوا را می‌شکافد، یک منطقه پرفشار روی سپر جلوی خود ایجاد کرده و یک ردِ کم‌فشار و متلاطم در پشت سرش به جا می‌گذارد. برای راننده یک سدان یا شاسی‌بلند که در پشت سر حرکت می‌کند، ورود به این ردِ کم‌فشار به این معناست که موتور خودرویش برای غلبه بر دیوار فیزیکی هوا نیازی به کار سخت ندارد. در واقع، خودروی پشتی توسط خلأ ایجاد شده توسط خودروی جلویی به سمت جلو کشیده می‌شود.[3][6]

شورای کارایی حمل و نقل بار آمریکای شمالی (NACFE) این مکانیسم دقیق را در طول آزمایش‌های پیست در سال ۲۰۱۴ اندازه‌گیری کرد. هنگامی که دو تریلی کلاس ۸ به صورت الکترونیکی به هم متصل شدند تا فاصله دقیق ۴۰ تا ۵۰ فوتی را در سرعت ۶۵ مایل در ساعت حفظ کنند، کامیون پشتی شاهد کاهش ۱۰ درصدی در مصرف سوخت بود. پژوهشگران NACFE در گزارش اطمینان خود نتیجه گرفتند: «بدون شک، حرکت کاروانی کامیون‌ها یک روش معتبر برای کاهش مصرف سوخت تریلی‌هایی است که در مسیرهای طولانی فعالیت می‌کنند.» برای مدیران ناوگان‌های حمل‌ونقل که هفته‌ای هزاران مایل را مدیریت می‌کنند، کاهش ۱۰ درصدی هزینه‌های گازوئیل، سودآوری یک مسیر را از اساس تغییر می‌دهد.[4]

جالب اینجاست که مزایای آیرودینامیکی این روش تنها به خودروی پشتی محدود نمی‌شود. آزمایش‌های NACFE نشان داد که کامیون پیشرو نیز تنها با داشتن یک کامیون در پشت سر خود، ۴ درصد افزایش بهره‌وری به دست می‌آورد. در علم دینامیک سیالات، موج پرفشارِ جلوی خودروی پشتی در واقع خلأ کم‌فشاری را که به تریلر کامیون پیشرو فشار می‌آورد، پر می‌کند. با هموار کردن هوای متلاطمی که از درهای عقب جدا می‌شود، خودروی پشتی، پیشرو را به جلو هل داده و مقاومت آیرودینامیکی کل کاروان را کاهش می‌دهد.[4][6]

اما برای رانندگان روزمره که فاقد فناوری حرکت کاروانی خودکار هستند، دنبال کردن این مزایا خطرات جانی و مالی شدیدی به همراه دارد. یک مطالعه در سال ۲۰۲۰ که در مجله تحقیقات پیشرفته در مکانیک سیالات و علوم حرارتی منتشر شد، فواصل دقیق مورد نیاز برای بهره‌مندی خودروهای سواری از این روش را تجزیه و تحلیل کرد. محققان دریافتند که حرکت در سایه آیرودینامیکی در فواصل بسیار کوتاه بسیار مفید است، اما آن‌ها همچنین یک «حباب مقاومت» خطرناک را شناسایی کردند. مهندسان خاطرنشان کردند: «در فواصل بین خودرویی از حدود x/L = ۰.۲۵ تا x/L = ۱.۵، تمام خودروهای پشتی افزایش قابل‌توجهی در مقاومت هوا را تجربه می‌کنند.» این یعنی خودرویی که در فاصله نیم‌طول یک ماشین حرکت می‌کند، با مقاومت باد بیشتری نسبت به خودرویی که در هوای آزاد می‌راند، دست و پنجه نرم می‌کند.[6]

در داخل این حباب مقاومت، جریان هوای راکد و متلاطمی که از سقف خودروی پیشرو پایین می‌آید، مستقیماً به شیشه جلو و جلوپنجره خودروی پشتی برخورد می‌کند. راننده‌ای که در فاصله ۸۰ فوتی پشت یک تریلی حرکت می‌کند ممکن است ۱۵ درصد صرفه‌جویی در سوخت داشته باشد، اما نزدیک شدن تا فاصله ۱۵ فوتی می‌تواند این سود را کاملاً از بین ببرد و در عین حال دید راننده را نسبت به خطرات جاده کور کند. برای خانواده‌ای که در یک سفر جاده‌ای هستند، این محاسبات مالی فوراً رنگ می‌بازد: چند دلار صرفه‌جویی با چسبیدن به سپر یک تریلی، هرگز نمی‌تواند هزینه‌های فرانشیز بیمه و خسارت ناشی از تصادف از عقب به دلیل ترمز ناگهانی را جبران کند.[3][6]

برای مسافران جاده‌ای امروزی، این بدان معناست که مقرون‌به‌صرفه‌ترین استراتژی در بزرگراه، چسبیدن تهاجمی به خودروی جلویی نیست، بلکه حفظ یک فاصله قانونی و ثابت در پشت یک خودروی بزرگ‌تر است که با سرعت یکنواخت حرکت می‌کند. مزایای آیرودینامیکیِ ردِ عظیم یک تریلی در فاصله ۱۵۰ فوتی نیز همچنان وجود دارد و هوای متلاطم را برای خودروی پشتی هموار می‌کند، بدون اینکه حریم ایمنی استاندارد دو ثانیه‌ای به خطر بیفتد. با اجازه دادن به خودروی بزرگ‌تر برای شکافتن سنگین‌ترین مقاومت هوا، یک خودروی سواری همچنان می‌تواند افزایش قابل‌توجهی در مسافت طی شده به ازای هر گالن سوخت ثبت کند، در حالی که دید لازم برای دور زدن موانع جاده را نیز حفظ می‌کند.[1][3]

در حالی که خودروسازان به سمت رانندگی خودران سطح ۴ پیش می‌روند، ریسک‌های مالی حرکت در سایه آیرودینامیکی از رانندگان فردی به سیستم‌های نرم‌افزاری منتقل می‌شود. خودروهای متصل که می‌توانند قصد ترمزگیری را در کسری از ثانیه مخابره کنند، به زودی کاروان‌های فشرده و خودکاری را تشکیل خواهند داد که با عملکرد ایمن در داخل حباب مقاومت، آن افزایش ۲۰ درصدی بهره‌وری را محقق می‌کنند. تا زمانی که این سیستم‌ها به دست مصرف‌کنندگان برسند، رانندگان انسانی که سعی در استفاده از این روش دارند، در حال انجام یک بازی حدس‌زدن خطرناک با دینامیک سیالات هستند؛ جایی که ایمن‌ترین فاصله، همچنان منطقی‌ترین انتخاب اقتصادی باقی می‌ماند.[5][7]