Otomotiv endüstrisinin ilk yıllarında araba ata ihtiyaç duymayan bir vagondan ibaretti. İlk arabalar aerodinamik, ağırlık merkezi ya da şu an normal karşıladığımız birçok güvenlik donanımı olmaksızın, daha da doğrusu bunlar düşünülmeksizin üretiliyordu. İlk otomobillerden bu yana 100 yıldan daha fazla süre geçti. Bu süreçte mühendisler otomobilleri daha hızlı hale getirdiler, birçok parçasını geliştirdiler, daha dayanıklı daha güvenli daha güçlü ve daha hafif araçlar üretmeyi başardılar.
1909 yılında Henry Ford ilk aracını, T Modeli, satmıştı ve T modeli sadece 22 beygirlik güce sahipti. Aradan yaklaşık 100 yıl geçti ve şu an 220 beygir gücündeki araçları günlük işlerimiz için bile kullanır hale geldik. Daha da ileri gidersek günümüzde araç üreticileri değil 200, 1200 beygir gücünde bile araç üretmektedir. Beygirgücündeki artış araçlardaki tek değişim noktası değildir. Artık daha alınabilir, daha pratik, günlük kullanıma daha uygun araçlar kullanmaktayız. Günümüzde otomotiv endüstrisinin gelişimine baktığımızda ise daha ucuz, daha hafif, daha güvenli ve daha çok sürüş zevki veren araçların üretilmesi üzerine çalışmalar yapıldığını görürüz.
Otomobillerin gelişimine kısaca baktıktan sonra asıl konumuz olan ‘Temel Araç Dinamikleri’ne başlayalım.
PERFORMANS
Hız: Otomobil performansı denilince akla ilk olarak hız gelmektedir. Peki bir aracın hızlı olmasını sağlayan ya da hızlı olmasını engelleyen faktörler nelerdir?
Araçların hızlarını etkileyen en önemli iki parametre beygirgücü ve aerodinamik sürükleme kuvvetidir. Üreticiler daha hızlı araç yapmak için daha büyük motorlar, daha güçlü motorlar kullanıyorlar ancak aerodinamik kuvvetleri düşürmeleri bu kadar kolay olmuyor. Bunun sebebi aerodinamik kuvvetin hızın karesiyle artış göstermesidir. Bu yüzden de süper spor araçların bile yapacağı maksimum hızlar 400 km/saat civarında olmaktadır.
Bunların yanında araç hızını etkileyen diğer bir faktör olarak Motor Konumu sayılabilir.
Sürükleme Kuvveti: Sürükleme Kuvveti=0.5xSürükleme KatsayısıxHavanın YoğunluğuxAracın Projeksiyon AlanıxHız^2 ‘dir.
Formülünü bildiğimiz aerodinamik sürükleme kuvvetinde tasarımcıların asıl ilgilendiği değişken ‘sürükleme kuvveti’dir. Havanın yoğunluğu ve hız parametreleri tasarımcılardan bağımsız değişkenlerdir.
Tasarımcıları ilgilendiren diğer bir nokta, formülde bulunan, aracın projeksiyon alanıdır. Bu iki parametre ne kadar düşük olursa aracın aerodinamik sürükleme kuvvetini diğer bir deyişle hava direncini yenmesine harcayacağı güç o kadar az olacaktır.
Sürükleme katsayısını düşürmek için genellikle araçta bulunan köşelere radyuslar verilir, yüzey geçişlerinin daha yumuşak olması sağlanır vb. Böylece sürükleme katsayısı azaltılmış olunur.
Geçmişten günümüze doğru gelindikçe araçlarda sürükleme katsayısı düşmüş (0.5-0.6’dan 0.25’lere) araç projeksiyon alanı ise artış göstermiştir. Ancak iki değerin çarpımı sürekli olarak azalmıştır. Şu an 2.5-2.6 m^2 değerlerindedirler.
Beygirgücü: Beygirgücü motorun araca birim zamanda verebildiği kuvvet veya enerjidir. Birimi Joule/s veya Watt veyahut Beygirgücüdür. Güç=Kuvvet*Hız olduğundan motor gücü araçların maksimum hızını belirlemede etkili olmaktadır.
Motor Konumu: Otomobillerde motor önde, arkada veya ortada olabilmektedir. Motorun ortada olması en iyi motor konumu olarak tabir edilir. Bunun sebebi araç kütlesinin önemli bir kısmını oluşturan motorun ağırlık merkezine çok yakın olmasıdır/ağırlık merkezinde olmasıdır. Ağırlık merkezinin tam ortada olması ise aracın savrulmasını, yol tutuş kabiliyetini, lastik ömrünü vb. birçok parametreyi etkilemektedir; ve tabiki araç hızını da. Şöyle ki sürüş esnasından birçok farklı kuvvet araca etki etmektedir. Kuvvetlerin etkisi incelenirken ise ağırlık merkezine göre moment alma işlemleri yapıldığından aracın ağırlık merkezinin tam ortada olması iki farklı dingilden gelen kuvvetlerin birbirini dengelemesini sağlamaktadır. Böylece daha konforlu, daha güvenli sürüş sağlandığından yüksek hızlara çıkmak da mümkün olmaktadır.
EKONOMİ
Günümüzde araç üreticileri daha ucuz ve daha alınabilir araçlar üretmek için uğraşlar vermektedir. (Bir de emisyon başta olmak üzere birtakım standartları sağlama meselesi var.) Aracı ucuzlatmanın en iyi yolu ise daha küçük araç yapmaktır, bunun yolu ise daha küçük motorlar kullanmaktan geçiyor, iki şartla: performans aynı kalacak, konfor ise artacak. Üreticilerin bu uğraşını karşılamak için diğer yollar ise şöyledir: motor verimini arttırmak, taşıt gövdesini iyileştirmek, araca etkiyen kuvvetleri azaltmak, son olarak ise araç ağırlığını azaltamak.
Motor Verimi: Motorların yapımında birçok farklı malzeme kullanılmaktadır. Ancak malzemelerden istenen temel özellikler bellidir; daha hafif olacak, daha az sürtünme sağlayacak vd.
Motorlarda daha hafif malzeme kullanımı hem toplam kütleyi azaltacak hem de motorun kendi ataletini yenmesi için harcayacağı kuvveti azaltacaktır. Böylece enerjiden tasarruf edilerek motor verimi arttırılmış olacaktır.
Sürtünmenin düşürülmesi ise bir diğer önemli konudur. Motor enerjisinin %10’unun sürtünmeye gittiği düşünülürse durum daha iyi anlaşılacaktır. Üreticiler sürtünmeyi azaltmak için özel kaplanmış pistonlar ve silindirler kullanmaktadır. Ayrıca düşük viskoziteli sentetik yağlar kullanılarak sürtünme de önemli düşüşler görülmektedir.
Ağırlık: Kuvvet=Kütle*İvme’dir. Newton’un ikinci hareket kanununu ifade eden bu formül kuvvetin engelinin kütle olduğunu yani kuvvetin harekete dönüşmesindeki direncin kütle olduğunu ifade etmektedir. Kütlenin azaltılması aynı kuvvet ile daha yüksek ivmelerin elde edilmesine veyahut daha az kuvvetle (güçle) aynı ivmenin elde edilmesine imkan tanımaktadır.
Bu sebeplerden dolayı daha hafif araç yapılması düşük güçlü motorlarla aynı performansın alınmasını sağlayacaktır.
SONUÇ
İlk yıllarda tasarlanan araçlarda birçok fizik kuralı dikkate alınmazken günümüze doğru gelindiğinde otomotiv mühendislerinin birçok sorunun üstesinden geldiğini, fizik kurallarını daha çok kullandığını görmekteyiz. Düşük sürükleme kuvvetine sahip, beygirgücü fazla olan, güvenli ve yüksek ivmeli araçlar günümüze kadar kaydedilen gelişmelerin ürünüdür.
Üreticiler burada bahsedilen temel konular üzerinde yoğunlaşırken aynı zamanda diğer standartları da sağlamaya çalışmaktadır. İlgili konular üzerinde hala istenilen noktalara gelinemediğinden yakın gelecekte de bu konuların gündemde olacağı aşikardır.
Yararlanılan Kaynaklar:
- Physics for Scientists and Engineers, 3rd Edition, Serway, Raymond.