อากาศพลศาสตร์ของรถแข่ง (Race Car Aerodynamics)

อากาศพลศาสตร์ของรถแข่ง (Race Car Aerodynamics)

ในปัจจุบันนี้ วงการมอเตอร์สปอร์ตในไทยพัฒนาไปมาก โดยเฉพาะช่วง 5 ปีให้หลังมานี้ ไม่ว่าจะเป็นการแข่งขันประเภท 2 ล้อหรือ 4 ล้อ แบบทางวิบากออฟโรดหรือแบบทางเรียบเซอร์กิต แบบอัดกันทางตรงอย่างเดียว (Drag) หรือแบบสาดโค้งเอาท้ายไปชิดกำแพง (Drift) โดยเฉพาะในการแข่งขันในรูปแบบเซอร์กิตนั้น ได้มีการจัดการแข่งขันในสนามต่างประเทศบ่อยครั้งขึ้น เช่น สนามเซปังอินเตอร์เนชั่นแนลเซอร์กิต (Sepang International Circuit) ประเทศมาเลเซีย ซึ่งเป็นสนามที่มีมาตรฐานระดับโลก ในขณะเดียวกันประเทศไทยเราก็ได้มีสนามแข่งขันเพิ่มขึ้นมาอีกหนึ่งสนาม คือ สนามโบนันซ่าสปีดเวย์ (Bonanza Speedway) จังหวัดนครราชสีมา และในไม่ช้านี้ก็จะมีสนามใหม่เพิ่มขึ้นมาอีกหนึ่งสนาม (อาจจะเป็นสนาม F3) จะสร้างขึ้นที่จังหวัดบุรีรัมย์ ถือเป็นเรื่องน่ายินดีที่มีคนเห็นความสำคัญของมอเตอร์สปอร์ต พยายามจะสนับสนุนและผลักดันเพื่อจะยกระดับขึ้นไปสู่มาตรฐานสากล

การแข่งขันรถยนต์ทางเรียบในรูปแบบเซอร์กิตนั้น ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง สังเกตได้จากจำนวนรถแข่งที่เพิ่มขึ้น อีกทั้งสมรรถนะของรถแข่งแต่ละคันก็เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกัน นอกเหนือจากการโมดิฟายเครื่องยนต์และช่วงล่างแล้ว อากาศพลศาสตร์ของรถก็เป็นสิ่งที่ละเลยไม่ได้ จะเห็นได้ว่าทีมรถแข่งในปัจจุบันให้ความสำคัญกับแอโรพาร์ท (Aero-parts) มากขึ้น

Frank Williams ผู้ก่อตั้ง, อดีตนักแข่ง F1 และอดีตผู้บริหารสูงสุดของทีม “WilliamF1” ซึ่งถือว่าเป็นทีมที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดทีมหนึ่งในวงการฟอร์มูล่าวัน เคยกล่าวไว้ว่า หลักอากาศพลศาสตร์ของรถแข่งมีความสำคัญมากถึง 25% ขององค์ประกอบทั้งหมดของรถแข่ง (เครื่องยนต์และเกียร์ = 25%, ช่วงล่างและยาง = 25%, ทักษะของนักแข่ง = 25%) อากาศพลศาสตร์จะมีความสำคัญมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความเร็วในการแข่งขันด้วย ยิ่งมีความเร็วมากเท่าไหร่ อากาศพลศาสตร์ก็จะมีความสำคัญมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น รถฟอร์มูล่าวัน มีความเร็วในการแข่งขันมาก (ความเร็วเฉลี่ยมากกว่า 200km/h) จึงต้องให้ความสำคัญกับแอโรพาร์ทมาก (ประมาณ 25%) แต่สำหรับรถแข่งรุ่น Production (เป็นรถเดิมจากโรงงาน ไม่อนุญาตให้มีการโมดิฟายเครื่องยนต์ ความเร็วเฉลี่ยต่อรอบไม่เกิน 150km/h) มีความเร็วไม่มากนัก จึงไม่จำเป็นต้องให้ความสำคัญกับแอโรพาร์ทมากนัก (ลดลงเหลือ 15%) แต่ไปให้ความสำคัญกับเครื่องยนต์และช่วงล่างแทน

Basic Fluid Mechanics
ในย่อหน้านี้ ผมจะขอสรุปหลักการไหลของอากาศอย่างย่อที่สุด ซึ่งอ้างอิงมาจากวิชา Fluid Mechanics และ Aerodynamics อยากให้ผู้อ่านทำความเข้าใจกับทฤษฎีการไหลของอากาศสักข้อสองข้อก่อน เพื่อที่จะได้เป็นพื้นฐานในการศึกษาต่อยอดเรื่องอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์ต่อไป

1. ความเร็วการไหลของอากาศและความดันอากาศ มีความสัมพันธ์กันอย่างมาก กล่าวคือ “ถ้าบริเวณนั้นมีอากาศไหลด้วยความเร็วสูง ความดันอากาศในบริเวณนั้นจะมีค่าน้อย” ในทางตรงกันข้าม “ถ้าบริเวณนั้นมีอากาศไหลด้วยความเร็วต่ำ ความดันอากาศบริเวณนั้นจะมีค่ามาก” ข้อนี้สำคัญมากนะครับ มีที่มาจากทฤษฎีบทของแบร์นุลลี (Bernoullis principle) ถ้าจะให้เห็นภาพก็ให้นึกถึง “แวคคัมเกจ” (Vacuum gauge) ที่ใช้วัดความดันท่อไอดีนั่นแหละครับ ตอนที่เราเร่งเครื่อง ลิ้นปีกผีเสื้อจะเปิดมากขึ้น อากาศจะไหลเข้าห้องเผาไหม้เร็วขึ้น ความดันจึงลดลง (เป็นแวคคัมมากขึ้น) คงจะพอนึกภาพออกนะครับ

2. “เมื่อใดที่อากาศมีความดันต่างกัน (บริเวณหนึ่งมีความดันสูง อีกบริเวณหนึ่งมีความดันต่ำ) จะทำให้เกิด แรง โดยแรงจะมีทิศทางจากบริเวณความดันสูงไปความดันต่ำ” อันนี้ให้นึกถึงปีกเครื่องบินเลยครับ ใต้ปีกเครื่องบินจะมีความดันสูงกว่าบนปีกเครื่องบิน ทำให้เกิดแรงที่มีทิศทางจากล่างขึ้นบน เรียกว่า “แรงยก” นั่นเอง

อากาศพลศาสตร์ของรถยนต์ (Automotive Aerodynamics)
จะเห็นได้ว่าอากาศพลศาสตร์เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของรถแข่ง ว่าแต่ อากาศพลศาสตร์นี่มันคืออะไรกัน? โดยสรุปแล้ว อากาศพลศาสตร์ คือการศึกษาแรงที่เกิดขึ้นกับวัตถุ (รถแข่ง) ที่กำลังเคลื่อนที่ผ่านอากาศ แรงดังกล่าวจะมีอยู่ 2 ชนิด คือ
1. แรงต้าน (Drag force) คือแรงที่ต้านการเคลื่อนที่ของรถอันเนื่องมาจากอากาศ รถที่มีพื้นที่ปะทะลมมากจะมีแรงต้านอากาศมาก เช่น รถตู้ รถบรรทุก แรงต้านมีผลโดยตรงกับอัตราเร่งและความเร็วสูงสุด
2. แรงกด (Down force) คือแรงที่กดรถลงกับพื้น แรงกดมากจะส่งผลให้รถมีแรงยึดเกาะมากขึ้น (More downforce, more traction) ทำให้สามารถเข้าโค้งได้เร็วมากขึ้น
**เมื่อใดที่รถสามารถสร้างแรงกดเพิ่มขึ้น แรงต้านอากาศก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย (จริงๆ แล้ว แรงที่เกิดขึ้นจะมีอยู่ 3 แรง ได้แก่ แรงต้าน, แรงกด และแรงด้านข้าง (Side force) แต่แรงด้านข้างจะไม่ขอกล่าวถึง เนื่องจากมีผลกระทบกับรถน้อยมาก)

ต่อไปเราจะมาศึกษาอากาศพลศาสตร์ของรถสปอร์ตสมรรถนะสูงจากแดนปลาดิบ เรียกได้ว่าเป็นสปอร์ตคาร์ระดับตำนานของค่าย Nissan เลยทีเดียว มีชื่อเล่นว่า “Godzilla” หรือชื่อจริงว่า Nissan GT-R R35 นั่นเอง จากภาพถ่ายการทดสอบในอุโมงค์ลมจะเห็นได้ชัดว่า เมื่ออากาศไหลมาปะทะกับ Bumper แล้ว อากาศจะแยกออกเป็นสองส่วน ส่วนแรกคืออากาศที่ไหลผ่านเหนือตัวรถขึ้นไป ส่วนที่สองคือส่วนที่ไหลผ่านใต้ท้องรถ

อากาศที่ปะทะกับรถจะถูกแบ่งเป็นสองโซน คือ โซนของอากาศที่มีความเร็วต่ำ (Low speed flow zone) คืออากาศที่ปะทะเข้ากับรถโดยตรง เช่น ปะทะกับกันชนหน้า ปะทะกับกระจกหน้า การที่อากาศปะทะกับส่วนต่างๆ เหล่านี้จะทำให้อากาศมีความเร็วลดลง ความดันอากาศจึงมากขึ้น โซนที่สองคือ โซนของอากาศที่มีความเร็วสูง (High speed flow zone) คืออากาศที่ไหลผ่านใต้ท้องรถ ไม่ได้มีการปะทะเข้ากับรถโดยตรง อากาศที่ไหลผ่านใต้ท้องรถจึงมีความเร็วสูง ความดันอากาศจะน้อยลง สรุปคือตอนนี้มีโซนการไหลของอากาศอยู่สองโซนคือ 1.โซนข้างบนรถ ลมความเร็วต่ำ ความดันอากาศจะสูง 2.โซนใต้ท้องรถ ลมความเร็วสูง ความดันอากาศต่ำ เมื่อความดันข้างบนรถมีค่ามากกว่าความดันข้างล่างรถ จะเกิดแรงที่กดรถลงกับพื้น เรียกแรงนี้ว่า “แรงกด” หรือ “Downforce” นั่นเอง แรงกดจะแปรผันตามความเร็วของรถ หมายความว่ายิ่งรถมีความเร็วมาก แรงกดก็จะมีมากตามไปด้วย (แรงกดแปรผันกับความเร็วยกกำลังสอง) โดยปกติแล้วรถบ้านส่วนใหญ่เมื่อขับด้วยความเร็วสูงแล้วจะไม่สามาถสร้างแรงกดได้ด้วยตัวมันเอง หมายความว่า มันจะสร้างแรงยกขึ้น

รูปภาพข้างล่างนี้ แสดงถึงความดันอากาศรอบรถ Nissan GTR ขณะวิ่งด้วยความเร็วคงที่ค่าหนึ่ง โซนสีแดงคือโซนความดันสูง โซนสีฟ้าคือโซนความดันต่ำ เมื่ออากาศปะทะเข้ากับ Bumper ที่บริเวณด้านหน้ารถ ทำให้อากาศไหลได้ช้าและมีความดันสูง ส่วนด้านท้ายรถนั้น การไหลของอากาศจะเป็นการไหลแบบลมหมุน (Vortex) ลมหมุนจะเคลื่อนที่แบบไร้ทิศทางและมีความเร็วสูง ความดันบริเวณนี้จึงมีค่าต่ำ ถ้าเปรียบเทียบความดันระหว่างด้านหน้าและด้านท้ายรถจะพบว่า ความดันด้านหน้ารถมีค่าสูงมาก (โซนสีแดง) เมื่อเปรียบเทียบกับด้านหลัง (โซนสีเขียว) ซึ่งจะทำให้เกิดแรงผลักรถไปข้างหลัง เรียกว่า “แรงต้าน” นั่นเอง ยิ่งความดันต่างกันมาก ก็จะเกิดแรงต้านอากาศมาก

จากรูป ถ้าเปรียบเทียบความดันอากาศระหว่างด้านบนและด้านใต้รถแล้วจะพบว่า ความดันต่างกันไม่มากนัก (โซนด้านบนและโซนด้านล่างมีสีใกล้เคียงกัน) นั่นหมายความว่า ที่ความเร็วนี้ Nissan GTR สามารถสร้างแรงกดได้ค่อนข้างน้อย จากข้อมูลการทดสอบในอุโมงค์ลม พบว่า Nissan GT-R R35 ที่ความเร็ว 200 km/h ล้อหน้าเกิดแรงยก 3 kg และล้อหลังเกิดแรงกด 8 kg[1]

ต่อไปจะเป็นการเปรียบเทียบแรงกดของรถยนต์ 4 รุ่น ที่ความเร็ว 200km/h รถที่สร้างแรงกดได้มากที่สุดคือ Lamborghini Murcielago LP 640 ซึ่งเป็นสปอร์ตคาร์สมรรถนะสูง แรงกดจะเพิ่มความเสถียรให้กับตัวรถในขณะขับด้วยความเร็วสูง สำหรับ Mini Cooper S เมื่อนำมาทดสอบแล้วพบว่า โดยรูปร่างของรถแล้ว (ยังไม่ได้ใส่แอโรพาร์ท) ไม่สามารถสร้างกดได้ แต่กลับสร้างแรงยก เหตุผลก็เพราะว่า Mini Cooper ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อการวิ่งที่ความเร็วสูง จึงไม่ได้คำนึงถึงแรงกดมากเท่าใดนัก แรงยกที่เกิดขึ้นจะทำให้น้ำหนักรถลดลง เครื่องยนต์จึงทำงานเบาลง (Engine load ลดลง) ส่งผลให้ประหยัดน้ำมันมากขึ้น แต่รถที่สร้างแรงยกก็มีข้อเสียเช่นกัน นั่นคือ เมื่อขับด้วยความเร็วสูงแล้ว ความสามารถในการยึดเกาะและการทรงตัวของรถจะแย่ลง

ถ้าเปรียบเทียบกันระหว่าง Lamborghini Murcielago กับ Mini Cooper แล้ว ก็เหมือนเปรียบเทียบ รถแข่งกับรถบ้าน วัตถุประสงค์ในการออกแบบรถแข่งนั้นก็คือสร้างแรงกดให้ได้มากที่สุด เพื่อให้รถสามารถทำความเร็วในโค้งให้ได้มากที่สุด แต่เมื่อใดที่มีแรงกดมาก แน่นอนว่าแรงต้านอากาศก็จะมากด้วยเช่นกัน แต่แรงต้านที่ว่านี้ ถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับกำลังมหาศาลของเครื่องยนต์รถแข่ง สรุปคือ รถแข่งต้องการแรงกดมาก ถึงแรงต้านมากก็ไม่เป็นไร เพราะเครื่องแรงอยู่แล้ว แต่สำหรับรถบ้านแล้ว วัตถุประสงค์ในการออกแบบก็คือลดแรงต้านอากาศให้ได้มากที่สุด เพื่อทำให้รถประหยัดเชื้อเพลิงมากที่สุด รถบ้านไม่ได้ต้องการแรงกดมากเท่าใดนัก เพราะไม่ได้เข้าโค้งด้วยความเร็วสูงแบบรถแข่ง

รถแข่งที่มีแอโรไดนามิคส์ที่ดี คือรถแข่งที่สามารถสร้างแรงกดได้มากแต่มีแรงต้านน้อย แรงทั้งสองแรงนี้มีผลกระทบโดยตรงกับสมรรถนะและการควบคุม รถแข่งจะถูกออกแบบให้สร้างแรงกดได้มากกว่ารถยนต์ปกติ โดยเฉพาะรถแข่งที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในการแข่งขันประเภทเซอร์กิต เมื่อรถมีความเร็วเพิ่มขึ้น แรงกดก็จะมากขึ้นตาม หรือจะพูดว่ารถมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นก็ได้ น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจะกดลงไปที่ยางทั้งสี่เส้น ทำให้มีแรงยึดเกาะกับพื้นถนนมากขึ้น ซึ่งจะทำให้รถสามารถเข้าโค้งด้วยความเร็วที่สูงขึ้น เวลาต่อรอบก็จะลดลง ดังนั้น วัตถุประสงค์หลักของแรงกด ก็คือทำให้รถสามารถทำความเร็วได้สูงขึ้นในขณะเข้าโค้ง

“Formula1” เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของรถแข่งที่ถูกออกแบบมาเพื่อใช้ประโยชน์จาก Downforce ทุกส่วนที่มองเห็นได้จากภายนอกไม่ว่าจะเป็น Front wing, Rear wing, Diffuser ถูกออกแบบให้สร้างแรงกดได้มากที่สุดในขณะเดียวกันก็มีแรงต้านอากาศน้อยที่สุด แรงกดที่สร้างได้อาจมากถึง 5G (5 เท่าของน้ำหนักรถ หรือประมาณ 3,000 กิโลกรัม!!)

ในการที่จะบอกว่ารถคันใดคันหนึ่งมีแรงต้านอากาศมากน้อยเท่าใดนั้น เราจะดูจากค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศ หรือ Cd (Coefficient of drag) ค่านี้แสดงถึงความต้านอากาศของรถแต่ละคัน ค่ายิ่งมากยิ่งต้านอากาศมาก โดยปกติแล้วค่า Cd ของรถเก๋งสี่ประตูทั่วไปจะอยู่ประมาณ 0.3-0.35 ถ้าค่า Cd มากกว่านี้จะเป็นพวกรถแวน กระบะยกสูง หรือรถบรรทุก รูปข้างล่างเป็นค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศของ Hammer H2 ด้วยรูปร่างที่เทอะทะ รวมถึงพื้นที่ปะทะลมขนาดใหญ่ ทำให้มีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศมากถึง 0.57[2] ถัดมาเป็นรถฟอร์มูล่าวันของทีม Redbull จะพบว่ารถแข่งฟอร์มูล่ามีค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอากาศมากกว่า Hummer เกือบเท่าตัว มันเป็นไปได้อย่างไร? ในเมื่อรถแข่งฟอร์มูล่ามีรูปทรงที่ลู่ลมกว่า มีพื้นที่ปะทะลมน้อยกว่า? ความจริงก็คือรถแข่งฟอร์มูล่าวันนั้นเป็นรถแข่งแบบล้อเปลือย (Open-wheel) ซึ่งจะมีแรงต้านมากกว่ารถแบบล้อปิดอยู่แล้ว (Closed wheel) แรงต้านที่เกิดจากรูปทรงนี้เรียกว่า “Form drag” นอกจากนี้ยังมีแรงต้านที่เกิดขึ้นจากการสร้างแรงกดอีกด้วย อย่างที่ได้กล่าวไปในตอนต้นแล้วว่า เมื่อสร้างแรงกดได้มาก แรงต้านก็จะมีค่าเพิ่มมากขึ้นด้วยเช่นกัน แรงต้านอันที่สองนี้จะเรียกว่า “แรงต้านเหนี่ยวนำ” (Induced drag) แรงต้านทั้งสองชนิดที่กล่าวมาเป็นสาเหตุทำให้แรงต้านอากาศของรถฟอร์มูล่าวันมีค่ามากกว่ารถปกติหลายเท่าตัว

นอกจากรถแข่งฟอร์มูล่าวันแล้ว รถแข่งประเภท “Time attack” ก็เป็นรถแข่งอีกรูปแบบหนึ่ง ที่ใช้ประโยชน์จากแอโรพาร์ทอย่างชัดเจน รถที่ลงแข่งในประเภท Time attack เป็นรถที่มีพื้นฐานมาจากรถยนต์ที่ถูกผลิตและจำหน่ายทั่วไป (Production cars) แต่จะมีสมรรถนะสูงกว่ารถยนต์ปกติ เช่น Mitsubishi Lancer Evolution, Mazda RX-7, Nissan Skyline GTR, Honda NSX รถเหล่านี้จะถูกนำมาปรับแต่งเครื่องยนต์ให้มีกำลังสูงมาก อาจจะมากถึง 900 แรงม้า และแน่นอนว่าระบบช่วงล่างก็ถูกโมดิฟายเพื่อรองรับกำลังมหาศาลด้วยเช่นกัน รถแข่งประเภทนี้สามารถเข้าโค้งด้วยความเร่งมากถึง 2G (“FERRARI ENZO” รถสปอร์ตระดับตำนานของ Ferrari ที่ใช้เทคโนโลยีสุดล้ำของ F1 สามารถทำได้เพียง 1G)[3] กุญแจสำคัญคือแรงกดมหาศาลที่ถูกสร้างโดยชุดแอโรพาร์ทประสิทธิภาพสูง ความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างรถเซอร์กิตและรถ Time attack คือขนาดของชุดแอโรพาร์ท ชุดแอโรพาร์ทของรถ Time attack จะมีขนาดใหญ่กว่ามาก สามารถสร้างแรงกดได้มากกว่า เหตุผลก็เพราะว่า ในการแข่งขันแบบ Time Attack นั้น จะปล่อยรถแข่งทีละคัน ไม่ได้ปล่อยพร้อมกันเหมือนการแข่งเซอร์กิต ทำให้โอกาสปะทะกันน้อยมาก รถแข่งแต่ละคันจึงออกแบบให้มีชุดแอโรพาร์ทขนาดใหญ่และยื่นออกมาจากตัวรถมากกว่าปกติ เพื่อให้รับลมได้มากและสร้างแรงกดให้ได้มากที่สุด

รายการแข่งขันประเภท Time Attack ที่โด่งดังมากที่สุดรายการหนึ่งของโลก คือ รายการ “World Time Attack Challenge” เป็นรายการที่เปิดโอกาสให้ทีมแข่งทั่วโลกนำรถมาแข่งขันกันในรูปแบบของการจับเวลา ทีมใดที่สามารถทำเวลาต่อรอบได้น้อยที่สุดจะเป็นผู้ชนะ รายการนี้จัดขึ้นเป็นประจำทุกปีที่สนาม “Eastern Creek Raceway” ประเทศออสเตรเลีย รถคันข้างล่างนี้มีชื่อว่า “NEMO” จากทีม NEMO-RACING ประเทศออสเตรเลีย ซึ่งเป็นแชมป์ประจำปี 2012 (อันดับ 1st Overall) สำหรับตัวรถมีรายละเอียดคร่าวๆ ดังนี้ ตัวรถมีพื้นฐานมาจาก Mitsubishi EVO VII เปลี่ยนพาร์ททุกชิ้นเป็นคาร์บอนไฟเบอร์ ทำให้น้ำหนักลดลงจาก 1495 kg เหลือเพียง 950 kg เครื่องยนต์รหัส 4G63 โมดิฟายเป็น 2.2L สร้างกำลังได้ 900 แรงม้าโดยประมาณ[4] และสิ่งที่จะไม่พูดถึงไม่ได้เลยนั่นก็คือความอลังการของชุดแอโรพาร์ทรอบคัน ถูกออกแบบโดยนักแอโรไดนามิคส์ชื่อดังชาวอเมริกัน ทำให้เจ้าปลาการ์ตูนตัวนี้ดูดุดันราวกับเป็นปลาปิรันย่าจากลุ่มแม่น้ำไนล์เลยทีเดียว ชุดแอโรพาร์ทนี้เป็นแอโรพาร์ทของ EVO ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา ที่ความเร็ว 200 km/h สามารถสร้างแรงกดได้มากถึง 1600 kg (รวมน้ำหนักรถ)[5] (Formula1 สามารถสร้างแรงกดได้ประมาณ 1800 kg(หรือมากกว่า) ที่ความเร็ว 200km/h) ถือว่าเป็นตัวเลขที่น่าทึ่งสำหรับรถที่มีพื้นฐานมาจากรถซีดาน 4 ประตู ด้วยองค์ประกอบทั้งหมดที่กล่าวมา ทำให้ “NEMO” กลายเป็น EVO ที่เร็วที่สุดในโลก ณ ตอนนี้

คันต่อมาคือ Nissan Silvia S13 จากทีม MCA SUSPENSION ได้อันดับที่สาม (Overall) ใช้เครื่องยนต์รหัส SR24DET สิ่งที่โดดเด่นและเป็นเอกลักษณ์ของรถคันนี้ก็คือ Front Spoiler ที่มีขนาดใหญ่มาก ออกแบบมาเพื่อสร้างแรงกดด้านหน้าให้สมดุลกับแรงกดด้านหลัง (แรงกดด้านหลังเกิดจาก Rear wing + Rear Diffuser)

ส่วนด้านล่างนั้นเป็นรถยี่ห้อ “Scion tC” (หรือเรียกว่า Toyota Zelas) จากทีม “World Racing” ขับโดย “Christian Rado” เมื่อปี 2009 ได้เข้าร่วมแข่งขันในรายการ “Redline Time Attack” ที่สนาม “Willow Spring Raceway” ประเทศสหรัฐอเมริกา รถคันนี้ได้ติดตั้งสปอยเลอร์ขนาดใหญ่ไว้ที่ด้านหน้าเพื่อสร้างแรงกดให้กับล้อหน้าซึ่งเป็นล้อขับเคลื่อน หลายๆ ทีมมองว่าสปอยเลอร์หน้า ดูเทอะทะและไม่มีประสิทธิภาพ แต่อย่างไรก็ตาม Scion tC คันนี้คว้าอันดับหนึ่ง ด้วยเวลาที่ดีที่สุดในรุ่น FWD (ขับเคลื่อนล้อหน้า) รวมถึงทำลายสถิติเดิมเมื่อปีที่แล้ว และยังจบการแข่งขันในอันดับ 5 Overall อีกด้วย[6] สุดยอดไหมล่ะ?!

สมดุลแรงกดหน้า-หลัง (Downforce Balance)
รถแข่งที่ดีนั้น นอกจากจะมีชุดแอโรพาร์ทที่สามารถสร้างแรงกดมหาศาลได้แล้ว ยังต้องคำนึงถึงความสมดุลของแรงกดที่ถูกสร้างขึ้นด้วย ความสมดุลที่ว่านี้หมายถึงอัตราส่วนระหว่างแรงกดที่เกิดขึ้นกับล้อหน้าและล้อหลัง ตัวอย่างเช่น ต้องการนำรถ Honda S2000 มาติดตั้งชุดแอโรพาร์ทเพื่อลงทำการแข่งขันประเภทเซอร์กิต รถคันนี้เป็นแบบ FR (เครื่องยนต์วางหน้า ขับเคลื่อนล้อหลัง) ซึ่งถูกออกแบบมาให้มีการบาลานซ์น้ำหนักหน้า-หลัง : 50-50 (การบาลานซ์น้ำหนักให้ด้านหน้าและด้านหลังให้เท่ากันในลักษณะนี้ มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มความเสถียรให้กับตัวรถในขณะเข้าโค้งและขณะเร่งความเร็วออกจากโค้ง) เพราะฉะนั้น ชุดแอโรพาร์ทที่ใส่เข้าไปจะต้องสร้างแรงกดให้สมดุลระหว่างด้านหน้าและด้านหลัง (แรงกดทางด้านหน้าต้องมีค่าใกล้เคียงกับแรงกดทางด้านหลัง)

อย่างที่ได้กล่าวไปแล้วว่าถึงแม้ชุดแอโรพาร์ทที่ติดตั้งเข้าไปจะสร้างแรงกดได้มากเพียงใด แต่ถ้าไม่คำนึงถึงความสมดุลระหว่างแรงกดหน้า-หลัง จะกลับกลายเป็นว่า รถแข่งจะได้รับผลเสียมากกว่าผลดี ตัวอย่างเช่น Honda S2000 คันเดิม ติดชุดแอโรพาร์ทรอบคัน เมื่อวิ่งทดสอบที่ความเร็วสูงปรากฎว่าแรงกดทางด้านหน้ามากกว่าแรงกดทางด้านหลัง เมื่อเข้าโค้งแล้วทำให้เกิดอาการท้ายปัดในเวลาเข้าโค้งหรือเรียกว่า Over-steer เนื่องจากธรรมชาติของรถ FR นั้นเป็นรถที่เกิดอาการท้ายปัดได้ง่ายอยู่แล้ว ประกอบกับการติดตั้งชุดแอโรพาร์ทที่ไม่สมดุลทำให้เกิดอาการ Over-steer ได้ง่ายมากขึ้นไปอีก นักแข่งจึงต้องแก้อาการท้ายปัดตลอดทำให้ไม่สามารถเร่งความเร็วออกจากโค้งได้เต็มที่ เวลาต่อรอบจึงแย่ลง หรือในทางตรงกันข้ามถ้าชุดแอโรพาร์ทถูกเซ็ทให้มีแรงกดทางด้านหลังมากกว่าทางด้านหน้ามากเกินไป จะทำให้เกิดอาการเลี้ยวไม่เข้าหรือเรียกว่า Under-steer ทำให้ความเร็วขณะเข้าโค้งลดลง เวลาต่อรอบก็แย่ลงเช่นเดียวกัน

ต่อไปเราจะศึกษาการออกแบบในเชิงอากาศพลศาสตร์ของ 2002 Honda NSX Type-R โดยที่แอโรพาร์ทยังเป็นชิ้นเดิมที่ติดตั้งมาจากโรงงาน วิศวกรของฮอนด้าออกแบบรถให้มีอัตราส่วนแรงกดล้อหน้า/ล้อหลัง = 40/60 ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนกระจายน้ำหนัก (Weight ratio : 40/60) ของรถพอดี การกระจายแรงกดในลักษณะนี้จะทำให้พวงมาลัยตอบสนองได้อย่างเฉียบคมในขณะขับขี่ด้วยความเร็วสูง (Linear response) ทำให้ผู้ขับสามารถควบคุมรถได้อย่างแม่นยำ ประโชยชน์อีกอย่างหนึ่งของแรงกดก็คือ เพิ่มความเสถียรให้กับตัวรถ (Aerodynamics Stability) โดยสามารถลดอาการโยนตัวของรถในขณะเข้าโค้ง (Reduce body roll) อีกทั้งยังสามารถลดอาการหัวเชิดในขณะเพิ่มความเร็วและลดอาการหัวทิ่มในขณะลดความเร็ว (Reduce body pitch) เมื่อรถมีความเสถียรแล้ว จะทำให้รถสามารถตอบสนองต่อผู้ขับได้ทันที ทำให้ผู้ขับรู้สึกถึงอารมณ์ “VTEC just kicked in, Yo!!” เลยทีเดียว

Aerodynamics Kits
“Aerodynamics kits (Aero kits)” ก็คือชุดแต่งรอบคัน โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเชิงอากาศพลศาสตร์ให้กับรถ ซึ่งหมายถึง สร้างแรงกดและลดแรงต้านนั่นเอง Aero kits หนึ่งชุดจะประกอบด้วยพาร์ทย่อยอีกหลายชิ้น ยกตัวอย่างเช่น กันชนหน้าหลัง ลิ้นหน้า สเกิร์ตข้าง สปอยเลอร์ คานาร์ด และอื่นๆ อีกมากมาย

หลายๆ ท่านอาจจะเคยได้ยินคำว่า “Body kits” และกำลังสับสนระหว่าง “Aero kits” กับ “Body kits” ตกลงมันคืออันเดียวกันหรือเปล่า? แตกต่างกันอย่างไร? ผมเองก็ไม่ทราบเหมือนกันว่ามันเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร แต่ตามความเข้าใจของผมแล้ว คิดว่า “Body kits” น่าจะหมายถึงชุดแต่งที่ออกแบบโดยเน้นความสวยงามเป็นหลัก เช่น ชุดแต่งรอบคันที่มีมาให้จากโรงงาน แต่ “Aero kits” นั้น คือชุดแต่งที่ออกแบบโดยคำนึงถึงหลักอากาศพลศาสตร์ สามารถควบคุมอากาศที่ไหลผ่านตัวรถได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มสมรรถนะของรถให้ได้มากที่สุด

ต่อไปจะเป็นการเปรียบเทียบระหว่างรถที่ใส่ Aero kits แบบบ้านๆ กับรถที่ใส่ Aero kits แบบเต็มยศ คันด้านซ้าย คือ Mitsubishi Lancer Evolution VII เรียกสั้นๆว่า EVO7 ขับเคลื่อน 4 ล้อฟูลไทม์ เครื่องยนต์ความจุ 2 ลิตร เทอร์โบ โดดเด่นในเรื่องของสมรรถนะที่เกินตัว รวมไปถึงการควบคุมที่ยอดเยี่ยม ทำให้ครองใจสาวกขับเคลื่อนสี่ล้อทั่วโลกมาอย่างยาวนาน คันนี้ไม่ได้มีการติดตั้ง Aero kits เพิ่มเติมแต่อย่างใด เรียกได้ว่าออกมาจากโรงงานยังไงก็เป็นยังงั้น ส่วนคันด้านขวานั้น …? คุ้นๆ ไหมครับ ไม่ใช่ใครที่ไหน เจ้าปลาการ์ตูน “NEMO” นั่นเอง อีโวสุดโหดสายพันธุ์ Time Attack จากแดนจิงโจ้ …ใช่แล้วครับ “NEMO” คันนี้ก็คือ EVO7 เช่นเดียวกันกับคันทางด้านซ้ายมือ โอ้ววว… ไม่น่าเชื่อเลยว่ามันเคยมีหน้าตาเหมือนกันมาก่อน ชุดเกราะของเจ้าปลาการ์ตูนนั้น ออกแบบโดย “Andrew Brilliant” นักอากาศพลศาสตร์ชาวอเมริกันมากประสบการณ์ ซึ่งเคยออกแบบและพัฒนารถแข่ง Super GT รวมไปถึงรถแข่ง Le Mans และในการออกแบบ Aero kits ชุดนี้ “Andrew” ได้ใช้ซอฟแวร์ CFD ในการออกแบบ ซึ่งเป็นซอฟแวร์อันเดียวกันที่ใช้ในการออกแบบรถแข่งฟอร์มูล่าวัน!! ทำให้ชุดเกราะของ NEMO เป็น Aero kits ของอีโวที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลกในตอนนี้!!

Mitsubishi Lancer Evo VII, Mitsubishi Lancer Evo VII close to F1 car | carsguide.com.au

อีโวคันด้านซ้ายนั้น ได้มีการทดสอบหาแรงกดและแรงต้านในอุโมงค์ลม ผลปรากฎว่า ที่ความเร็ว 200 km/h สามารถสร้างแรงกดได้ 45 kg ซึ่งถือว่าเยอะมากสำหรับบอดี้ซีดานสี่ประตู แรงกดทั้งหมดที่สร้างได้จะกดลงที่ล้อหน้าเป็นส่วนใหญ่ (แรงกดที่ล้อหน้า : 37 kg, แรงกดที่ล้อหลัง 8 kg)[7] การกระจายแรงกดแบบนี้จะช่วยลดอาการหน้าดื้อหรือ Under-steer ซึ่งเกิดขึ้นเป็นธรรมชาติของรถขับเคลื่อนสี่ล้ออยู่แล้ว ส่วนเจ้า “NEMO” ที่ความเร็ว 200 km/h สามารถสร้างแรงกดได้ประมาณ 600 kg หรือมากกว่าอีโวธรรมดาถึง 13 เท่า!! ส่วนอัตราส่วนแรงกดหน้า-หลังนั้นยังไม่มีข้อมูล แต่คิดว่าแรงกดด้านหน้าต้องมากกว่าแรงกดด้านหลังแน่นอน เพื่อลดอาการหน้าดื้ออย่างที่ได้กล่าวไปแล้ว ด้วยแรงกดมหาศาลนี้ ทำให้ “NEMO” เข้าโค้งด้วยความเร่งมากถึง 2G ในขณะที่อีโวเดิมๆ สามารถเข้าโค้งได้ไม่เกิน 1G ซึ่งหมายความว่า “NEMO” สามารถเข้าโค้งได้เร็วมากกว่าอีโวปกติประมาณ 1.4 เท่า สมมติว่าอีโวเดิมๆ สามารถเข้าโค้งด้วยความเร็ว 150 km/h โดยที่ยังไม่หลุดโค้ง แต่ “NEMO” สามารถเข้าโค้งเดียวกันนี้ ด้วยความเร็วมากกว่า 210 km/h เลยทีเดียว ถึงตอนนี้คงไม่มีใครปฏิเสธได้แล้วว่า “ถ้าได้ Aero kits ที่ดี ก็มีชัยไปกว่าครึ่งแล้วหล่ะ!!”

ต่อไปจะเป็นการอธิบายรายละเอียดของ “Aerodynamics Components” หรือเรียกสั้นๆ ว่า “Aero parts” ว่ามีกี่ชิ้น แต่ละชิ้นทำหน้าที่อะไรบ้าง

ลิ้นหน้า (Splitter)
“ลิ้นหน้า” หรือ “Splitter” เป็นอุปกรณ์ที่ติดตั้งไว้ที่ด้านล่างของ Bumper มีลักษณะเป็นแผ่นเรียบขนานกับพื้น อาจจะทำมากจากคาร์บอนไฟเบอร์หรือวัสดุอื่นๆ ก็ได้ สำหรับรถแข่งที่มีสมรรถนะสูงๆ จะมีแท่งซัพพอร์ต (Support rods) เพื่อยึดลิ้นหน้าไว้กับโครงรถ ป้องกันไม่ให้ลิ้นหน้าเสียรูปเมื่อรับแรงกดมากๆ วัตถุประสงค์ของลิ้นหน้า คือ สร้างแรงกดให้กับด้านหน้าของรถ เพิ่มการยึดเกาะให้กับล้อหน้า หรือลดอาการ Under-steer นั่นเอง

จริงๆ แล้ว Splitter ไม่สามารถสร้างแรงกดได้จากตัวมันเอง หน้าที่ของ Splitter คือแบ่งอากาศออกเป็นสองโซน ได้แก่ โซนความดันสูงและโซนความดันต่ำ โซนความดันสูงคือโซนที่อากาศไหลมาปะทะกับ Bumper ทำให้การไหลของอากาศจะอั้นอยู่ที่บริเวณนี้ ไม่สามารถไหลต่อไปได้ อากาศจึงมีความเร็วต่ำมาก หรืออาจจะมีค่าเท่ากับศูนย์เลยก็ได้ (เรียกว่า “Stagnation Point”) สรุปคือ การที่อากาศไหลได้ไม่สะดวกนี่เองเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดความดันสูง ส่วนโซนที่สองคือโซนความดันต่ำ คือโซนที่อากาศไหลผ่านใต้ท้องรถนั่นเอง เนื่องจากไม่มีอะไรมาขวางทางการไหล จึงทำให้อากาศไหลได้สะดวก มีความเร็วสูงและมีความดันต่ำ Splitter จะแบ่งโซนทั้งสองโซนให้แยกออกจากกัน เมื่อความดันด้านบนมากกว่าด้านล่างแล้วจะทำให้เกิดแรงกดลงที่พื้นผิวของ Splitter แรงกดนี้จะเพิ่มขึ้นตามความเร็ว ความเร็วที่ Splitter สามารถสร้างแรงกดได้นั้น โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 120 km/h ขึ้นไป ถ้าความเร็วต่ำกว่านี้ แรงกดที่สร้างได้จะน้อยมากๆ ไม่มีประโยชน์ ไม่ได้ช่วยเพิ่มการยึดเกาะถนนแต่อย่างใด

2012 Boss 302S – 2012 Boss 302S Front Splitter – Ford Mustang Pictures Gallery

คานาร์ด (Canard)
คานาร์ดเป็นแผ่นสามเหลี่ยม โดยมากทำมาจากคาร์บอนไฟเบอร์ มีหน้าที่สร้างแรงกดที่ด้านหน้ารถ โดยมีหลักการอยู่ว่า เมื่ออากาศไหลผ่าน ครีบทั้งสองอันจะเปลี่ยนทิศทางของการไหลอากาศให้ไหลขึ้นข้างบน โมเมนตัมของอากาศที่ไหลขึ้นจะทำให้เกิดแรงสุทธิซึ่งมีทิศทางลงสู่พื้นโลก นั่นก็คือสร้างแรงกดนั่นเอง นอกจากนี้แล้ว ครีบทั้งสองอันนี้ยังสามารถสร้างลมหมุน (Vortex) ซึ่งลมหมุนนี้จะเกิดขึ้นที่ด้านข้าง หมุนวนไปตลอดความยาวของรถ (ดูรูปประกอบ) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นเหมือนผ้าม่าน กั้นความดันระหว่างโซนความดันสูงกับโซนความดันต่ำ (กั้นระหว่างอากาศที่ไหลเหนือรถขึ้นไปกับอากาศที่ไหลใต้ท้องรถ) การทำเช่นนี้จะทำให้รถสามารถสร้างแรงกดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

คานาร์ดเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีประสิทธิภาพมากเท่าไหร่ (เมื่อเปรียบเทียบกับ Front wings ของ Formula1) เพราะว่าสามารถสร้างแรงกดได้น้อยเมื่อเปรียบเทียบกับแรงต้านอากาศที่เพิ่มขึ้น โดยปกติแล้วจะสามารถพบเห็นได้ในรถแข่งที่มีพื้นฐานมาจากรถที่วิ่งบนท้องถนนทั่วไป (Production cars) เช่น รถแข่ง GT500 หรือ V8 Supercar รถแข่งเหล่านี้ได้มีการโมดิฟายในระดับสูง จนสามารถใช้ความเร็วในระดับ 200km/h ขึ้นไป ยิ่งความเร็วสูงมากเท่าไหร่ ประสิทธิภาพของคานาร์ดก็จะเพิ่มขึ้น ในปัจจุบัน คานาร์ดยังได้รับความนิยมในกลุ่มรถแต่งซิ่งที่วิ่งกันบนท้องถนน เพราะนอกจากจะเพิ่มแรงกดให้กับรถแล้ว การติดตั้งคานาร์ดยังทำให้รถดูสวยงาม ดุดัน ทำให้ดูเป็นตัวซิ่งมากยิ่งขึ้น

สเกิร์ตข้าง (Side Skirt)
“Side Skirt” หรือ “สเกิร์ตข้าง” มีหน้าที่กั้นอากาศภายนอก (ความดันสูง) ไม่ให้เข้ามาใต้ท้องรถ (ความดันต่ำ) ถ้าไม่มีสเกิร์ตข้างจะทำให้อากาศภายนอกไหลเข้ามาใต้ท้องรถ (ปกติแล้ว อากาศที่มีความดันสูงจะไหลไปหาอากาศที่มีความดันต่ำ) ซึ่งจะทำให้ความดันใต้ท้องรถมีค่าเพิ่มขึ้น แรงกดที่สร้างได้จะลดลง ในกรณีที่แย่ที่สุดคือเกิดแรงยก (Lift) ขึ้นมาแทน แรงยกจะทำให้ความสามารถในการยึดเกาะถนนลดลง ความเสถียรของรถจะลดลงโดยเฉพาะเมื่อขับด้วยความเร็วสูง ประสิทธิภาพของสเกิร์ตขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างพื้นถนนและสเกิร์ต ยิ่งสเกิร์ตต่ำมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งดีเพราะจะกั้นไม่ให้อากาศภายนอกเข้ามาใต้ท้องรถได้ดีกว่า รถแข่งสมรรถนะสูงบางคัน มีระยะห่างระหว่างถนนและสเกิร์ตเพียงแค่ 2 cm เท่านั้นเอง (หรืออาจจะน้อยกว่า)

Voltex Side Skirts (Cyber Edition) Mitsubishi EVO VII VIII IX 01-07 – Voltex – Exterior – Styling – Mitsubishi Evo – Home – JW Racing

Garage Revolution Mazda RX-7 to Contest World Time Attack Challenge | AutoGuide.com News

ปีกหลังหรือสปอยเลอร์ (Rear Wing or Spoiler)
หลักการของสปอยเลอร์นั้นเหมือนกับหลักการของปีกเครื่องบินทุกประการ ต่างกันที่วัตถุประสงค์เท่านั้น วัตถุประสงค์ของปีกเครื่องบินคือสร้างแรงยก ส่วนวัตถุประสงค์ของสปอยเลอร์คือสร้างแรงกด นั่นหมายความว่าสปอยเลอร์ก็คือปีกเครื่องบินที่ถูกพลิกกลับด้านนั่นเอง (Inverted wing) แรงกดที่เกิดจากสปอยเลอร์จะถ่ายทอดลงสู่ยางหลังเสียเป็นส่วนใหญ่ (ท้ายหนักขึ้นนั่นเอง) นั่นหมายความว่าการติดสปอยเลอร์จะทำให้ยางหลังมีการยึดเกาะที่ดีขึ้น ท้ายรถจะนิ่งขึ้นเมื่อวิ่งด้วยความเร็วสูง

Varis – Vortex Generator – Nengun Performance

นอกเหนือจากสร้างแรงกดแล้ว การติดตั้งสปอยเลอร์ยังเป็นการเพิ่มความสวยงามให้กับรถด้วย ประกอบกับปัจจุบันนี้มีสปอยเลอร์หลากหลายรูปทรงหลากหลายราคาให้เลือกสรร สปอยเลอร์จึงนับเป็นแอโรพาร์ทชิ้นหลักๆ ที่ขาซิ่งจะซื้อมาใส่เพื่อเพิ่มความเป็นเรซซิ่งให้กับรถตนเอง สปอยเลอร์ที่มีราคาสูงบางอันจะสามารถปรับมุมปีกได้ มุมนี้เรียกว่า “มุมปะทะ(Angle of attack)” แรงกดที่สร้างได้อาจจะเพิ่มขึ้นมหาศาลเพียงแค่ปรับมุมปะทะไม่กี่องศา โดยที่ เมื่อมุมปะทะมากขึ้น แรงกดก็จะมากขึ้น แต่แรงต้านอากาศก็จะมากขึ้นตามไปด้วย

สิ่งสำคัญอีกสิ่งหนึ่งที่อยากจะให้ท่านผู้อ่านได้ทราบเกี่ยวกับสปอยเลอร์นั่นก็คือ “ไม่มีสปอยเลอร์อันไหนดีที่สุดในโลก” นั่นหมายความว่า สปอยเลอร์อันใดอันหนึ่งจะสามารถแสดงประสิทธิภาพได้มากที่สุดก็ต่อเมื่อติดตั้งอยู่บนรถคันใดคันหนึ่งเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น สปอยเลอร์รุ่นหนึ่งถูกออกแบบมาสำหรับ Nissan Skyline GT-R R34 เมื่อทดสอบแล้วปรากฎว่า สามารถสร้างแรงกดได้มาก การควบคุมรถที่ความเร็วสูงทำได้ดี แต่เมื่อเอาสปอยเลอร์อันเดียวกันนี้ไปติดตั้งกับรถ Mitsubishi EVO VIII ปรากฎว่า สร้างแรงกดได้ไม่เท่ากัน แรงกดที่สร้างได้น้อยกว่าของ R34 ทำไมจึงเป็นเช่นนี้? ทั้งๆ ที่สปอยเลอร์เป็นอันเดียวกัน? ที่เป็นเช่นนี้เพราะว่า แรงกดที่สร้างขึ้นนั้น นอกจากจะขึ้นอยู่กับความเร็วของรถแล้ว ยังขึ้นอยู่กับทิศทางของลมที่ไหลเข้ามาปะทะด้วย ลมที่ไหลเข้ามาปะทะกับสปอยเลอร์นั้นส่วนใหญ่จะไหลผ่านหลังคารถ (มีบางส่วนที่มาจากด้านข้าง) และแน่นอนว่าทิศทางการไหลของอากาศก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามลักษณะของหลังคา ในกรณีนี้ R34 กับ EVO VIII มีลักษณะของหลังคาที่แตกต่างกัน แตกต่างกันทั้งความสูงและความลาดเอียง ดังนั้นทิศทางการไหลของอากาศที่ปะทะกับสปอยเลอร์ก็จะไม่เหมือนกัน ส่งผลให้สร้างแรงกดได้ไม่เท่ากันนั่นเอง แต่ถ้าเป็นรถที่มีลักษณะหลังคาคล้ายๆ กัน เช่น GT-R R34 กับ R32 เมื่อติดตั้งสปอยเลอร์อันเดียวกันแล้วแรงกดที่สร้างได้จะมีค่าใกล้เคียงกันมาก

ครีบเจอร์นี (Gurney flap)
เป็นอุปกรณ์หนึ่งที่ติดตั้งเข้าอยู่กับสปอยเลอร์ มีลักษณะเป็นครีบตั้งฉาก จะถูกติดไว้ด้านท้ายของสปอยเลอร์ (สปอยเลอร์บางรุ่นจะมีครีบเจอร์นีติดมาให้อยู่แล้ว หรืออาจจะทำเป็นชิ้นเดียวกันกับสปอยเลอร์ ทำให้มีความแข็งแรงมากกว่า) ประโยชน์ของครีบเจอร์นีคือเพิ่มแรงกดให้กับสปอยเลอร์ โดยมีหลักการอยู่ว่า เมื่ออากาศไหลผ่านสปอยเลอร์แล้วปะทะเข้ากับครีบเจอร์นี ความเร็วของการไหลจะลดลงอย่างมากเพราะครีบมันตั้งขวางทางลมนั่นเอง ส่งผลให้ความดันอากาศด้านบนมีค่าเพิ่มมากขึ้น ซึ่งจะทำให้ปีกสามารถสร้างแรงกดได้มากกว่าปกตินั่นเอง ข้อเสียคือ การใส่เจอร์นีจะทำให้แรงต้านอากาศของปีกมีค่าเพิ่มขึ้น ซึ่งจะเพิ่มขึ้นมากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับขนาดและองศาของเจอร์นี แต่จริงๆ แล้วแรงต้านอากาศจะเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเมื่อเปรียบเทียบกับแรงกดที่เพิ่มขึ้น นับได้ว่าเป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพอีกชิ้นหนึ่ง

ดิฟฟิวเซอร์ (Diffuser)
ดิฟฟิวเซอร์ถูกติดตั้งไว้ที่ใต้ท้องรถด้านท้าย เพื่อเร่งให้อากาศที่ไหลผ่านใต้ท้องรถมีความเร็วสูงมากขึ้น เมื่ออากาศที่ไหลผ่านใต้ท้องรถมีความเร็วสูงขึน ความดันใต้ท้องรถก็จะลดลงด้วย แรงกดจะกดให้รถติดกับพื้น แรงกดที่เกิดขึ้น ไม่ได้เกิดขึ้นแค่บริเวณที่มีดิฟฟิวเซอร์เท่านั้น (ไม่ได้เกิดขึ้นที่ท้ายรถเท่านั้น) แต่แรงกดนี้จะกระจายทั่วทั้งคัน (สำหรับรถ Formula1 แล้ว ดิฟฟิวเซอร์ถือเป็นอุปกรณ์ที่สามารถสร้างแรงกดได้มากที่สุด คิดเป็นประมาณ 40% ของแรงกดทั้งหมด)

นอกเหนือจากการสร้างแรงกดให้รถแล้ว ดิฟฟิวเซอร์ยังลดแรงต้านอากาศอันเนื่องมาจากการไหลปั่นป่วนของอากาศ (Turbulent flow) ที่เกิดขึ้นด้านท้ายรถอีกด้วย การไหลปั่นป่วนนี้จะทำให้ความดันอากาศที่ท้ายรถมีค่าน้อยลงเมื่อเทียบกับความดันอากาศด้านหน้ารถ ทำให้เกิดแรงต้านดังที่ได้อธิบายไปแล้วในหัวข้อ “อากาศพลศาสตร์ของรถยนต์” ยิ่งอากาศท้ายรถไหลปั่นป่วนมาก ก็จะยิ่งเกิดแรงต้านมาก ดิฟฟิวเซอร์จะลดความปั่นป่วนนี้โดยการลดความเร็วของอากาศท้ายรถ ทำให้อากาศที่ไหลออกมามีความเป็นระเบียบมากขึ้น ความดันที่ท้ายรถจึงเพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงต้านอากาศลดลง ดิฟฟิวเซอร์จะมีประสิทธิภาพมากที่สุดก็ต่อเมื่อใช้ร่วมกับแผ่นปิดใต้ท้องรถ หรือเรียกว่า Undertray แผ่นปิดใต้ท้องรถจะช่วยจัดเรียงการไหลของอากาศให้มีระเบียบมากขึ้นและยังเพิ่มความความเร็วของอากาศก่อนที่จะเข้าดิฟฟิวเซอร์ สรุปคือ หน้าที่ของดิฟฟิวเซอร์มีสองอย่าง จำง่ายๆ ว่า “สร้างแรงกดและลดแรงต้าน” 1.สร้างแรงกด โดยการเร่งให้อากาศใต้ท้องรถไหลเร็วขึ้น 2.ลดแรงต้าน โดยการลดความเร็วของอากาศก่อนปล่อยออกมาด้านท้ายรถ

MacG Racing – Exige Modifications

WTAC Part 2 | Circuit Threads

ตัวสร้างลมหมุน (Vortex Generator)
“Vortex generator” หรือเรียกสั้นๆ ว่า “VG” มีลักษณะเป็นครีบขนาดเล็ก จำนวนหลายๆ ครีบ ส่วนใหญ่จะติดตั้งที่ปีกของอากาศยานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของปีก หน้าที่ของ VG คือ สร้างลมหมุน (Vortex generation) โดยปกติแล้ว ลมหมุน เป็นปรากฎการณ์ที่ไม่ต้องการให้เกิดขึ้น (ลมหมุนหมายถึงลมที่ไหลไม่เป็นระเบียบ มีความเร็วสูง และไม่มีทิศทางแน่นอน ดูรูปประกอบ) เพราะนอกจากจะทำให้เกิดแรงต้านมากขึ้นแล้ว ยังทำให้แรงยกของปีกมีค่าลดลงไปด้วย แต่ลมหมุนที่สร้างขึ้นมาจาก VG นั้น เป็นลมหมุนที่มีขนาดเล็ก มีรัศมีในการหมุนควงน้อยมากทำให้อากาศไหลแบบบิดเป็นเกลียว มีเส้นทางการไหลที่แน่นอนและราบเรียบ ไม่สะเปะสะปะ (ดูรูปประกอบ) ส่งผลให้การไหลของอากาศนั้นราบเรียบไปกับพื้นผิว (ไม่เกิดการแยกตัวหรือเรียกว่า Flow separation) ซึ่งจะทำให้แรงต้านอากาศลดลง และสามารถสร้างแรงยกได้เพิ่มขึ้น

แล้ว VG มันมาเกี่ยวข้องกับรถแข่งได้อย่างไรกันล่ะ? VG ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับรถยนต์ด้วยเช่นกัน ที่เห็นกันบ่อยๆ นั่นก็คือ VG ที่ติดอยู่บนหลังคาของ Mitsubishi Lancer Evolution นั่นเอง นี่แหละครับที่เรียกว่า เทคโนโลยีจากอากาศยานอย่างแท้จริง หลักการของมันก็เหมือนกับ VG ที่ติดกับปีกเครื่องบินนั่นแหละครับ เมื่ออากาศไหลผ่านหลังคารถแล้วปะทะกับ VG จะทำให้อากาศไหลราบเรียบไปกับกระจกหลัง ลดการแยกตัวของอากาศ ซึ่งจะทำให้แรงต้านอากาศโดยรวมมีค่าลดลง และถ้ามีการติดตั้งสปอยเลอร์ไว้ จะทำให้สปอยเลอร์สร้างแรงกดได้มากขึ้น เป็นผลอันเนื่องมาจากอากาศที่เข้ามาปะทะสปอยเลอร์นั้นไหลอย่างเป็นระเบียบมากขึ้น โดยสรุปแล้ว VG ที่ติดตั้งในรถยนต์นั้นมีวัตถุประสงค์หลักก็คือลดแรงต้านอากาศ ซึ่งจะทำให้ความเร็วสูงสุดมีค่าเพิ่มขึ้น รวมถึงประหยัดน้ำมันมากขึ้น รวมถึงแรงกดที่สร้างได้จะมีค่าเพิ่มขึ้น (เคยมีการทดสอบประสิทธิภาพของ VG ที่ถูกติดตั้งใน Mitsubishi Lancer Evolution VIII ผลปรากฎว่าสามารถลดแรงต้านอากาศได้ 1.7%)[8]

บทสรุป
ย้อนกลับไปเมื่อประมาณปี ค.ศ. 1950-1960 ซึ่งเป็นยุคบุกเบิกของการแข่งขันรถฟอร์มูล่าวัน ในยุคนั้น “เครื่องยนต์” ถือเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของรถก็ว่าได้ เพราะว่ากำลังของเครื่องยนต์เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้ได้รับชัยชนะ เรียกได้ว่าใครมีแรงม้ามากกว่า ก็มีโอกาสชนะมากกว่า เพราะฉะนั้นวิศวกรของแต่ละทีมจึงทุ่มเทเวลาและเงินทุนให้กับการสร้างเครื่องยนต์เพื่อให้มีแรงม้ามากที่สุดเท่าที่จะมากได้ จนกระทั่งปี ค.ศ. 1960-1970 วิศวกรได้เริ่มเห็นถึงความสำคัญของอากาศพลศาสตร์ ในยุคนี้ หลายทีมเริ่มออกแบบรถโดยคำนึงถึงหลักอากาศพลศาสตร์มากขึ้น ทีมที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดในยุคนี้ ก็คือทีม “Lotus F1” รถแข่งของทีมนี้มีชื่อว่า “Lotus72” ถูกออกแบบให้สามารถสร้างแรงกดได้มากขึ้น ทำให้สามารถเข้าโค้งได้เร็วกว่าเดิมประมาณ 15km/h[9] ซึ่งถือว่าเร็วมากๆ ในยุดนี้ ถึงเครื่องยนต์จะมีแรงม้ามาก แต่ถ้าไม่ได้ออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์ ก็ไม่มีทางชนะแน่นอน ยุคนี้ถือว่าเป็นจุดเปลี่ยนของวงการฟอร์มูล่าวันเลยทีเดียว

Lotus 72

อากาศพลศาสตร์เริ่มเข้ามามีบทบาทกับรถยนต์มากขึ้นเรื่อยๆ จะรถบ้านหรือรถแข่ง ก็ต้องคำนึงถึงหลักอากาศพลศาสตร์ด้วยกันทั้งนั้น เนื่องจากอากาศพลศาสตร์มีผลกระทบโดยตรงกับสมรรถนะและการควบคุมรถ ถ้าออกแบบได้ถูกต้องตามหลักการแล้ว ก็จะได้ประโยชน์มหาศาล ในทางกลับกัน ถ้าออกแบบไม่ดีหรือออกแบบโดยคำนึงเฉพาะความสวยงาม จะกลับกลายเป็นว่าได้ผลเสียมากกว่าผลดี สำหรับรถแข่งสมรรถนะสูงอย่างเช่นพวก ฟอร์มูล่าวัน หรืออินดี้คาร์ อากาศพลศาสตร์สามารถตัดสินผลแพ้ชนะได้เลยทีเดียว การออกแบบรถแข่งตามหลักอากาศพลศาสตร์นั้น เป็นเรื่องที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อนมาก เนื่องจากประสิทธิภาพในการสร้างแรงกดของชุดแอโรพาร์ทนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วในการแข่งขันเป็นหลัก แต่ในหนึ่งฤดูกาลแข่งขัน ต้องแข่งขันกันหลายสนาม และแต่ละสนามก็มีความเร็วในการแข่งขันไม่เท่ากัน ยกตัวอย่างเช่น สนาม “Curcuit de Spa” ในประเทศ Belgium เป็นสนามที่มีโค้งความเร็วสูงหลายโค้ง ดังนั้นต้องทำการปรับให้แอโรพาร์ทสร้างแรงกดให้ได้มากกว่าปกติ

ก่อนจะจบบทความนี้ ขอย้อนกลับมาที่บ้านเราไทยแลนด์ ถ้าพูดถึงรถแต่งในท้องถนนบ้านเราแล้ว จะพบว่าปัจจุบันนี้มีการใส่ชุดแอโรพาร์ทกันมากขึ้น ไม่ว่าจะมีวัตถุประสงค์เพียงเพื่อความสวยงาม หรือต้องการเพิ่มสรรถนะของรถก็แล้วแต่ อยากฝากไว้ในเรื่องของความปลอดภัยด้วย แอโรพาร์ทนั้นมีทั้งประโยชน์และโทษ ถ้าออกแบบมาดี ติดตั้งได้ถูกต้องก็ดีไป แต่ถ้าได้ของไม่มีคุณภาพหรือว่าติดตั้งไม่ถูกวิธี อันนี้อันตรายนะครับ ยกตัวอย่างเช่น ต้องการให้ท้ายรถนิ่งขึ้น จึงไปติดตั้งสปอยเลอร์ขนาดใหญ่แบบ GT wing แต่ติดแล้วสปอยเลอร์มันไปบังกระจกมองหลัง ลำบากล่ะทีนี้ อีกปัจจัยหนึ่งที่สำคัญในการเลือกชุดแอโรพาร์ท นั่นก็คือความแข็งแรงของชุดแอโรพาร์ท เพราะว่ารถเราไม่ได้วิ่งแค่ 30-40 km/h แต่บางทีใช้ความเร็วสูงถึง 150-160 km/h แรงกดที่แอโรพาร์ทสร้างได้มีค่าเป็นหลักสิบหลักร้อยกิโลกรัม ลองคิดตามนะครับ สมมติผมมีรถคันหนึ่ง ติดแอโรพาร์ทรอบคัน คานาร์ด สปอยเลอร์หลัง และได้ทำการบาลานซ์สมดุลแรงกดอย่างดี วันดีคืนดีเกิดอารมณ์ “Need For Speed” ขึ้นมา เลยเอารถออกไปวิ่งเล่นซะหน่อย ขณะกำลังขับที่ความเร็ว 180 km/h ทันใดนั้น คานาร์ดข้างขวาเกิดหักและปลิวออกไป รถจะเสียสมดุลแรงกดทันที (อารมณ์เดียวกับยางแตกนั่นแหละครับ) ถ้ารถเกิดเสียหลักแล้วควบคุมรถไม่ได้ ที่ความเร็วขนาดนี้ ความเสียหายคงไม่ใช่น้อยๆ แน่นอน สำหรับรถแข่งสมรรถนะสูง อย่างเช่น ฟอร์มูล่าวัน หรือนาสคาร์ (Nascars) ถ้าแอโรพาร์ทเกิดความเสียหายระหว่างแข่งขัน นั่นหมายความว่าโอกาสที่จะได้รับชัยชนะนั้นแทบจะเป็นศูนย์ทันที
อ้างอิง (References)

1. Windtunnel photos of various cars – Miata Turbo Forum – Turbo Kitten is watching you test compression.
2. Automobile drag coefficient – Wikipedia, the free encyclopedia
3. Formula One – Wikipedia, the free encyclopedia
4. ADVAN Wheels – World Time Attack 2012 – Nemo Racing Evo
5. Mitsubishi Lancer Evo VII close to F1 car | carsguide.com.au
6. Chris Rado – Wikipedia, the free encyclopedia
7. Windtunnel photos of various cars – Miata Turbo Forum – Turbo Kitten is watching you test compression.
8. www.autospeed.com/A_3059/cms/article.htm
9. www.f1network.net/main/s107/st22394.htm

ขอขอบคุณ (Special Thanks)

• Honda Worldwide | Automobiles | NSX-R
• World Time Attack Challenge
• Automotive Aerodynamics – Sport Compact Car Magazine
• Formula 1 Dictionary

Comments

comments