【Sains Tegar】Aerodinamik Automotif: Kompromi Kejuruteraan Antara Pemisahan Lapisan Sempadan dan Reka Bentuk Pengurangan Seretan

Mengapa sehelai kertas yang jatuh mendatar lebih lambat berbanding kertas jatuh menegak?

Soalan ini kedengaran cukup mudah, tetapi ia sebenarnya merupakan titik permulaan bagi keseluruhan aspek aerodinamik automotif.

Apabila kertas jatuh mendatar, ia tertakluk kepada seretan tekanan. Udara bergerak pantai di permukaan atas lalu menghasilkan tekanan rendah, sementara aliran udara di permukaan bawah lebih perlahan dengan tekanan tinggi. Perbezaan tekanan antara kedua-dua permukaan inilah yang "menahan" kejatuhan kertas. Apabila jatuh menegak, luas unjuran kertas kecil, udara mudah melaluinya lalu kertas jatuh dengan lebih cepat.

Matlamat aerodinamik automotif pada dasarnya sama dengan kes kertas tadi: mengawal taburan tekanan pada permukaan badan kereta. Walaupun reka bentuk kereta seberapa licin, selagi ia bergerak, udara pasti akan "terpisah" di beberapa bahagian dan "terkumpul" di tempat lain. Tugas jurutera adalah terus menyesuaikan aliran di kawasan pemisahan dan pengumpulan udara ini.

Lapisan sempadan: Geseran permukaan yang tidak dapat dilihat

Mari kita tanyakan soalan yang lebih asas: Apabila udara mengalir melintasi permukaan badan kereta, berapakah kelajuan lapisan udara yang melekat pada lapisan cat?

Jawapannya ialah sifar. Ia berdasarkan syarat sempadan tanpa gelincir bendalir; lapisan bendalir yang bersentuhan terus dengan permukaan bergerak pada kelajuan sifar berbanding dinding.

Di antara kelajuan sifar pada permukaan dan kelajuan aliran utama, wujud zon peralihan dengan kelajuan yang meningkat secara beransur-ansur. Lapisan nipis ini dikenali sebagai lapisan sempadan. Di dalamnya, daya kelikatan memindahkan momentum sedikit demi sedikit daripada aliran utama kepada bendalir berkelajuan rendah berhampiran permukaan.

Lapisan sempadan terbahagi kepada dua jenis: aliran laminar dan aliran turbulen.

Di dalam lapisan sempadan laminar, garisan aliran teratur umpama murid sekolah berjalan dalam barisan. Sebaliknya, garisan aliran dalam lapisan sempadan turbulen berselerak, seperti pelajar yang berpusu-pusu keluar selepas waktu persekolahan.

Anda mungkin menganggap aliran laminar lebih unggul kerana susunan aliran yang kemas dan geseran rendah. Namun, lapisan sempadan laminar mempunyai kelemahan kritikal: keupayaan menentang kecerunan tekanan songsang sangat lemah.

Apakah kecerunan tekanan songsang? Udara mengalir dari bahagian hadapan ke belakang kereta, laluan aliran mengembang, kelajuan menurun dan tekanan meningkat. Kawasan dengan tekanan yang semakin meningkat ini dinamakan kawasan kecerunan tekanan songsang. Bendalir berkelajuan rendah dalam lapisan sempadan laminar mempunyai momentum yang sedikit. Apabila berhadapan dengan kecerunan tekanan songsang, ia ibarat orang mendaki bukit melawan angin dan tidak mampu meneruskan pergerakan. Apabila ia berhenti, pemisahan aliran akan berlaku.

Titik pemisahan ialah lokasi kecerunan normal kelajuan bendalir pada dinding bernilai sifar. Selepas pemisahan, bendalir terpisah daripada permukaan lalu membentuk kawasan pusaran tekanan rendah yang besar di ekor badan kereta. Kawasan tekanan rendah ini "menyedut" kereta ke belakang dan menghasilkan seretan tekanan.

Oleh itu lahir strategi kejuruteraan yang kelihatan bertentangan dengan naluri: memacu peralihan lapisan sempadan daripada aliran laminar kepada turbulen secara aktif.

Walaupun lapisan sempadan turbulen menghasilkan geseran permukaan yang lebih besar, pergolakan di dalamnya dapat "menarik" momentum tinggi daripada aliran utama ke bahagian berhampiran dinding. Ia membekalkan momentum tambahan kepada lapisan sempadan supaya mampu bertahan lebih lama di bawah pengaruh kecerunan tekanan songsang. Titik pemisahan ditangguhkan, kawasan tekanan rendah di ekor mengecil dan seretan tekanan menurun dengan ketara. Peningkatan geseran adalah jauh lebih kecil berbanding pengurangan seretan tekanan. Inilah sebabnya bola golf mempunyai lekukan permukaan; lekukan mencetuskan peralihan lapisan sempadan kepada aliran turbulen lalu membolehkan bola terbang lebih jauh.

Bagaimanakah peralihan aktif dilaksanakan pada kenderaan? Tirai udara pada kedua-dua sisi bumper hadapan merupakan contoh. Tirai udara menyalurkan aliran udara berkelajuan tinggi ke sisi roda hadapan dan menyuntik aliran bermomentum tinggi ke gerbang roda. Ia meningkatkan keupayaan lapisan sempadan menentang kecerunan tekanan songsang dan menangguhkan pemisahan aliran. Tirai udara yang direka dengan baik dapat meningkatkan lekatan aliran pada sisi badan kereta dengan ketara tanpa penambahan seretan yang besar.

Permukaan Atas Badan Kereta: Kompromi Aliran Udara

Mari kita tanyakan satu lagi soalan: Bagaimanakah udara mengalir melintasi bumbung kereta?

Udara terbelah di pinggiran hadapan kereta; sebahagian mengalir melalui bumbung, sebahagian lagi melalui bahagian bawah badan dan selebihnya membelok ke kedua-dua sisi. Aliran di permukaan atas mengikuti laluan "aliran semula jadi". Udara memecut sepanjang permukaan melengkung bumbung lalu tekanan menurun, kemudian menyahpecut dengan peningkatan tekanan di kawasan cermin belakang. Kedudukan titik pemisahan secara langsung menentukan saiz pusaran ekor. Semakin jauh ke belakang titik pemisahan, semakin kecil kawasan tekanan rendah di ekor dan semakin rendah seretan tekanan.

Walau bagaimanapun, aliran permukaan atas mempunyai masalah yang lebih rumit: aliran sentuhan.

Ketika memandu pada kelajuan tinggi, udara di hadapan kereta dimampatkan dan sebahagiannya terpaksa "menyusup" melalui celah antara bahagian hadapan dan jalan. Aliran ini bergerak pantas di ruang sempit bawah badan kereta dan mengalami kesan ricihan berganda daripada lapisan sempadan jalan serta lapisan sempadan bawah badan. Aliran kehilangan tenaga dan mudah berpisah. Apabila aliran sentuhan berpisah, ia membentuk kawasan tekanan rendah yang luas di bawah kereta, meningkatkan seretan dan mengurangkan downforce.

Mengurangkan ketinggian bahagian hadapan dapat mengehadkan jumlah aliran sentuhan, namun kelegaan tanah yang terlalu rendah akan menjejaskan keupayaan melepasi halangan. Jurutera perlu mencari keseimbangan antara kedua-dua faktor. Sistem suspensi aktif boleh merendahkan badan kereta secara automatik pada kelajuan tinggi untuk mengurangkan kesan aliran sentuhan, mengimbangi keupayaan lalu lintas dan prestasi aerodinamik.

Bahagian Bawah Kereta: Kilang Downforce yang Sering Dipandang Rendah

Dari manakah sumber utama downforce kereta F1?

Ramai orang menjawab sayap hadapan dan sayap belakang. Namun jawapan tepatnya: kira-kira 40% hingga 50% downforce jentera F1 dihasilkan oleh bahagian bawah casis dan diffuser.

Prinsip diffuser mudah difahami, ia berasaskan kesan Venturi. Udara memecut dan tekanan menurun di laluan sempit bawah kereta, kemudian menyahpecut dengan pemulihan tekanan di bahagian pengembangan diffuser. Titik penting ialah bahagian leher diffuser dengan tekanan paling rendah. Semakin rendah tekanan di bawah kereta, semakin tinggi tekanan relatif pada bumbung; perbezaan tekanan ini menekan kereta ke arah jalan raya.

Namun diffuser mempunyai batasan: sudut pengembangan tidak boleh terlalu besar. Kajian membuktikan terdapat nilai sudut optimum. Apabila sudut melebihi batas optimum, pemisahan aliran akan menyebabkan penurunan mendadak downforce. Selepas pemisahan, tiada lagi aliran melekat di dalam diffuser, kawasan tekanan rendah hilang dan downforce merosot serta-merta. Pasukan FSAE biasanya memasang sirip pengarah aliran di dalam diffuser untuk melambatkan pemisahan dan membenarkan sudut pengembangan yang lebih besar.

Satu lagi isu yang sering diabaikan ialah kelegaan tanah. Jika kelegaan tanah terlalu rendah, lapisan sempadan akan "tersumbat" di salur masuk diffuser dan mencetuskan pemisahan awal. Oleh itu, kelegaan tanah diffuser jentera FSAE perlu dikawal dengan tepat: cukup rendah untuk memanfaatkan kesan bumi, tetapi mengelakkan penyumbatan lapisan sempadan.

Kelebihan diffuser yang jarang diberi perhatian ialah nisbah angkat-seretan yang sangat tinggi. Jika tiada pemisahan aliran yang teruk, sumbangan langsung diffuser terhadap seretan adalah rendah. Ini bermakna setiap kilogram downforce yang dihasilkan hampir tidak menambah seretan tambahan. Sebaliknya, sayap belakang menghasilkan downforce tetapi turut menjana seretan teraruh yang ketara. Itulah sebabnya jentera F1 dan LMP sangat bergantung pada casis untuk menjana downforce. Sayap hadapan dan belakang menyumbang sekitar 60% downforce, manakala diffuser menyumbang 40%, namun kecekapan aerodinamik diffuser jauh lebih unggul daripada elemen sayap.

Aerodinamik Aktif: Apabila Kereta Mula 'Berfikir' Cara Membelah Angin

Semua perbincangan sebelum ini menganggap badan kereta bersifat statik. Bagaimana jika komponen badan boleh bergerak secara aktif?

Gril penutup udara aktif merupakan peranti aerodinamik aktif yang paling meluas pada kenderaan pengeluaran massa. Apabila enjin dihidupkan dalam keadaan sejuk, gril akan tertutup untuk mengurangkan rintangan udara radiator dan mempercepatkan pemanasan. Semasa memandu pantas, ia akan ditutup separa atau penuh mengikut keperluan penyejukan untuk mengurangkan tekanan positif di bahagian hadapan. Gril aktif Lotus Eletre apabila tertutup dapat menambah jarak perjalanan 15 km serta menjana 22.5 kg downforce.

Sayap belakang aktif merupakan contoh klasik lain. Sayap belakang Lotus Eletre mempunyai empat tahap pelarasan: sudut bukaan 23° untuk seretan paling rendah, manakala tahap optimum downforce menjana 112.5 kg downforce. Lotus Emeya dilengkapi sayap belakang dwi-lapisan aktif selebar 296 mm yang menjana 215 kg downforce bersih; jumlah downforce bersih maksimum kenderaan melebihi 150 kg. Digabungkan diffuser belakang aktif, Emeya boleh bertukar secara fleksibel antara pekali seretan 0.21 Cd dan 150 kg downforce.

Logik teras aerodinamik aktif ialah penyesuaian mengikut keadaan operasi. Pada kelajuan rendah yang tidak memerlukan downforce, sistem mengurangkan seretan untuk menambah jarak perjalanan; pada kelajuan tinggi atau ketika memotong selekoh, ia meningkatkan downforce untuk kestabilan. Prinsip ini semakin penting dalam era kenderaan elektrik. Setiap pengurangan 0.01 Cd pekali seretan dapat meningkatkan jarak perjalanan lebuh raya sebanyak 5 hingga 8 km. Pekali seretan paling rendah sedan pengeluaran massa kini mencapai 0.191 Cd. Angka ini dicapai hasil usaha jurutera yang terus menyesuaikan elemen tidak kelihatan seperti lapisan sempadan, titik pemisahan dan taburan tekanan.

Kata Akhir

Mari kembali kepada persoalan kertas pada permulaan artikel.

Kertas jatuh mendatar dengan lebih perlahan disebabkan seretan yang terhasil daripada perbezaan tekanan kedua-dua permukaan. Segala usaha aerodinamik automotif – mengawal peralihan lapisan sempadan, menangguhkan pemisahan aliran, mengoptimumkan sudut diffuser dan pemasangan sayap belakang aktif – pada dasarnya bertujuan satu matlamat: memastikan aliran udara melintasi badan kereta dengan kurang pemisahan dan pengumpulan udara.

Perkara ini kedengaran mudah, namun pelaksanaannya memerlukan penyelidikan mekanik bendalir selama berdekad-dekad. Di sebalik setiap kenderaan pengeluaran massa dengan pekali seretan di bawah 0.20 Cd, wujud kompromi kejuruteraan yang panjang berkaitan lapisan sempadan, titik pemisahan dan taburan tekanan.

Rujukan:
APS Division of Fluid Dynamics, “On the origin of the drag force on golf balls” (2017)
NRC Publications Archive, “New results from the evaluation of drag reduction technologies for light-duty vehicles” (2026)
Car and Driver, “The Physics of Diffusers: How to Make a Car Really Suck”
F1Technical, “The Ground Effect”
Born To Engineer, “The Engineering Behind Formula 1” (2025)
White, F. M., “Viscous Fluid Flow” (McGraw-Hill)
Schlichting, H., “Boundary-Layer Theory” (Springer)
Anderson, J. D., “Fundamentals of Aerodynamics” (McGraw-Hill) 
SAE International, “Numerical Three-Dimensional Study of an Open Wheel Race Car Undertray” (2018)