อากาศพลศาสตร์ หัวใจแห่งความเร็ว

“ความเร็ว” และ “การแข่งขัน” เป็นสิ่งที่อยู่คู่กับสังคมมนุษย์มาช้านานนับหมื่นปี เรารู้สึกตื่นเต้น และเร้าใจกับการแข่งขันความเร็ว ไม่ว่าจะมาจากขาทั้ง 2 ข้างของเราเอง หรือจากพาหนะที่ขับ และขี่ ตั้งแต่ครั้งที่ยังใช้สัตว์เป็นพาหนะ มาจนถึงยุคที่เราแข่งขันกันด้วยยานพาหนะ ไม่ว่าจะเป็นบนผืนดิน ผืนน้ำ หรือผืนฟ้า

สำหรับโลกการแข่งรถยนต์นั้น เริ่มรู้จักสิ่งที่เรียกว่า อากาศพลศาสตร์ เป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 29 เมษายน 1899 นักแข่งรถชาวฝรั่งเศส CAMILLE JENATZY ได้นำรถ LA JAMAIS CONTENTE (ลา จาเมส กงตงต์) หรือแปลเป็นไทยว่า “ไม่พอใจกับสิ่งที่เป็นอยู่” (NEVER SATISFIED) รูปทรงเหมือนลูก RUGBY (บ้างก็ว่าเหมือน ซิการ์ หรือลูกระเบิดที่ทิ้งจากเครื่องบิน) โดยเป็นรถไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ขนาด 35.5 แรงม้า จำนวน 2 ตัว ใช้พลังงานจากแบทเตอรี 200 โวลท์ กระแส 124 แอมแปร์ ได้ทำสถิติความเร็วถึง 105.88 กม./ชม. และเป็นรถที่สามารถทำความเร็วได้เกิน 100 กม./ชม. เป็นครั้งแรก ก่อนจะถูกโค่นสถิติลงโดยรถพลังไอน้ำ ในปี 1902 ที่ทำความเร็วสูงสุด 120.80 กม./ชม. แต่สถิตินี้ก็อยู่ได้ไม่นาน เพราะโดนรถเครื่องยนต์สันดาปภายใน ของ WILLIAM K.VANDERBILT เฉือนเอาชนะไปได้ในปีเดียวกัน ชนิดเส้นยาแดงผ่าแปด คือ 120.83 กม./ชม.   จากนั้นอีกกว่าครึ่งศตวรรษ สถิติความเร็วบนพื้นดินก็เป็นของเครื่องยนต์สันดาปภายในมาตลอด จะมียกเว้นบ้างในกรณีรถพลังไอน้ำ STANLEY STEAMER (สแตนลีย์ สตีเมอร์) ที่ทำสถิติความเร็ว 195.65 กม./ชม. ในปี 1905 และครองสถิตินี้ได้นานถึง 4 ปี ส่วนในปัจจุบัน รถเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เร็วที่สุด คือ RAILTON MOBIL SPECIAL (เรียลทัน โมบิล สเปเชียล) รถรูปทรงหยดน้ำ 2 เครื่องยนต์ ทำสถิติความเร็วสูงสุด 634.39 กม./ชม. ในปี 1947 ส่วนความเร็วที่เหนือขึ้นไปจากนั้น ล้วนมาจากรถที่ใช้เครื่องยนต์เจท (พลังจรวด) ทั้งสิ้น   นักออกแบบ และวิศวกร ต่างรู้ดีว่า ถ้าต้องการความเร็วสูง ต้องทำให้รถสามารถแหวกอากาศได้ดีที่สุด นั่นคือ ต้องจำลองรูปทรงของหยดน้ำให้ได้ดีที่สุดนั่นเอง แต่ก็ประนีประนอมให้มีพื้นที่ใช้สอยพอเหมาะด้วย โดยตัวอย่างของรถคันแรกๆ ที่พยายามใช้แนวคิดนี้ก็คือ TROPFENWAGEN (ทโรพเฟนวาเกน) ในปี 1924 ที่มีรูปทรงหยดน้ำเห็นได้ชัดหากมองจากด้านบน และด้วยการทดสอบในอุโมงค์ลมของ VOLKSWAGEN (โฟล์คสวาเกน) เมื่อไม่นานมานี้พบว่า รถคันนี้ มีสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานอากาศเพียง 0.28 เท่านั้น ซึ่งถือว่าดีเยี่ยม แม้จะเทียบกับรถยุคปัจจุบัน   แต่ต่อมาภายหลังพวกเขาได้พบว่า การแหวกอากาศได้ดีเพียงอย่างเดียวนั้น ไม่พอเพียง เพราะรถยนต์ต้องมีเสถียรภาพ และยึดติดกับพื้นถนนด้วย ซึ่งปัจจุบันเราเรียกเรื่องนี้ว่า DOWNFORCE (ดาวน์ฟอร์ศ) โดยรถคันแรกที่ทำให้เรื่องนี้เป็นที่ประจักษ์ คือ รถพลังจรวด OPEL RAK 2 (โอเพล แรค 2) ในปี 1928 โดยเป็นรถคันแรกที่มีการติดปีกด้านข้างของรถ ปีกนี้สร้างแรงกดให้รถแนบสนิทไปบนพื้นถนน เพื่อที่รถพลังจรวดซึ่งใช้เชื้อเพลิงแข็ง 24 ลูกคันนี้ จะได้ไม่ทะยานเหินหาวขึ้นฟ้าไปขณะทำความเร็วสูงสุด 238 กม./ชม.   นวัตกรรมเรื่องปีกสร้างแรงกดนี้ หลังจากที่ได้เห็นกันใน OPEL RAK 2 แล้ว ก็ไม่มีใครนำมาใช้อีกเลย กระทั่งอีก 37 ปีต่อมา รถแข่ง CHAPARRAL 2C (แชพาร์แรล 2 ซี) ปี 1965 ได้ออกแบบให้มีหางหลังที่ปรับองศาเพื่อสร้างแรงกดด้านท้ายตามความต้องการ แนวคิดในการออกแบบรถแข่งจึงเปลี่ยนไป   ทุกวันนี้เราได้เห็นการใช้ “อากาศ” มาเป็นส่วนหนึ่งในการออกแบบตัวรถ ทั้งในด้านการลดแรงต้านเพื่อให้ประหยัด และทำความเร็วได้สูงขึ้น อีกด้านหนึ่งก็ใช้อากาศเพื่อสร้างแรงกดให้รถสามารถเกาะติดกับพื้นถนนได้ดีกว่าเดิมที่อาศัยแรงยึดเกาะจากยางเพียงอย่างเดียว   DOWNFORCE นั้นสามารถสร้างขึ้นจากอะไรได้บ้าง ? ในอดีตแทบจะไม่มีใครสนใจเรื่องแรงกดสักเท่าไร นักออกแบบ และวิศวกรให้ความสนใจไปที่การลดแรงต้านอากาศเป็นหลัก ส่วนหนึ่งนั้นชัดเจนว่า รถที่มีความลู่ลมล้วนแล้วแต่มีรูปทรงสวยงามน่าตื่นตาตื่นใจ จนกระทั่งในทศวรรษที่ 60 ที่ความรู้เรื่องแรงกดทางอากาศพลศาสตร์เข้ามามีผลต่อการออกแบบรถแข่ง ทำให้ “ปีก” กลายเป็นสัญลักษณ์ของรถสมรรถนะสูงตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา     จริงๆ แล้ว การเพิ่มปีกเข้าไปนั้น ขัดแย้งกับความลู่ลม เพราะปีกส่งผลให้ต้านลมมากขึ้น รวมถึงถ้าปีกมีขนาดใหญ่ สปริงของรถก็ต้องเพิ่มความแข็ง เพราะแรงกดที่เพิ่มขึ้นส่งผลราวกับว่ารถมี “น้ำหนักมากขึ้น” ด้วย ทำให้รถบางคันออกแบบให้ปีกสามารถปรับมุมองศา เพื่อลดแรงกดขณะทำความเร็วสูง บางคันใช้ พโรแกรมคอมพิวเตอร์ในการวิเคราะห์มุมองศาของปีก เมื่อรถเข้าโค้งที่ความเร็วต่างๆ จะมีการปรับมุมองศาของปีกให้สอดคล้องกัน ตัวอย่างเช่น PAGANI HUAYRA (ปากานี วายรา) ไฮเพอร์ คาร์ ที่ตั้งชื่อตามเทพแห่งลมของชนเผ่ามายันในอดีต มีการใช้ปีกเล็กหรือ FLAP แยกซ้าย/ขวา หน้า/หลัง และสามารถปรับมุมองศาของปีกได้อย่างฉับพลัน ตามข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ คล้ายกับ FLAP ของเครื่องบินรบยุคใหม่นั่นเอง   แต่เพื่อให้บรรลุข้อจำกัดเรื่องแรงต้านอากาศ แนวคิดที่พัฒนาต่อมา คือ การสร้างแรงกดโดยไม่ใช้ปีก นั่นคือ การนำศาสตร์ด้าน GROUND EFFECT (กราวน์ด เอฟเฟคท์) มาใช้ โดยศาสตร์เรื่องนี้ มาจากความรู้ทางอากาศยานที่พบว่า หากมีอากาศใต้ท้องรถเบาบางกว่าอากาศที่อยู่เหนือรถ อากาศที่อยู่ด้านบนจะกดให้รถดูดติดพื้น ซึ่งเป็นที่มาของการติดตั้งพัดลมดูดอากาศใต้ท้องรถแข่ง CHAPARRAL 2J (แชพาร์แรล 2 เจ) ปี 1969 ที่ใช้พัดลมดูดอากาศขนาดใหญ่ 2 ตัว ติดอยู่ด้านท้ายรถ ทำงานร่วมกันกับแถบซีลไม่ให้อากาศไหลออกจากใต้ท้องรถ ด้วยวิธีนี้พัดลมจะดูดอากาศออกจากใต้ท้องรถ ซึ่งรถที่ใช้หลักการนี้อีกคันก็คือ BRABHAM BT46 B (บราบแฮม บีที 46 บี) ปี 1978 อันอื้อฉาวที่ออกแบบโดย วิศวกรอัจฉริยะ GORDON MURRAY และแน่นอนว่ารถทั้ง 2 รุ่น “โดนแบน” จากการแข่งขันด้วยข้อหา “ไม่เท่าเทียม” แต่แนวคิดนี้ได้ถูกนำกลับมาใช้ในรถของ GORDON MURRAY อีกครั้งใน GMA T.50 (จีเอมเอ ที.50) ปี 2021 ไฮเพอร์คาร์ ผลงานระดับมาสเตอร์พีศของเขา   หลังจากรูปแบบของรถจอมดูด ถูกแบนจากวงการแข่งขัน วิศวกรผู้ออกแบบรถแข่งก็ได้สรรหาเทคนิคอื่นๆ มาใช้เพื่อสร้างแรงกดต่อไป ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้ คือ การลดความหนาแน่นของอากาศด้วยการใช้ทรงของปีกกลับหัว (INVERTED WING) ที่ช่วยเร่งให้อากาศไหลผ่านออกจากใต้ท้องรถเร็วขึ้น ทำให้อากาศเบาบางกว่าด้านบนของตัวรถ ดังจะเห็นได้จากรถแข่ง LOTUS 78 (โลทัส 78) ที่ออกแบบโดย COLIN CHAPMAN ซึ่งเป็นรถที่ประสบความสำเร็จในการแข่งขันมากมาย และประสบความสำเร็จมากขึ้น เมื่อพวกเขาได้พัฒนารถรุ่นต่อมา นั่นคือ LOTUS 79 (โลทัส 79) ที่ตัวรถมีกำแพง และแถบซีลกันอากาศไหลผ่านออกไปทางด้านข้าง ซึ่งว่ากันว่า แนวคิดนี้เกิดขึ้นระหว่างการทดลองในอุโมงค์ลมที่ชิ้นส่วนตัวรถด้านข้างเกิดความล้า จึงห้อยย้อยลงมาแนบพื้น ซึ่งทำให้ทีมวิศวกรพบว่า จู่ๆ ตัวรถก็สร้างแรงกดเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน จึงเกิดพุทธิปัญญาว่า ถ้าสามารถกั้นไม่ให้อากาศใต้ท้องรถไหลผ่านออกไปทางด้านข้างได้ พวกเขาก็จะสามารถสร้างแรงกดได้มากขึ้นอีกมหาศาล   ปัญหาอยู่ที่ว่าพวกเขาจะต้องออกแบบ “ซีล” ที่กันไม่ให้อากาศไหลออกด้านข้าง ที่ต้องมีความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะใช้งานบนถนนที่ไม่ได้เรียบกริบตลอดเวลาได้ และช่วงแรกคำตอบที่ได้ คือ การใช้ “ขนแปรงไนลอน” (NYLON BRUSH) มาทำเป็นกำแพงกันอากาศ (ถ้าผู้อ่านนึกภาพไม่ออกก็ลองจินตนาการถึงขนแปรงสีฟัน ที่ละเอียดยิบ และหนาเป็นนิ้วดูก็ได้) และแน่นอนว่า วิ่งไปสักพัก ขนแปรงก็จะ “สึก” แล้วพอวิ่งไปสักระยะมันก็จะสูญเสียแรงกดอากาศไปในที่สุด     สุดท้ายพวกเขาก็ได้พัฒนาระบบ SLIDING SKIRT หรือสเกิร์ทเลื่อน ที่ผลิตจากแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ และมีการติดขอบยางไว้ โดยเมื่อแถบยางเริ่มสึก กลไกสปริงยังจะดันให้ขอบยางแนบพื้นต่อไปเรื่อยๆ และส่งผลให้ LOTUS 79 ซึ่งมีระบบ GROUND EFFECT ไร้เทียมทาน นำทีม LOTUS เป็นแชมพ์โลกในปีที่ใช้นวัตกรรมนี้ลงแข่งขัน จนกระทั่งในเวลาต่อมาทีมอื่นก็ พากันพัฒนารถของตัวเองให้สามารถสร้างแรงดูดอากาศทัดเทียมกันได้   อีกประเด็นที่น่าสนใจ และมีการนำมาใช้ในรถสมัยใหม่ก็คือ การจัดการกระแสอากาศที่ไหลเข้าไปในตัวรถ ดังจะเห็นได้จากรถสมัยใหม่หลายต่อหลายรุ่น มีการออกแบบช่อง “ทรงตั้ง” อยู่ที่ปลายของกันชนหน้า ช่องนั้นจะทำหน้าที่จัดการกระแสอากาศให้ไหล “ข้าม” ล้อหน้า หรือทำหน้าที่เหมือนกำแพงอากาศ เพื่อลดแรงต้านอากาศที่เกิดจากการหมุนของล้อ   อีกรูปแบบที่พบบ่อยๆ คือ การออกแบบให้อากาศที่วิ่งผ่านรังผึ้งหม้อน้ำ ซึ่งปกติมักจะปล่อยให้ไหลลงด้านล่าง แต่เพื่อที่จะสร้างแรงกดให้เกิดขึ้นกับเพลาหน้า นักออกแบบจึงจัดช่องทางไหลผ่านของอากาศให้พุ่งขึ้นทางด้านบนจะเห็นได้จากการออกแบบของรถหลายรุ่น มีการเจาะช่องบนฝากระโปรงหน้า อาทิ PORSCHE 911 GT3 (โพร์เช 911 จีที 3), PORSCHE CAYMAN GT4 (โพร์เช เคย์แมน จีที 4), LAMBORGHINI AVENTADOR SVJ (ลัมโบร์กินี อเวนตาโดร์ เอสวีเจ) เป็นต้น     สุดท้าย ยังมีอีกหนึ่งนวัตกรรมที่เกี่ยวกับรอยบุ๋ม หรือ DIMPLE บนผิวของลูกกอล์ฟ เพราะรอยบุ๋มพวกนี้ช่วยให้ลูกกอล์ฟแหวกผ่านอากาศพร้อมกับเกิดกระแสอากาศอลวน (TURBULENT) บริเวณผิวของลูกกอล์ฟ ซึ่งส่งผลให้แรงดูดบริเวณผิวหน้าของมันลดลง อันเป็นผลพลอยได้เช่นเดียวกับผิวสากๆ ของปลาฉลาม ซึ่งช่วยให้ปลาฉลามว่ายน้ำได้เร็ว   คำถาม คือ ถ้ามันดี และลดแรงเสียดทานอากาศได้เช่นนั้น ทำไมจึงไม่มีใครทำรถที่มีผิวบุ๋มเหมือนลูกกอล์ฟ ซึ่งในที่สุดก็มีรายการโทรทัศน์ชื่อดังของประเทศสหรัฐอเมริกา MYTHBUSTER ทำการพิสูจน์ด้วยการนำ FORD TAURUS (ฟอร์ด เทารัส) มาทำให้มีพื้นผิวเหมือนลูกกอล์ฟ แล้ววิ่งทดสอบอัตราสิ้นเปลืองเปรียบเทียบกับ FORD TAURUS ที่พื้นผิวเรียบปกติ ผลการทดสอบออกมาชัดเจนว่า รถคันที่พื้นเต็มไปด้วยรอยบุ๋ม สามารถวิ่งได้ไกลกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งยืนยันว่ารอยบุ๋มบนพื้นผิวนั้นมีประโยชน์จริง ไม่ใช่เรื่องตลกแต่อย่างใด   รถที่ใช้แนวคิดนี้ในปัจจุบันก็มีอยู่ อาทิ BUGATTI BOLIDE (บูกัตตี โบลีด) ไฮเพอร์คาร์ขั้นเทพ ซึ่งมีช่องดูดอากาศอยู่เหนือเพดาน โดยขณะวิ่งด้วยความเร็วสูง อากาศในท่อจะดันให้ผิวท่อด้านในโป่งออกด้านนอกคล้ายผิวคางคก ทำให้ภายในท่อนั้นกลายสภาพเป็นผิวบุ๋ม ลดแรงต้านอากาศได้ แต่เชื่อหรือไม่ว่า ยังมีรถอีกหลายรุ่นที่ใช้พื้นผิวบุ๋มแบบลูกกอล์ฟเช่นกัน แน่นอนว่านึกอย่างไรก็นึกไม่ออก เพราะมันไม่ได้อยู่ในตำแหน่งที่เรามองเห็น เนื่องจากมันเป็นพื้นผิวของชิ้นส่วน “ใต้ท้องรถ” !?!   ล่าสุด เราสามารถพบมันได้ในแผ่นรองใต้ท้องของรถสมรรถนะสูงอย่าง PORSCHE CAYMAN GT4 ที่ออกแบบมาเพื่อให้อากาศไหลลื่น แต่ที่น่าสนใจมากกว่านั้นก็คือ รถรุ่นแรกที่มีแผ่นปิดใต้ท้อง เป็นรอยบุ๋มแบบลูกกอล์ฟ คือ VOLKSWAGEN GOLF (โฟล์คสวาเกน กอล์ฟ) รุ่นปี 2007 (กอล์ฟแท้ๆ เลย)   เรื่องอากาศพลศาสตร์นั้น เป็นส่วนสำคัญกับการออกแบบรถยนต์ชนิดที่เรียกว่าแยกกันไม่ออก และมีให้เราได้ศึกษาไปอย่างไม่รู้จบ ไม่เชื่อลองไปดูการออกแบบชิ้นส่วนตัวถังของรถแข่งสูตร 1 กันได้ !?!