Techniek: aerodynamica
Als het gaat om topsnelheid en de stabiliteit bij extreem gebruik, dan is de aerodynamica van een motor een essentiële factor. Bij sportmotoren – en nog meer bij racemotoren – ligt de focus daarbij niet alleen maar op een lage luchtweerstand.
Wanneer je je afvraagt waar een motor 200 pk voor nodig heeft, dan is het natuurkundige antwoord: vooral om heel veel lucht te verplaatsen. Het grootste deel van de rijweerstand komt nou eenmaal voort uit de beweging van man en machine door de stilstaande lucht. In elk geval in een situatie van constante snelheid – het spreekt voor zich dat tijdens acceleratie, en dan met name in het lagere snelheidsbereik, het grootste deel van het vermogen gaat zitten in het versnellen van de massa van diezelfde rijder en machine. De wrijvingsverliezen in de transmissie van krukas naar achterwiel zijn daarentegen gering; de rolweerstand van de banden is al wat groter, maar nog steeds erg klein in verhouding tot de luchtweerstand.
Die wrijvingsverliezen in de hele transmissie inclusief de rolweerstand van de achterband worden in onze vermogensmetingen overigens vastgesteld in een uitrolmeting, na het bereiken van het maximale toerental in de hoogste versnelling. Het totaal bedraagt doorgaans tussen de zeven en negen procent. Daar komt op de weg nog de rolweerstand van de voorband bij, dus in totaal kun je zeggen dat ruim 90 procent van het motorvermogen nodig is voor het overwinnen van de luchtweerstand.
Voor het behalen van een hoge topsnelheid moet de luchtweerstand dus zo laag mogelijk zijn, dat zal niemand verbazen. En hier hebben motorfietsen een natuurlijk voordeel. Ze zijn namelijk klein, en dan vooral smal. In elk geval als je ze vergelijkt met andere voertuigen. Met 200 pk haalt een sportmotor tegenwoordig ruim 300 km/u (dat deed de Suzuki Hayabusa in 1999 zelfs al met 175 pk), een auto met 200 pk haalt misschien 230 km/uur. Gewoon omdat zijn frontale oppervlak veel groter is. En dan rijden veel mensen tegenwoordig ook nog graag met SUV’s, waarvan het frontale oppervlak nog weer een heel stuk groter is, waardoor de genoemde 200 pk hooguit nog 200 km/u oplevert.
Motorfietsen hebben qua luchtweerstand echter ook duidelijke nadelen. Ze zijn relatief kort en bovendien erg onregelmatig van vorm, temeer doordat er een rijder los bovenop zit. Dat is ongustig, want de luchtweerstand is het laagst wanneer de luchtstroom zo weinig mogelijk wordt verstoord. Dat wordt laminaire stroming genoemd. Luchtwervelingen, die turbulente stroming worden genoemd, kosten enorm veel extra vermogen. De stroomlijn van een voertuig wordt weergegeven met de Cw-waarde, de luchtweerstandscoëfficiënt (ook wel aangeduid als Cx). Deze waarde geeft vermenigvuldigd met het frontale oppervlak (A) de feitelijke luchtweerstand.
Een kleine zijsprong: de voordelen van een goede aerodynamica werden door de ontwerpers van racemotoren al midden vorige eeuw nadrukkelijk benut. In de jaren vijftig verschenen op de GP-racers de zogenaamde badkuip-stroomlijnen, waarbij ook het voorwiel werd omhuld en de coureurs volledig achter de stroomlijn konden wegkruipen. Zo werd het kleine frontale oppervlak van een motorfiets gecombineerd met een mooi laminaire luchtstroom over een groot deel van de machine. De behaalde topsnelheden waren fantastisch: de legendarische, circa 80 pk sterke Moto Guzzi V8 500cc-racer werd op het circuit van Francorchamps gemeten op 286 km/uur! Het duurde echter niet lang voordat een in de kuip geïntegreerd voorwiel werd verboden, vooral vanwege de risico’s van die extreem hoge topsnelheden met de banden en remmen van toen en de circuits van toen. En op straat durft vandaag de dag waarschijnlijk alleen al uit oogpunt van styling geen enkele fabrikant het aan.
Terug in het hier en nu. Met een plat op de tank liggende rijder bedraagt het frontale oppervlak van bijvoorbeeld een Yamaha YZF-R1 vrijwel precies een halve vierkante meter. De Cw-waarde van zo’n sportmotor bedraagt ondanks de kuip echter een belabberde 0,6 of nog slechter. Daarom is de uiteindelijke luchtweerstand, dus het product van Cw en A, niet zo goed als je zou verwachten. Bij de beste motorfietsen van dit moment kom je op een CwA van iets boven de 0,3 uit.
Een aerodynamisch goede auto, zoals bijvoorbeeld het nieuwste type VW Golf, behaalt een Cw-waarde van 0,27. Zijn frontale oppervlak bedraagt echter een enorme 2,19 m2, waardoor de uiteindelijke luchtweerstand toch twee keer zo hoog is als bij onze sportmotor.
Wanneer je vervolgens bedenkt dat bij de berekening van het benodigde motorvermogen voor het overwinnen van de luchtweerstand de snelheid in de derde macht wordt meegenomen, dan kan je je goed voorstellen hoe belangrijk een goede stroomlijn is op hoge snelheden. Om de snelheid te verdubbelen, heb je acht keer zoveel vermogen nodig (23, dus 2 x 2 x 2)! Om de topsnelheid één procent te verhogen, heb je drie procent meer vermogen nodig. Onze sportmotor die met 200 pk 300 km/u haalt, zou dus 206 pk nodig hebben om 303 te halen. Dat zijn drie dure kilometers. Dan is het zinvoller om aan zijn Cw en A te gaan werken. Dus hem gestroomlijnder en smaller maken (lager gaat nagenoeg niet, aangezien de hoogte nodig is voor zitpositie en stuureigenschappen).
Aan de hand van het voorbeeld van de ontwikkeling van de eerste BMW S1000RR kunnen we zien hoe rigoureus daarbij wordt gewerkt. In de eerste grafiek wordt weergegeven waar over de lengte van de motor de luchtweerstand optreedt. Zo kan er als het ware schijfjesgewijs aan de grootste factoren worden gewerkt. Het is daarbij niet verrassend dat bij de neus en de rijder de grootste luchtweerstand optreedt. Wil je de machine inclusief rijder sneller maken, dan kun je in het gebied rond de spiegels en bij de positie van de rijder achter de kuip veel winst boeken.
Bij de raceversie voor het WK Superbike vervielen natuurlijk de spiegels en richtingaanwijzers, werd een hogere ruit gemonteerd en werd de onderkuip bijna tot aan het achterwiel doorgetrokken. Daarmee werd een verbetering van de CwA-waarde van circa 10% behaald. Waardoor de Superbike-racer vergeleken met de standaardmotor meteen zo’n 11 km/uur harder liep!
Topsnelheid is echter zelfs in de racerij niet alles. Het gedrag in de bochten is net zo goed belangrijk, daar is op het circuit de meeste tijdwinst te behalen. Dat hebben de race-ingenieurs in de jaren 60 gaandeweg natuurlijk ook begrepen en zijn op den duur wat kleinere kuipen met hogere sturen gaan gebruiken.
De afgelopen jaren is vooral Ducati heel actief geweest op het gebied van aerodynamica – en de concurrentie volgde snel. De voornaamste reden: door de dynamische wiellastverdeling tijdens harde acceleratie en de aerodynamische lift (opwaartse kracht) aan de voorzijde op hoge snelheden wordt het voorwiel niet voldoende belast. Door die lift kun je minder vermogen kwijt tijdens acceleratie, treedt er instabiliteit op hoge snelheid op en kun je ook minder snel remdruk opbouwen, omdat de aanvangsdruk op het voorwiel kleiner is. In de windtunnel ontwikkelde Ducati als eerste de veelbesproken vleugeltjes (in het Engels ‘winglets’) aan de zijkant van de kuip, om voor neerwaartse druk te zorgen. Dat levert op hogere snelheden een snellere acceleratie op, terwijl als prettig neveneffect de voorband op de rechte stukken warmer blijft doordat hij meer belast wordt. Overigens kun je er in tegenstelling tot bij auto’s in principe niet harder mee door de bocht, omdat de kracht in de hartlijn van de motor werkt. Onder toenemende hellingshoek wil dus een steeds groter deel van die kracht je uit de bocht drukken in plaats van tegen het asfalt, net als het gewicht van de motor dat doet.
Hoe hoog de opwaartse kracht is, werd ook door BMW onderzocht – en de aerodynamica werd navenant aangepast. In de tweede grafiek met de motor zie je alleen een klein beetje lift bij het achterwiel; voor is er zelfs wat neerwaartse kracht, zij het minimaal. Maar toch: missie geslaagd. Het is echter een heel verschil met de Ducati Panigale V4R, die standaard van vleugeltjes is voorzien. Die geven serieuze ‘downforce’ op de voorkant, tot meer dan 30 kilo maar liefst! De rechtuitstabiliteit van de Ducati blijkt dan ook erg goed. Overigens is Ducati niet de eerste met spoilerachtige voorzieningen op de kuip. Een aantal jaren geleden verschenen dergelijke elementen al op de ultrasterke compressor-Kawasaki H2R. In de MotoGP experimenteren inmiddels alle fabrikanten met uiteenlopende soorten vleugeltjes, tot een soort driedekkers aan toe.
Daarbij mag de luchtstroom overigens niet té laminair, té perfect zijn. Bij hoge snelheden treedt er dan een soort verstijvingseffect op. Dan is de motor moeilijk in de bocht te leggen en wordt hij slecht wendbaar in snelle bochtencombinaties. Daarom zijn sommige vleugeltjes zo gevormd en geplaatst dat ze op heel hoge snelheden ‘overtrekken’, waarbij de luchtstroom loslaat en de neerwaartse druk wegvalt. Net als bij een vliegtuig dat door een te grote invalshoek plotseling zijn draagvermogen verliest. Dat voorkomt ook dat de luchtweerstand onnodig groot wordt en dus topsnelheid kost. Ook worden er wel gaten in de kuip gemaakt om de gewenste wervelingen te krijgen en zo het verstijvingseffect tegen te gaan.
Het onderwerp aerodynamica is dus erg complex. En dan hebben we het nog niet eens gehad over windbescherming, lawaai, de doorstroom van de radiateurs en de algehele warmtehuishouding…
