Széllel szemben villanyautósként – hogyan befolyásolja a hatótávot a szél iránya és sebessége?

A június elején lebonyolított nyári merítés során, ahol 45 tisztán elektromos járművet merítettünk le megállásig, sok érdekes és értékes tapasztalatot gyűjthettünk a villanyautók napi használatáról (pl. fogyasztási adatok 130-as tempónál, még megtehető táv – elvileg – nullára merített autóval, stb). Az egyik nagyon érdekes tapasztalatról azért is érdemes beszélni, mert kiváló példája annak, amikor a fizika teszi a dolgát, mi pedig pórul járhatunk, ha nem figyelünk oda rá.

Kiderült ugyanis, hogy az eredetileg kidolgozott terv, mely szerint addig megy mindenki az autópályán, amíg 45% alá nem merül az akkumulátor töltöttségi szintje, hibásnak bizonyult, mert a szél hatásával nem számoltunk. A Fótról az M3-ason kelet felé elinduló konvoj az elején ugyanis jelentős hátszéllel közlekedett, ami kisebb fogyasztással járt, ez azonban a visszafordulást követően szembeszélként már épp fogyasztásnövekedésbe csapott át, így a kis aksival rendelkező autók többsége nem hogy a bázisig nem jutott el visszafelé, hanem többségük Hatvan környékén merült le, jó 40-50 km-re kiindulási pontként szolgáló Aldi parkolójától. Ebből tanulva a szervezői csapat módosította a visszafordulás kritériumát 55%-ra, így a nagyobb hatótávú, ennélfogva később forduló autóknál már nem volt ilyen probléma. De hogy lehet, hogy a szélirány ennyire befolyásolja a hatótávot? És ez tényleg csak az elektromos autóknál ekkora probléma?

A probléma a fizikában gyökerezik

Ha csak nem vákuumban közlekedünk, van egy tényező, ami minden esetben hatással van az előrehaladásunkra, mert a mozgás irányával ellentétes. Ezt hívjuk közegellenállásnak. Aki próbált már vízben futni, vagy kísérletezett gyerekkorában azzal, mekkora erővel lehet átszúrni a ceruza hegyét a radíron, tapasztalatból ismeri azt az összefüggést, hogy a közeg sűrűségének növekedésével növekszik az az erő, amit ki kell fejtetnünk az elmozduláshoz. A közegellenállás a villanyautók fogyasztásának egyik legfontosabb, mégis gyakran alulértékelt tényezője, amelynek legfontosabb eleme a közeghez – jelen esetben a levegőhöz – képest mérhető sebességünk. A közegellenállás elsősorban a haladni próbáló test előtti közeg részecskéinek tehetetlenségéből (mozgásba kell hozni vagy félre kell lökni őket), illetve a megmozdított és áramló közeg részecskéinek súrlódásából fakad a jármű felszínével való érintkezés során. Érthető módon minél nagyobb az elmozdulás sebessége, annál nagyobb lesz az azt akadályozó erő is. Azonban természetes körülmények között gyakran maga a közeg sem statikus, pl gyakran előfordulnak benne széllökések vagy állandó szelek, ezek pedig megváltoztatják a levegőhöz képesti relatív sebességünket. Könnyen belátható tehát, hogy ez is jelentős hatással lehet a közegellenállás mértékére (ami ugye a közeghez képest mért sebességgel nő). Vagyis összegezve: a kifejtendő erő nagysága, illetve végső soron a megtehető táv nagy mértékben függ attól, hogy a haladási irányhoz képest honnan fúj a szél és mekkora sebességgel. Leegyszerűsítve: a szembeszél jelentős mértékben ronthatja a hatótávunkat, a hátszél sokat tud növelni rajta, az oldalszél pedig sokféle módon tud hatással lenni a megtehető kilométerek számára.

Ismerjük meg alaposabban a problémát!

Nézzük meg egy kicsit alaposabban, hogy működik a közegellenállás! A közegellenállás több tényezőből tevődik össze: 

• A közeg sűrűsége (nem mindegy, hogy levegőben, vízben vagy egy vödör jó sűrű festékben haladunk).
• A közeghez képest mért relatív sebesség (milyen gyorsan akarunk haladni az adott közegben). Ahogy ezt fentebb láttuk, ez tulajdonképpen a legnagyobb hatású tényező.
• A közegellenállási együttható, ami a haladó tárgy (esetünkben az autó) formájából adódik.
• A közegben haladni próbáló tárgy keresztmetszetének területe (homlokfelület).

A közegellenállási együttható esetében könnyen belátható, hogy minél „áramvonalasabb” az autó, vagyis a közeg részecskéi minél könnyebben „kikerülik” áramlásuk közben, annál kevésbé „tolja a levegőt” maga előtt. Egy busz és egy sportkocsi között többszörös különbség lehet ebben az együtthatóban, ami egy 0 és 1 közötti, mértékegység nélküli érték. Ráadásul okos mérésekkel kideríthető, hogy önmagában a haladás irányára merőleges keresztmetszet is fontos tényező (homlokfelület).

Ezek együtteséből fakadóan éled az a bizonyos közegellenállási erő, ami ellene hat a mozgásunknak és ahhoz, hogy gyorsuljunk, ezt az erőt meghaladó, ahhoz pedig, hogy egyenletes mozgást tudjunk végezni, ezzel megegyező erőt kell nekünk kifejtenünk (amihez a szükséges energiát a járműből nyerjük, villanyautók esetében az akkumulátorból).

Ez az összefüggés, amelyet dolgos és alapos fizikusok meghatároztak, a következő képlettel írható le:

Ahol:

• F_d: a közegellenállási erő (a d a közegellenállás angol megfelelőjéből – „drag” – ered)
• ρ: a közeg (levegő) sűrűsége
• C_d: a jármű légellenállási együtthatója
• A: homlokfelület
• v: a jármű sebessége a közeghez (levegő) képest

Autózás szempontjából a képlet igazi kulcsa a sebesség, pontosabban az azzal való négyzetes arányosság: ha a sebesség a kétszeresére nő, a légellenállás nem lineárisan változik vele együtt, hanem konkrétan a négyszeresére. Ezért ugrik meg a fogyasztás jelentősen, ha 110 km/h-ról 130 km/h-ra gyorsítunk. Hiszen miközben 18%-kal növeltük a sebességet (1,18-szorosára), a közegellenállás annak négyzetére, vagyis kb. 1,4-szeresére nőtt, vagyis ennyivel nagyobb erőt kell kifejtenünk ahhoz, hogy a közegellenállást legyőzzük. Végős soron pedig mindehhez ennyivel több energiára van szükség, ha adott távolságot meg akarunk tenni.

A „láthatatlan fogyasztásnövelő”

De akkor pontosan mi lesz itt a szél szerepe? Nos, a (villany)autó közegellenállása nem a talajhoz viszonyított sebességből fakad, hanem a levegőhöz viszonyítottból. Ha 100 km/h-val haladsz, és szélcsend van, akkor ez lesz a levegőhöz viszonyított sebességed. Ha viszont 20 km/h-s ellenszél fúj, a jármű aerodinamikailag 120 km/h-nak megfelelő terhelést kap, miközben az útburkolathoz képest csak 100 km/h-val halad. A légellenállás ezért jelentősen (a fenti példa esetében 44%-kal) nő. Az pedig a fentiekből következően könnyen belátható, hogy a megnövekedett légellenállás miatt nagyobb erő (és ennek megfelelően nagyobb mennyiségű energia) kell a haladáshoz, ami fogyasztásnövekedésben jelenik meg. Ez pedig csökkenő hatótávot jelent. Hátszél esetén a helyzet épp az ellenkezője: mivel csökkenti a közeghez képesti relatív sebességet, jelentős fogyasztáscsökkenés is elérhető, vagyis nő a hatótáv. Mindkettőre láttunk példát az Elmob Nyári merítés című eseményén, amikor kelet felé haladva jelentős hátszéllel, visszafelé pedig ugyanakkora szembeszéllel haladtak a résztvevő járművek.

Az, hogy az oldalszél pontosan milyen hatással van a fogyasztásra, az már nem ilyen kézenfekvő. Az oldalszél instabilitást okoz, a menetstabilizáló rendszerek többet dolgoznak. Ez azért járhat kisebb mértékű fogyasztásnövekedéssel, bár ez messze nem olyan számottevő, mint a szembe- vagy a hátszél esetében.

Miért különösen fontos mindez a villanyautóknál?

A belső égésű motoroknál a légellenállás csak egy a sok veszteség közül. Egy átlagos belső égésű motor hatásfoka 12-30% között mozog. A villanyautók viszont magas hatásfokkal rendelkeznek (87-91%, ha a regeneratív fékezést is figyelembe vesszük), vagyis az energia nagy része a jármű tényleges mozgatására fordítódik. Ezért az összes energiafogyasztáshoz képest nagyobb arányban jelenik meg a közegellenállás miatti extra veszteség, amit fogyasztásnövekedés, végső soron pedig hatótáv csökkenés formájában tapasztalunk. A szél tehát sokkal látványosabban befolyásolja a hatótávot, mint a hagyományos autóknál. Ez kis sebességeknél, pl. városban való közlekedésnél talán fel sem tűnik, ami leginkább a jelentősen alacsonyabb sebességgel való haladás miatt van, de autópálya-tempónál a közegellenállás válik a fogyasztást leginkább befolyásoló tényezővé.

Mit tegyen a villanyautós, ha nem akarja, hogy kiszúrjon vele a fizika?

1. Jól megválasztott autó: a fentiekből következik, hogy minél áramvonalasabb a járműved, annál kisebb fogyasztásra számíthatsz, hiszen jelentősen csökkentheted a közegellenállást, amit le kell küzdenie. Az az autó, ami tolja maga előtt a levegőt, nyilvánvalóan többet fog fogyasztani. Itt egy lista a jelenlegi újautó piacon elérhető legáramvonalasabb autókról.
2. Jól megválasztott sebesség: Nos, 100 km/h-val haladni nem ördögtől való gondolat és egyáltalán nem ciki. A legtöbb autó ezt a kis törődést kellemesen alacsony fogyasztással fogja meghálálni. Ha neked a 130-as tempó kell az autópályán, az is rendben van, de ne feledd: a sebességgel négyzetesen nő a közegellenállás, ami hasonló arányú fogyasztásnövekedést eredményez!
3. Tájékozódás az időjárásról: Figyeld az időjárást és ha a szélirány alapján várhatóan szembeszéllel fogsz utazni, ne centizd ki az útközbeni töltéseket és jelentős ráhagyással számolj! Itt érdemes megjegyezni, hogy vannak olyan járművek (pl. Teslák) amelyek már nem csupán a domborzati viszonyokkal számolnak a tervezésnél, hanem figyelembe veszik az előrejelzési adatok alapján várható szélirányt és szélsebességeket is. Ez nagyon hasznos adalék és a jövőben, ahogy várhatóan elterjed ez az opció, sokat javíthat a hatótáv becsléseken is.
4. Aerodinamikai tudatosság: mivel mind a közegellenállási együtthatóra, mind pedig a homlokfelület méretére hatással vannak (mindkettőt jelentősen rontja – azaz nagyobb értékkel kell szorozni a közegellenállás kiszámításakor), a tervezésnél vedd figyelembe az olyan elemeket, mint tetőbox, kerékpártartó, vagy épp egy-egy nyitott ablak. Ha nincs szükséged éppen ezekre az extra függelékekre, akkor inkább szereld le őket indulás előtt! Jelentős fogyasztást spórolhatsz így meg!

(A cikkben felhasznált képek, illusztrációk grafikai elemei a ChatGPT 5.6 felhasználásával készültek.)