Aerodynamics of Pickup Truck Part 1: Tailgate up or tailgate down?

อากาศพลศาสตร์ของรถกระบะ ตอนที่ 1: การเปิดฝาท้าย ทำให้แรงต้านอากาศลดลงจริงหรือ?​

ในบทความเรื่อง "อากาศพลศาสตร์ของรถกระบะ ตอนที่ 1" เราจะโฟกัสไปที่การไหลของอากาศบริเวณฝาท้ายของรถกระบะ (Tailgate) และมาวิเคราะห์กันว่า ระหว่างเปิดฝาท้ายกับปิดฝาท้าย แบบไหนกันนะ ที่มีแรงต้านอากาศน้อยกว่ากัน?

หลักอากาศพลศาสตร์ของรถกระบะ ก็มีวัตถุประสงค์เดียวกันกับหลักอากาศพลศาสตร์ของรถเก๋ง นั่นก็คือ เป็นการออกแบบให้รถมีแรงต้านอากาศน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เมื่อมีแรงต้านน้อยแล้ว ก็จะทำให้ประหยัดน้ำมันมากยิ่งขึ้น นอกเหนือจากนั้น การที่มีแรงต้านอากาศน้อยกว่า ยังทำให้รถกระบะมีอัตราเร่งที่ดีขึ้นอีกด้วย สมมติว่ามีรถกระบะอยู่ 2 คัน ทั้งสองคันนี้มีเครื่องยนต์ที่มีแรงม้าเท่ากัน แน่นอนว่า คันที่มีแรงต้านอากาศน้อยกว่าจะสามารถทำอัตราเร่งได้ดีกว่า และก็ยังมีความเร็วสูงสุดมากกว่าอีกด้วย เพราะฉะนั้น หลักอากาศพลศาสตร์ไม่ได้เกี่ยวข้องกับอัตราสิ้นเปลืองน้ำมันเพียงอย่างเดียว แต่ยังมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราเร่งของรถอีกด้วย

เป็นที่ทราบกันอยู่แล้วว่า โดยปกติแล้ว รถกระบะจะมีแรงต้านอากาศมากกว่ารถเก๋ง ปัจจัยหลักที่ทำให้รถกระบะมีแรงต้านมากกว่าก็คือ "พื้นที่ปะทะลม" เพราะว่ารถกระบะมีความกว้างและความสูงมากกว่า จึงทำให้รถกระบะมีพื้นที่ปะทะลมกว่า นอกจากนั้น ยังมีปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่ง นั่นก็คือการไหลของอากาศบริเวณกระบะ เนื่องจากกระแสลมที่ไหลผ่านหลังคา จะไหลม้วนลงไปยังบริเวณกระบะทำให้เกิดเป็นกระแสปั่นป่วน (Turbulent flow) ซึ่งทำให้เกิดแรงต้านเพิ่มขึ้นไปอีก และยิ่งอากาศมีความปั่นป่วนมาก ก็จะยิ่งมีแรงต้านมาก

​

ในยุคข้าวยากน้ำมันแพงเช่นนี้ พวกเราๆท่านๆที่ต้องใช้รถยนต์เป็นพาหนะหลักในการเดินทางก็คงจะได้รับผลกระทบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ หลายท่านพยายามทำให้รถของตัวเองประหยัดน้ำมันมากยิ่งขึ้น โดยเฉพาะสิงห์กระบะดีเซล ผมเห็นรถกระบะหลายคันเปิดฝาท้ายวิ่งกันทั่วบ้านทั่วเมือง ด้วยความเชื่อที่ว่า การเปิดฝาท้ายจะทำให้อากาศไหลผ่านกระบะได้สะดวกมากขึ้น เพราะฝาท้ายจะไม่ไปขวางทางลมนั่นเอง ผลที่ได้ก็คือแรงต้านอากาศจะลดลง ไม่เพียงเท่านั้น รถกระบะซิ่งก็เปิดฝาท้ายวิ่งแข่งกันควันท่วมทุ่ง หรือบางคันถึงกับถอดฝาท้ายทิ้งไปเลยก็มี การเปิดฝาท้ายวิ่งได้กลายเป็นประเพณีปฏิบัติในลัทธิกระบะดีเซลไปเรียบร้อยแล้ว และแฟชั่นเปิดฝาท้ายนี้ไม่ได้มีเพียงบ้านเราไทยแลนด์เท่านั้น แม้กระทั่งฝั่งยุโรปและอเมริกาก็เปิดฝาท้ายวิ่งกันด้วยความเชื่อที่ว่าแรงต้านอากาศจะลดลง อย่างไรก็ตาม ยังคงมีคำถามสำคัญอยู่หนึ่งคำถาม นั่นก็คือ การเปิดฝาท้าย สามารถลดแรงต้านอากาศได้จริงหรือไม่?

​

เพราะฉะนั้น ในบทความเรื่อง "อากาศพลศาสตร์ของรถกระบะ ตอนที่ 1" เราจะโฟกัสไปที่การไหลของอากาศบริเวณฝาท้ายของรถกระบะ(Tailgate) และมาวิเคราะห์กันว่า ระหว่างเปิดฝาท้ายกับปิดฝาท้าย แบบไหนกันนะ ที่มีแรงต้านอากาศน้อยกว่ากัน?

เป็นที่ถกเถียงกันมานานหลายทศวรรตแล้วว่า การเปิดฝาท้ายสามารถลดแรงต้านอากาศได้จริงหรือไม่ แต่ก็ยังไม่มีใครเริ่มทำการทดสอบอย่างจริงจังเสียที จนกระทั่งบริษัท GM (General Motor) ซึ่งเป็นค่ายรถยนต์ยักษ์ใหญ่สัญชาติอเมริกัน ได้ทำการทดสอบรถกระบะ 2014 All New Sierra ภายในอุโมงค์ลม โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อสังเกตการไหลของอากาศบริเวณฝาท้าย จากการทดสอบในอุโมงค์ลม เผยให้เห็นว่าความจริงที่น่าตกใจว่า "การเปิดฝาท้ายไม่ได้ทำให้แรงต้านอากาศลดลงอย่างที่เราเข้าใจกัน แต่กลับทำให้แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้นเสียด้วยซ้ำ"

​

หา...จริงเหรอเนี่ย!? ฟังดูแล้วมันขัดๆกับความรู้สึกยังไงชอบกล เพราะผมเองก็เชื่อมานานแล้วว่าการเปิดฝาท้ายน่าจะทำให้อากาศไหลผ่านกระบะได้ง่ายกว่าและน่าจะทำให้รถมีโรไดนามิคส์ที่ดีกว่า แต่อย่างไรก็ดี เมื่อผลการทดสอบมันออกมาเป็นอย่างนี้แล้ว เราก็ต้องยอมรับและมาหาคำตอบกันว่าทำไมมันถึงเป็นอย่างนี้

นอกจากผลการทดสอบของบริษัท GM แล้ว บริษัท Dodge ซึ่งก็เป็นค่ายรถยนต์สัญชาติอเมริกันเช่นเดียวกัน ก็ได้ทำการทดสอบในลักษณะเดียวกันนี้ และผลการทดสอบที่ได้ก็สอดคล้องกับผลทดสอบของ GM นั่นก็คือ การเปิดฝาท้ายทำให้แอโรไดนามิคส์แย่ลง และนอกจากนั้น Dodge ได้สรุปผลการทดสอบครั้งนี้ว่า "การเปิดฝาท้ายจะทำให้แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้นประมาณ 2-3% เนื่องจากการเปิดฝาท้ายทำให้กระแสอากาศบริเวณท้ายรถมีความปั่นป่วนมากขึ้น ซึ่งความปั่นป่วนนี้คือตัวการสำคัญที่ทำให้แรงต้านอากาศมีค่าเพิ่มขึ้น"

ต่อไปเราจะมาวิเคราะห์การไหลของอากาศเพื่อมาหาคำตอบว่า "ทำไม...การเปิดฝาท้ายทำให้แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้น?"

​

อันดับแรกเราจะมาพิจารณาการไหลของอากาศผ่านกระบะที่ปิดฝาท้าย จะเห็นได้ว่า อากาศที่ไหลผ่านหลังคา จะไหลม้วนลงมาในกระบะและชนกับฝาท้าย ทำให้เกิดเป็น "ลมหมุน" ซึ่งจะหมุนวนอยู่ภายในกระบะเป็นวงกลม เราเรียกลมหมุนแบบนี้ว่า "Locked Vortex Flow" เมื่อลมหมุนก่อตัวเต็มพื้นที่กระบะแล้ว อากาศที่ไหลผ่านหลังคาจะไม่สามารถไหลลงมายังกระบะได้อีก แต่จะไหลผ่านลมหมุนไปอย่างราบเรียบ ซึ่งการไหลแบบนี้จะทำให้แรงต้านอากาศลดลงอย่างมาก

สำหรับการเปิดฝาท้าย อากาศที่ไหลผ่านหลังคาจะไหลลงมายังกระบะอย่างรวดเร็วและเกิดเป็นลมหมุนเช่นเดียวกัน แต่ว่าลมหมุนภายในกระบะจะมีความปั่นป่วนมากกว่า จะสังเกตได้ว่า เมื่ออากาศไหลผ่านหลังคาและไหลมายังฝาท้ายที่ถูกเปิดออก กระแสอากาศจะเปลี่ยนทิศทางอย่างฉับพลันและวนกลับเข้าไปในกระบะอีกครั้งหนึ่ง การเปลี่ยนทิศทางอย่างฉับพลันนี้ส่งผลให้เกิดความปั่นป่วนอย่างมาก ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้แรงต้านอากาศมีค่าเพิ่มขึ้น

นอกจากการทดสอบของ GM และ Dodge แล้ว ยังมีรายการโทรทัศน์ชื่อว่า MythBusters ซึ่งออกอากาศในช่อง Discovery Channel รายการนี้ได้นำรถกระบะสองคันซึ่งเป็นรุ่นเดียวกันมาทดสอบเพื่อพิสูจน์ความเชื่อที่ว่า "การเปิดฝาท้ายจะช่วยลดแรงต้านอากาศและทำให้รถประหยัดน้ำมันเพิ่มขึ้น" ก่อนทำการทดสอบ พวกเขาได้เติมน้ำมันจนเต็มถังทั้งสองคันและขับออกจากจุดสตาร์ทพร้อมกัน โดยที่คันหนึ่งเปิดฝาท้ายและอีกคันหนึ่งปิดฝาท้าย จากนั้นก็ขับด้วยความเร็วเท่ากันไปตามฟรีเวย์เพื่อจะหาว่าใครจะประหยัดน้ำมันมากกว่ากัน หลังจากขับจนน้ำมันหมดถัง ผลปรากฎว่า รถกระบะคันที่ปิดฝาท้ายสามารถวิ่งได้ไกลกว่ารถกระบะที่เปิดฝาท้าย โดยวิ่งได้ไกลกว่าประมาณ 50 กิโลเมตรเลยทีเดียว

​

แล้วถ้าไม่ใส่ฝาท้ายล่ะ? จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราถอดมันออกไปเลย มันจะดีกว่าหรือว่าแย่กว่ายังไง? คำตอบก็คือ กระบะที่ไม่มีฝาท้ายก็เหมือนกับกระบะที่มีฝาท้ายแต่เปิดทิ้งไว้นั่นแหละครับ แต่กระบะที่ไม่มีฝาท้ายจะมีขนาดของลมหมุนที่เล็กกว่า ทำให้มีแรงต้านน้อยกว่า แต่ก็มากกว่ากระบะแบบปิดฝาท้ายอยู่ดี เพราะฉะนั้น เราสามารถสรุปได้ว่า กระบะที่มีแรงต้านอากาศน้อยที่สุดคือกระบะแบบปิดฝาท้าย รองลงมาคือกระบะที่ถอดฝาท้ายออก และกระบะมีแรงต้านมากที่สุดคือกระบะที่เปิดฝาท้าย

สรุปได้ว่า "การเปิดฝาท้ายไม่ได้ทำให้แรงต้านอากาศลดลง แต่กลับทำให้แรงต้านอากาศเพิ่มขึ้น เนื่องจากการเปิดฝาท้ายจะทำให้อากาศมีความปั่นป่วนมากกว่า" เพราะฉะนั้นถ้าใครอยากจะประหยัดน้ำมันเพิ่มขึ้นอีกนิด ผมก็แนะนำให้ปิดฝาท้าย แต่ถ้าใครเป็นสาวกกระบะซิ่ง ที่ต้องการเปิดฝาท้ายหรือต้องการถอดฝาท้าย ก็ไม่ผิดอะไร เพราะส่วนตัวผมเองแล้ว ก็มีความชื่นชอบในกระบะซิ่งอยู่ไม่น้อย และผมมองว่า การถอดฝาท้ายออกแล้วใส่เหล็กค้ำ ก็ดูเท่ห์ไม่หยอกเลยทีเดียว ถึงแม้แรงต้านอากาศจะเพิ่มขึ้นก็เหอะ แต่มันก็เป็นการแสดงออกถึงความเป็น "ตัวซิ่ง" ได้อย่างเจนจัดชัดเจน

ในบทความตอนต่อไปของ "อากาศพลศาสตร์ของรถกระบะ" เราจะมาค้นหากันว่า จะมีวิธีไหนบ้างหนอ ที่จะทำให้แอโรไดนามิคส์ของรถกระบะดีขึ้น

​

Special Thanks

1. Chaba Project Drag Racing
2. พี่พล AlphaTech
3. Discovery Channel/Mythbusters
4. Trucking Times

***ผู้เขียนขอสงวนลิขสิทธิ์ของเนื้อหาและภาพประกอบของบทความนี้
***ดังนั้น ห้ามเผยแพร่ส่วนหนึ่งส่วนใดหรือทั้งหมดของบทความนี้โดยไม่ได้รับอนุญาต
***การนำไปเผยแพร่โดยไม่ได้รับอนุญาตจะถือว่าเป็นการละเมิดลิขสิทธิ์ของผู้เขียนอีกด้วยโดยเจตนา

ที่มา: http://johsautolife.com

อ่านบทความต่อ กระบะเล่นลม ตอนที่ 2: "ฝาครอบกระบะ" ช่วยลดแรงต้านอากาศได้จริงเหรอ?