Aerodynamik

Die Aerodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit der Umströmung eines Körpers durch Luft befasst, und beim Automobil bestimmt sie, wie der umgebende Luftstrom Widerstand, Stabilität, Kühlung, Geräusch und letztlich Effizienz prägt. Das ist deshalb von Bedeutung, weil sich die unsichtbare Luft wie ein Fluid verhält, das der Wagen fortwährend zur Seite drängen muss, und weil die Art, wie diese Strömung an der Karosserie anliegt, abreißt und sich hinter ihr wieder schließt, einen tiefgreifenden Einfluss auf Fahrverhalten und Energieverbrauch hat.

Die wichtigste Folge ist der Luftwiderstand, also die der Vorwärtsbewegung entgegengerichtete Kraft. Der Widerstand wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, sodass eine Verdopplung des Tempos die Widerstandskraft etwa vervierfacht; bei Autobahntempo wird er zum dominierenden Widerstand, den ein Auto überwinden muss, und übertrifft Roll- und mechanische Verluste. Da der Motor gegen diese Kraft Arbeit leisten muss, bestimmt der Luftwiderstand maßgeblich den Kraftstoffverbrauch und bei Elektroautos die Reichweite. Ein großer Teil des Widerstands entsteht nicht an der Front, die die Luft beiseitedrängt, sondern im niederdruckbehafteten, verwirbelten Nachlauf hinter dem Fahrzeug, weshalb ein sich verjüngendes Heck so wirksam ist.

Die Umströmung erzeugt außerdem vertikale Kräfte. Beschleunigt die Luft über die gewölbten Oberseiten der Karosserie, fällt der Druck, und das Fahrzeug neigt zum Auftrieb, der die Reifen entlastet und die Stabilität bei hohem Tempo verschlechtert. Ingenieure beherrschen dies mit Spoilern, die unerwünschte Strömungen aufbrechen, sowie mit geformten Unterböden und Heckdiffusoren, die bei schnellen Fahrzeugen Abtrieb erzeugen und die Reifen auf die Fahrbahn pressen können. Derselbe Luftstrom muss zugleich zur Kühlung von Motor und Bremsen geführt und so gelenkt werden, dass möglichst wenig Windgeräusch in den Innenraum dringt.

Für Fahrer und Halter münden diese Effekte in greifbare Ergebnisse: besserer Verbrauch, ein leiserer Innenraum, sicheres Verhalten bei Seitenwind und hohem Tempo sowie ausreichende Kühlung unter Last. Eine windschlüpfige Form kann allein dadurch spürbar Reichweite oder Kraftstoff einsparen, dass der Antrieb bei konstanter Fahrt weniger Arbeit leisten muss.

Gute Aerodynamik ist eine Sache sorgfältiger Formgebung und nicht eines einzelnen Bauteils. Die Gesamtform der Karosserie, die Neigung der Windschutzscheibe, die Gestaltung der A-Säulen und Außenspiegel, Spaltmaße, die Ebenheit des Unterbodens sowie Details wie Spoiler und Diffusoren tragen allesamt bei. Die Entwickler verfeinern diese Elemente im Windkanal und mit numerischer Strömungssimulation und wägen dabei aerodynamische Ideale gegen Design, Package und Sicht ab.

Die aerodynamische Güte wird üblicherweise im Luftwiderstandsbeiwert, dem cw-Wert, verdichtet, einer dimensionslosen Kennzahl dafür, wie sauber eine Form durch die Luft gleitet, wobei für den Gesamtwiderstand die Stirnfläche ebenso wichtig ist. Die Disziplin steht neben verwandten Einflüssen auf Widerstand und Effizienz eines Fahrzeugs, darunter der Rollwiderstand der Reifen und die übergeordnete Frage des Abtriebs, die alle in den realen Kraftstoffverbrauch einfließen.