Η Φυσική του αυτοκινήτου

Η οδήγηση ενός αυτοκινήτου είναι μια καθημερινή ενασχόληση για πολλούς από εμάς. Λίγοι όμως συνειδητοποιούν ότι η δραστηριότητα αυτή στηρίζεται στις εφαρμογές διαφόρων νόμων της Φυσικής, που σχετίζονται με τα βασικότερα κεφάλαιά της, όπως είναι η θερμοδυναμική, η μηχανική, η οπτική και η ακουστική.

Η επανάσταση στις μεταφορές ξεκίνησε με την εφεύρεση των μηχανών εσωτερικής καύσης, οι οποίες χρησιμοποιούν καύσιμα με μεγάλη ενεργειακή απόδοση ανά μονάδα βάρους, πολύ μεγαλύτερη από αυτήν που έχει το κάρβουνο. Για μια συγκεκριμένη διαδρομή ενός οχήματος, ένας κινητήρας βενζίνης ή ντίζελ χρειάζεται πολύ μικρότερη ποσότητα καυσίμου από ό,τι μια ατμομηχανή που καίει κάρβουνο, οπότε η ενέργεια που παράγει ο κινητήρας χρησιμοποιείται περισσότερο για τη μετακίνηση των επιβατών και λιγότερο για τη μεταφορά των καυσίμων που θα χρειαστούν κατά τη διάρκεια της διαδρομής. Αυτό το πρώτο μεγάλο βήμα ακολουθήθηκε από πολλά μικρότερα, τα οποία βασίστηκαν στους νόμους της θερμοδυναμικής, δηλαδή εκείνου του κεφαλαίου της Φυσικής που ασχολείται με τη μετατροπή της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια. Η θερμοδυναμική προβλέπει ότι η θεωρητική μέγιστη απόδοση μιας βενζινομηχανής είναι 60% και μιας μηχανής ντίζελ 75%. Οι αποδόσεις των πρώτων μηχανών εσωτερικής καύσης ήταν 5% αλλά οι μηχανολόγοι, γνωρίζοντας τα περιθώρια βελτίωσης που προβλέπονταν από τη θεωρία, προσπάθησαν να τις βελτιώσουν και σήμερα έχουν πετύχει αποδόσεις 35% για τις βενζινομηχανές και 50% για τις μηχανές ντίζελ. Για σύγκριση σημειώνω ότι η καλύτερη απόδοση μιας ατμομηχανής είναι σήμερα 25%.

Μπορεί η θερμοδυναμική να αποτελεί τη βάση λειτουργίας της μηχανής του αυτοκινήτου, όμως η οδήγηση ενός αυτοκινήτου σχετίζεται και με άλλους παράγοντες, που εξετάζονται από άλλα κεφάλαια της Φυσικής, όπως είναι η μηχανική, η οπτική και η ακουστική. Για παράδειγμα, ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι ότι δεν μπορούν να λειτουργήσουν με ρυθμό περιστροφής μικρότερο από κάποιο ελάχιστο όριο, συνήθως 700-800 στροφές ανά λεπτό (το γνωστό «ραλαντί»). Αυτό δημιουργεί ένα πρόβλημα στο ξεκίνημα του αυτοκινήτου, οπότε οι τροχοί δεν περιστρέφονται καθόλου αλλά η μηχανή περιστρέφεται. Για να ξεκινήσει λοιπόν το αυτοκίνητο, θα πρέπει να βρεθεί ένας τρόπος να «συνδέεται» η κινούμενη μηχανή με τους ακίνητους τροχούς, πρόβλημα που εμπίπτει στο πεδίο της μηχανικής.

Στα αυτοκίνητα με αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων αυτό επιτυγχάνεται με ένα εξάρτημα που αποτελείται από δύο φτερωτές τοποθετημένες απέναντι η μία από την άλλη σε ένα κλειστό κουτί γεμάτο με κάποιο υγρό. Ο άξονας της μιας φτερωτής είναι συνδεδεμένος με τη μηχανή και ο άξονας της άλλης με τους τροχούς. Οταν περιστρέφεται η φτερωτή της μηχανής στέλνει με πίεση υγρό σε αυτήν που είναι συνδεδεμένη με τους τροχούς, η οποία αρχίζει να περιστρέφεται όπως θα περιστρεφόταν και ένας ανεμόμυλος απέναντι από έναν ανεμιστήρα. Στα αυτοκίνητα με χειροκίνητο κιβώτιο ταχυτήτων η σύνδεση κινούμενης μηχανής με ακίνητους τροχούς επιτυγχάνεται με την «ολίσθηση» του ενός δίσκου του συμπλέκτη (ντεμπραγιάζ) πάνω στον άλλον, όταν κρατάμε μισοπατημένο το πεντάλ του συμπλέκτη. Στην περίπτωση αυτή εκμεταλλευόμαστε την τριβή μεταξύ των δύο δίσκων, όπως ακριβώς συμβαίνει όταν ανοίγοντας με ένα τρυπάνι μια τρύπα σε ένα κομμάτι ξύλο παρατηρούμε το ξύλο να τείνει να περιστραφεί. Οι νέοι οδηγοί, που δεν έχουν συνηθίσει σε αυτόν τον «λεπτό» χειρισμό, βλέπουν πολλές φορές τη μηχανή του αυτοκινήτου να «σβήνει» στο ξεκίνημα, επειδή έχουν «αφήσει» απότομα τον συμπλέκτη.

Το μειονέκτημα αυτό των μηχανών εσωτερικής καύσης δεν υπάρχει στους ηλεκτροκινητήρες, οι οποίοι έχουν τη μέγιστη δύναμη περιστροφής, και άρα τη μέγιστη απόδοση, όταν δεν περιστρέφονται, ενώ η απόδοσή τους πέφτει όσο αυξάνεται ο ρυθμός περιστροφής τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα «υβριδικά» αυτοκίνητα έχουν τόσο καλή απόδοση: ξεκινούν με τον ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος έχει την καλύτερη απόδοση στους χαμηλούς ρυθμούς περιστροφής, και συνεχίζουν με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, που έχει την καλύτερη απόδοση σε υψηλούς ρυθμούς περιστροφής.

Πέρα από την ικανότητα μεταφοράς και την οικονομία στα καύσιμα, η οδήγηση ενός αυτοκινήτου έχει και άλλες πλευρές. Καταρχήν θα πρέπει να βλέπουμε και να μας βλέπουν, ειδικά τη νύχτα. Για να βλέπουμε τον δρόμο μπροστά μας χρειαζόμαστε προβολείς, οι οποίοι μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια της μπαταρίας του αυτοκινήτου σε φως. Είναι δηλαδή μια σύνθετη εφαρμογή ηλεκτρισμού και οπτικής. Οι προβολείς είναι κατασκευασμένοι έτσι ώστε να έχουν ένα ειδικά διαμορφωμένο κοίλο κάτοπτρο πίσω από τον λαμπτήρα και έναν ειδικά διαμορφωμένο φακό μπροστά από αυτόν. Ο συνδυασμός του κατόπτρου με τον φακό μετατρέπει την αποκλίνουσα δέσμη των ακτίνων σε παράλληλη, σύμφωνα με τους νόμους της γεωμετρικής οπτικής. Οι σύγχρονοι λαμπτήρες που χρησιμοποιούνται στους προβολείς των αυτοκινήτων ανήκουν σε δύο κατηγορίες: λαμπτήρες πυράκτωσης με ατμούς ιωδίου (γνωστοί και ως λαμπτήρες αλογόνου) που παράγουν φωτεινή ροή ως 2.000 lumen και έχουν διάρκεια ζωής 1.000 ώρες και λαμπτήρες εκκένωσης, που λειτουργούν όπως οι σωλήνες των φωτεινών επιγραφών, παράγουν 3.500 lumen και έχουν διάρκεια ζωής πάνω από 2.000 ώρες. Σημειώνω για σύγκριση ότι ένας απλός οικιακός λαμπτήρας πυράκτωσης των 60 Βατ παράγει 1.000 lumen.

Για να βλέπουμε αυτούς που μας ακολουθούν χρησιμοποιούμε δύο εξωτερικούς κυρτούς καθρέφτες στις μπροστινές πόρτες του αυτοκινήτου και έναν επίπεδο στο πάνω κεντρικό μέρος του ανεμοθώρακα (παρμπρίζ), οι οποίοι αποτελούν ενδιαφέρουσες εφαρμογές της οπτικής. Οι κυρτοί καθρέφτες έχουν μεγάλο οπτικό πεδίο, για να καλύπτουν μεγάλη γωνία, ενώ ο επίπεδος αποτελείται από ένα κρύσταλλο με μη παράλληλες πλευρές που μπορεί να βρίσκεται σε δύο διαφορετικές θέσεις. Στη μία θέση (κανονική) όλες οι οπτικές ακτίνες, ανακλώνται στην επαργυρωμένη πίσω πλευρά του κρυστάλλου και το φως φθάνει στα μάτια μας με μεγάλη ένταση, ενώ στην άλλη μερικές μόνο ακτίνες ανακλώνται στην πρόσθια, μη επαργυρωμένη, επιφάνεια του κρυστάλλου και το φως φθάνει εξασθενημένο στα μάτια μας. Ετσι το βράδυ δεν μας «τυφλώνουν» οι προβολείς των αυτοκινήτων που μας ακολουθούν. Για να μας βλέπουν τώρα οι οδηγοί αυτών των αυτοκινήτων, στην επιφάνεια των πίσω φωτιστικών σωμάτων υπάρχουν πρίσματα ολικής ανάκλασης, δηλαδή μικρά τεμάχια διαφανούς υλικού που ενεργούν ως κάτοπτρα, ανακλώντας όλο το φως που προσπίπτει σε αυτά. Ετσι το αυτοκίνητό μας είναι ορατό στο φως των προβολέων των αυτοκινήτων που μας ακολουθούν, έστω και αν δεν είναι αναμμένα τα πίσω φώτα πορείας.

Τέλος, θα πρέπει να έχουμε ένα μέσο για να κάνουμε αισθητή την παρουσία του αυτοκινήτου μας ηχητικά. Σύμφωνα με το κεφάλαιο της Φυσικής που ονομάζεται ακουστική, το πιο έντονο ακουστικό ερέθισμα σε ένα θορυβώδες περιβάλλον προκαλείται από δύο νότες που οι συχνότητές τους διαφέρουν κατά τρία ημιτόνια. Αυτήν ακριβώς την ιδιότητα εκμεταλλευόμαστε στην κόρνα του αυτοκινήτου, η οποία αποτελείται από δύο ηχητικές πηγές που παράγουν ήχους με συχνότητες συνήθως 410 και 500 χερτζ (σολ δίεση –σι). Είναι τόσο ενοχλητική η συνήχηση, που το κορνάρισμα γίνεται αμέσως αντιληπτό.