Žádné auto tudy neprojede cihlová zeď, ale denně prochází stěnami ze vzduchu, který má také hustotu.
Nikdo nevnímá vzduch nebo vítr jako zeď. Na nízké rychlosti, za klidného počasí je obtížné zjistit, jak proudění vzduchu interaguje s vozidlem. Ale ve vysoké rychlosti, silný vítr, odpor vzduchu (síla působící na předmět pohybující se vzduchem – také označovaný jako odpor) výrazně ovlivňuje, jak auto zrychluje, jak moc řídí, jak využívá palivo.
Zde vstupuje do hry věda o aerodynamice, která studuje síly generované v důsledku pohybu objektů ve vzduchu. Moderní vozy jsou navrženy s ohledem na aerodynamiku. Dobře aerodynamický vůz prořízne stěnu vzduchu jako nůž máslem.
Z důvodu nízký odpor proudění vzduchu, takové auto lépe zrychluje a lépe spotřebovává palivo, protože motor nemusí vynakládat extra sílu na "protlačení" auta vzduchovou stěnou.
Pro zlepšení aerodynamiky vozu je tvar karoserie zaoblený tak, aby vzduchový kanál obtékal vůz s nejmenším odporem. U sportovních vozů je tvar karoserie navržen tak, aby směřoval proudění vzduchu převážně podél spodní části, níže uvidíte proč. Na kufr auta dali i křídlo nebo spoiler. Křídlové lisy zadní vůz bránící výtahu zadní kola, kvůli silnému proudění vzduchu, když se pohybuje dál vysoká rychlost díky čemuž je auto stabilnější. Ne všechna zadní křídla jsou stejná a ne všechna se používají k zamýšlenému účelu, některá slouží pouze jako prvek automobilového dekoru, který neplní přímou funkci aerodynamiky.
Nauka o aerodynamice
Než budeme mluvit o automobilové aerodynamice, pojďme si projít základy fyziky.
Jak se objekt pohybuje atmosférou, vytlačuje okolní vzduch. Objekt také podléhá gravitaci a odporu. Odpor vzniká, když se pevný předmět pohybuje v kapalném prostředí – vodě nebo vzduchu. Odpor se zvyšuje s rychlostí předmětu – čím rychleji se pohybuje prostorem, tím větší odpor zažívá.
Pohyb objektu měříme faktory popsanými v Newtonových zákonech – hmotnost, rychlost, hmotnost, vnější síla a zrychlení.
Odpor přímo ovlivňuje zrychlení. Zrychlení (a) předmětu = jeho hmotnost (W) mínus jeho odpor (D) děleno jeho hmotností (m). Připomeňme, že hmotnost je součinem hmotnosti těla a zrychlení volného pádu. Například na Měsíci se změní váha člověka kvůli nedostatku gravitace, ale hmotnost zůstane stejná. Jednoduše řečeno:
Jak objekt zrychluje, rychlost a tažení se zvyšují až do koncového bodu, kdy se tažení rovná hmotnosti - objekt již nebude zrychlovat. Představme si, že naším objektem v rovnici je auto. Jak se vůz pohybuje rychleji a rychleji, stále více vzduchu vzdoruje jeho pohybu a omezuje vůz na maximální zrychlení při určité rychlosti.
Přibližujeme se k nejdůležitějšímu číslu – koeficientu aerodynamického odporu. To je jeden z hlavních faktorů, který určuje, jak snadno se objekt pohybuje vzduchem. Součinitel odporu vzduchu (Cd) se vypočítá podle následujícího vzorce:
Cd = D / (A * r * V/2)
Kde D je odpor, A je plocha, r je hustota, V je rychlost.
Koeficient odporu v autě
Zjistili jsme, že koeficient odporu vzduchu (Cd) je hodnota, která měří sílu odporu vzduchu aplikovanou na předmět, jako je auto. Nyní si představte, že síla vzduchu tlačí na auto, když se pohybuje po silnici. Při rychlosti 110 km/h na něj působí čtyřikrát větší síla než při rychlosti 55 km/h.
Aerodynamické schopnosti automobilu se měří koeficientem odporu vzduchu. Čím nižší je hodnota Cd, tím lepší je aerodynamika vozu a tím snadněji projde stěnou vzduchu, která na něj tlačí z různých stran.
Uvažujme indikátory Cd. Pamatujete na hranatá krabicovitá Volva ze 70., 80. let? U starého Volvo sedan 960 koeficient aerodynamického odporu 0,36. Na nové Volvo tělesa jsou hladká a hladká, díky čemuž koeficient dosahuje 0,28. Hladší a efektivnější tvary vykazují lepší aerodynamiku než hranaté a hranaté.
Důvody, proč aerodynamika miluje elegantní tvary
Vzpomeňme na to nejaerodynamičtější v přírodě – slzu. Trhlina je kulatá a hladká na všech stranách a nahoře se zužuje. Když slza klesne dolů, vzduch ji snadno a plynule obtéká. Také u automobilů na hladkém, zaobleném povrchu vzduch volně proudí a snižuje odpor vzduchu vůči pohybu předmětu.
Dnes má většina modelů průměrný koeficient aerodynamického odporu 0,30. SUV mají koeficient aerodynamického odporu 0,30 až 0,40 nebo více. Důvodem je vysoký koeficient v rozměrech. Land Cruisery a Gelendvageny pojme více cestujících, mají více nákladový prostor, velké mřížky pro chlazení motoru, proto čtvercový design. Pickupy navržené s účelně čtvercovým Cd větším než 0,40.
Design karoserie je diskutabilní, ale auto má odhalující aerodynamický tvar. Koeficient odporu vzduchu Toyota Prius 0,24, takže spotřeba auta je nízká nejen kvůli hybridu elektrárna. Pamatujte, že každá mínus 0,01 v koeficientu snižuje spotřebu paliva o 0,1 litru na 100 kilometrů.
Modely se špatným aerodynamickým odporem:
Modely s dobrým aerodynamickým odporem:
Metody pro zlepšení aerodynamiky jsou známy již dlouhou dobu, ale trvalo dlouho, než je automobilky začaly používat při vytváření nových vozidel.
Modely prvních vozů, které se objevily, nemají s konceptem aerodynamiky nic společného. Podívejte se na Model T Brod- auto vypadá spíše jako koňský povoz bez koně - vítěz soutěže o čtvercový design. Abych řekl pravdu, většina modelů je průkopníků a aerodynamický design nepotřebovala, jelikož jely pomalu, v takové rychlosti nebylo čemu vzdorovat. Závodní vozy z počátku 20. století se však začaly trochu zužovat, aby vyhrávaly soutěže na úkor aerodynamiky.
V roce 1921 vytvořil německý vynálezce Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, což v němčině znamená „trhací vůz“. Tento model, po vzoru nejaerodynamičtějšího tvaru v přírodě, tvaru slzy, měl koeficient odporu 0,27. Konstrukce Rumpler-Tropfenauto nikdy nenašla přijetí. Rumplerovi se podařilo vytvořit pouze 100 jednotek Rumpler-Tropfenauto.
V Americe došlo ke skoku v aerodynamickém designu v roce 1930, kdy Model Chrysler proud vzduchu. Inženýři, inspirovaní letem ptáků, vytvořili Airflow s ohledem na aerodynamiku. Pro zlepšení ovladatelnosti byla hmotnost vozu rovnoměrně rozložena mezi přední a zadní nápravy- 50/50. Společnost unavená z velké hospodářské krize neakceptovala netradiční vzhled Chrysler Airflow. Model byl považován za neúspěch, ačkoli zjednodušený design Chrysler Airflow daleko předběhl svou dobu.
V 50. a 60. letech minulého století došlo k největšímu pokroku v automobilové aerodynamice, který přišel ze světa závodů. Inženýři začali experimentovat s různými tvary karoserie, protože věděli, že aerodynamický tvar auta zrychlí. Tak se zrodil tvar závodního vozu, který se dochoval dodnes. Přední a zadní spoilery, rýčové přídě a aero sady sloužily stejnému účelu, směřovaly proudění vzduchu přes střechu a generovaly potřebný přítlak na přední a zadní kola.
K úspěchu experimentů přispěl aerodynamický tunel. V další části našeho článku vám prozradíme, proč je to potřeba a proč je to v designu aut důležité.
Měření odporu ve větrném tunelu
Pro měření aerodynamické účinnosti automobilu si inženýři vypůjčili nástroj z leteckého průmyslu – aerodynamický tunel.
Větrný tunel je tunel s výkonnými ventilátory, které vytvářejí proud vzduchu nad objektem uvnitř. Auto, letadlo nebo něco jiného, jehož odpor vzduchu měří inženýři. Z místnosti za tunelem vědci pozorují, jak vzduch interaguje s objektem a jak se vzdušné proudy chovají na různých površích.
auto nebo letadlo uvnitř větrný tunel se nepohybuje, ale pro simulaci reálných podmínek ventilátory foukají vzduch z jiná rychlost. Někdy skutečná auta ani sjet z potrubí - konstruktéři často spoléhají na přesné modely vytvořené z hlíny nebo jiných surovin. V aerodynamickém tunelu fouká vítr nad autem a počítače vypočítají koeficient odporu vzduchu.
Aerodynamické tunely se používají od konce 19. století, kdy se pokoušeli postavit letadlo a měřili vliv proudění vzduchu v aerodynamických tunelech. Dokonce i bratři Wrightové měli takovou trubku. Po druhé světové válce začali inženýři závodních vozů, kteří hledali náskok před konkurencí, používat k měření výkonu aerodynamické tunely. aerodynamické prvky vyvinuté modely. Později se tato technologie dostala do světa osobních a nákladních automobilů.
Během posledních 10 let byly velké aerodynamické tunely v ceně několika milionů amerických dolarů využívány stále méně a méně. Počítačové modelování postupně nahrazuje tento způsob testování aerodynamiky automobilu (více). Aerodynamické tunely jsou provozovány pouze proto, aby se zajistilo, že v počítačových simulacích nedojde k chybným výpočtům.
V aerodynamice existuje více pojmů než samotný odpor vzduchu – jsou zde také faktory vztlaku a přítlaku. Lift (neboli lift) je síla, která působí proti váze předmětu, zvedá a drží předmět ve vzduchu. Přítlak, opak výtahu, je síla, která tlačí předmět k zemi.
Kdo si myslí, že koeficient odporu 320 km/h závodních vozů Formule 1 je nízký, mýlí se. Typický závodní vůz Formule 1 má koeficient odporu kolem 0,70.
Důvodem je vysoký koeficient odporu vzduchu závodní auta Formule 1 spočívá v tom, že tyto vozy jsou navrženy tak, aby vytvářely co největší přítlak. S rychlostí, kterou se ohnivé koule pohybují, s jejich extrémně nízkou hmotností, začnou zažívat vztlak vysoké rychlosti- fyzika je nutí stoupat do vzduchu jako letadlo. Auta nejsou určena k létání (ačkoli článek - létající transformátorové auto tvrdí něco jiného), a pokud se vozidlo začne zvedat do vzduchu, pak můžete čekat jen jediné - zničující nehodu. Proto, přítlak by měla být maximální, aby udržela auto na zemi vysoké rychlosti, což znamená, že koeficient odporu vzduchu musí být velký.
Vozy Formule 1 dosahují vysokého přítlaku pomocí přední a zadní části vozidla. Tato křídla usměrňují proudění vzduchu tak, že přitlačí auto k zemi – stejný přítlak. Nyní můžete bezpečně zvýšit rychlost a neztrácet ji v zatáčkách. Zároveň musí být přítlak pečlivě vyvážen se zdvihem, aby vůz nabral požadovanou přímočarou rychlost.
Mnoho sériových vozů má aerodynamické doplňky pro vytvoření přítlaku. tisk kritizoval za vzhled. Kontroverzní design. A to všechno, protože všechno karoserie GT-R určený k usměrnění proudění vzduchu nad vozidlem a zpět přes ovál zadní spoiler, což vytváří větší přítlak. Nikdo nepřemýšlel o kráse auta.
Mimo okruh Formule 1 se winglety často vyskytují produkční vozy například sedany společnosti Toyota a Honda. Někdy tyto konstrukční prvky přidávají trochu stability ve vysokých rychlostech. Například na první Audi TT původně neměl spoiler, ale Audi Musel jsem to dodat, když se ukázalo, že zaoblený tvar a nízká hmotnost TT vytvářely příliš velký vztlak, což způsobilo nestabilitu vozu při rychlostech nad 150 km/h.
Ale pokud to auto není Audi TT, ne sporťák, ne sporťák, ale obyčejný rodinný sedan nebo hatchback, není potřeba instalovat spoiler. Spoiler ovladatelnost na takovém voze nezlepší, protože „rodinný vůz“ má již díky vysokému Cx vysoký přítlak a nelze na něm vymáčknout rychlost nad 180. Spoiler zapnutý běžné auto může způsobit přetáčivost nebo naopak neochotu vjíždět do zatáček. Pokud si však také myslíte, že obří spoiler Honda Civic stojí na svém místě, nenechte se o tom nikým přesvědčit.
Dnes vás zveme, abyste zjistili, co to je, proč je to potřeba a ve kterém roce se tato technologie poprvé objevila na světě.
Bez aerodynamiky jsou auta, letadla a dokonce i bobisté jen objekty pohybující vítr. Pokud neexistuje aerodynamika, vítr se pohybuje neefektivně. Věda studující účinnost odstraňování proudění vzduchu se nazývá aerodynamika. Aby bylo možné vytvořit vozidlo, které účinně odvádí proudění vzduchu a snižuje odpor, je zapotřebí aerodynamický tunel, ve kterém inženýři kontrolují účinnost aerodynamického odporu vzduchu automobilových dílů.
Mylně se má za to, že aerodynamika se objevila od vynálezu aerodynamického tunelu. Ale není. Ve skutečnosti se objevil v roce 1800. Původ této vědy začal v roce 1871 u bratří Wrightů, kteří jsou konstruktéry a tvůrci prvního letadla na světě. Díky nim se začala rozvíjet aeronautika. Cíl byl jediný – pokus o stavbu letadla.
Nejprve bratři prováděli své testy v železničních tunelech. Ale schopnost tunelu studovat vzdušné proudy byla omezená. Proto se jim nepodařilo vytvořit skutečné letadlo, protože k tomu bylo nutné, aby tělo letadla splňovalo nejpřísnější požadavky aerodynamiky.
V roce 1901 proto bratři postavili vlastní aerodynamický tunel. Výsledkem je, podle některých údajů, asi 200 letadlo a jednotlivé prototypové případy různé tvary. Postavit první skutečné letadlo v historii trvalo bratrům několik dalších let. V roce 1903 tedy bratři Wrightové provedli úspěšný test prvního na světě, který vydržel ve vzduchu 12 sekund.
Co je větrný tunel?
Jedná se o jednoduché zařízení, které se skládá z uzavřeného tunelu (obrovská kapacita), kterým proudí vzduch pomocí výkonných ventilátorů. Do aerodynamického tunelu je umístěn předmět, na který se začnou vztahovat. V moderních aerodynamických tunelech mají specialisté také schopnost dodávat směrované proudy vzduchu do určitých prvků karoserie automobilu nebo jakéhokoli vozidla.
Testování v aerodynamickém tunelu získalo obrovskou popularitu během Velké Vlastenecká válka ve 40. letech. Vojenská oddělení po celém světě prováděla výzkum aerodynamiky vojenské vybavení a munice. Po válce byl vojenský aerodynamický výzkum omezen. Pozornost na aerodynamiku ale věnovali inženýři navrhující sport závodní auta. Pak tuto módu vyzvedli návrháři a auta.
Vynález aerodynamického tunelu umožnil specialistům testovat vozidel které jsou ve stacionárním stavu. Dále jsou přiváděny proudy vzduchu a vzniká stejný efekt, jaký je pozorován při pohybu stroje. I při testování letadel zůstává objekt nehybný. Nastavitelné pouze pro simulaci konkrétní rychlosti vozidla.
Díky aerodynamice, jak sportovní, tak jednoduchá auta místo hranatých tvarů začaly získávat hladší linie a zaoblené prvky karoserie.
Někdy nemusí být pro výzkum potřeba celé auto. Často lze použít běžné rozložení v životní velikosti. V důsledku toho odborníci určují úroveň odporu větru.
Koeficient odporu větru je určen tím, jak se vítr pohybuje uvnitř potrubí.
Moderní aerodynamické tunely jsou v podstatě obřím fénem pro vaše auto. Například jeden ze známých aerodynamických tunelů se nachází v Severní Karolíně v USA, kde probíhá asociační výzkum. Díky této trubce inženýři modelují auta schopná jet rychlostí 290 km/h.
Do této budovy bylo investováno asi 40 milionů dolarů. Dýmka začala svou práci v roce 2008. Hlavními investory jsou závodní asociace NASCAR a majitel dostihů Gene Haas.
Zde je video z tradičního testu v této dýmce:
Od příchodu prvního aerodynamického tunelu v historii si inženýři uvědomili, jak důležitý je tento vynález pro celek. V důsledku toho na to upozornili automobiloví designéři, kteří začali vyvíjet technologie pro studium proudění vzduchu. Technologie ale nestojí na místě. Dnes se mnoho studií a výpočtů provádí v počítači. Nejúžasnější je, že i aerodynamické testy se provádějí ve speciálních počítačových programech.
Jako testovací subjekt se používá 3D virtuální model auta. Další na počítači se přehrají různé podmínky pro testování aerodynamiky. Stejný přístup se začal vyvíjet pro crash testy. , který dokáže nejen ušetřit peníze, ani zohlednit mnoho parametrů při testování.
Stejně jako skutečné crash testy je stavba aerodynamického tunelu a testování v něm velmi drahé potěšení. Na počítači může být cena pouhých pár dolarů.
Pravda, prarodiče a vyznavači starých technologií budou stále říkat, že skutečný svět je lepší než počítače. Ale 21. století je 21. století. Proto je nevyhnutelné, že v blízké budoucnosti bude mnoho reálných testů prováděno výhradně na počítači.
I když stojí za zmínku, že nejsme proti počítačovým testům, doufáme, že skutečné testy v aerodynamickém tunelu a konvenční crash testy v automobilovém průmyslu stále zůstanou.
Současné předpisy umožňují týmům testovat v aerodynamickém tunelu modely aut, které nepřesahují 60 % měřítka. V rozhovoru pro F1Racing bývalý technický ředitel týmu Renault Pat Symonds hovořil o specifikách této práce…
Pat Symonds: „Dnes všechny týmy pracují s modely v měřítku 50 % nebo 60 %, ale ne vždy tomu tak bylo. První aerodynamické testy v 80. letech byly provedeny s maketami 25% skutečné hodnoty - výkon aerodynamických tunelů na University of Southampton a Imperial College v Londýně neumožňoval více - pouze tam bylo možné nainstalovat modely na pohyblivém podstavci. Poté se objevily aerodynamické tunely, ve kterých bylo možné pracovat s modely na 33 % a 50 % a nyní se kvůli nutnosti omezit náklady týmy dohodly na testování modelů maximálně 60 % při rychlosti proudění vzduchu ne více než 50 metrů za sekundu.
Při volbě měřítka modelu týmy vycházejí z možností dostupného aerodynamického tunelu. Pro získání přesných výsledků by rozměry modelu neměly přesáhnout 5% pracovní plochy potrubí. Výroba menších modelů je levnější, ale než menší model, tím obtížnější je udržet požadovanou přesnost. Stejně jako u mnoha jiných záležitostí ve vývoji vozů Formule 1 je i zde třeba hledat ten nejlepší kompromis.
V minulosti se modely vyráběly ze dřeva stromu Diera, který roste v Malajsii, který má nízkou hustotu, nyní se používá zařízení pro laserovou stereolitografii - infračervený laserový paprsek polymeruje kompozitní materiál, výsledkem je díl se specifikovanými vlastnostmi . Tato metoda umožňuje otestovat účinnost nového inženýrského nápadu v aerodynamickém tunelu během několika hodin.
Čím přesněji je model vyroben, tím spolehlivější jsou informace získané při jeho foukání. Tady se počítá každá maličkost, dokonce i skrz výfukové potrubí proud plynů musí procházet stejnou rychlostí jako ve skutečném stroji. Týmy se snaží dosáhnout co nejvyšší přesnosti pro stávající zařízení v simulaci.
Po mnoho let byly pneumatiky nahrazovány zmenšenými replikami z nylonu nebo uhlíkových vláken, ale významného pokroku bylo dosaženo, když Michelin vytvořil přesné zmenšené repliky jejich pneumatik. závodní pneumatiky. Model vozu je vybaven mnoha senzory pro měření tlaku vzduchu a systémem, který umožňuje měnit vyvážení.
Modely, včetně měřicího zařízení, které je na nich instalováno, jsou cenově mírně nižší skutečná auta Jsou například dražší než skutečná auta GP2. Jedná se vlastně o ultrakomplexní řešení. Základní rám se senzory stojí asi 800 000 USD a lze jej používat několik let, ale obvykle mají týmy dvě sady, aby práce pokračovaly.
Každá revize tělesných prvků nebo suspenze vede k potřebě výroby nová verze body kit, který stojí dalších čtvrt milionu. Samotný provoz aerodynamického tunelu přitom stojí zhruba tisíc dolarů na hodinu a vyžaduje přítomnost 90 zaměstnanců. Seriózní týmy utratí za tyto studie asi 18 milionů dolarů za sezónu.
Náklady se vyplatí. Zvýšení přítlaku o 1 % vám umožní získat na skutečné trati jednu desetinu sekundy zpět. Při stabilním rozvrhu hrají inženýři zhruba tolik za měsíc, takže jen v oddělení modelování každý desátý stojí tým jeden a půl milionu dolarů.
Od doby, kdy první člověk připevnil nabroušený kámen na konec kopí, se lidé vždy snažili najít nejlepší forma předměty pohybující se ve vzduchu. Auto se ale ukázalo jako velmi obtížná aerodynamická hádanka.
Základy výpočtů silniční trakce nám poskytují čtyři základní síly působící na vozidlo, když je v pohybu: odpor vzduchu, valivý odpor, odpor stoupání a setrvačné síly. Je třeba poznamenat, že pouze první dva jsou hlavní. Síla valivého odporu kolo auta závisí především na deformaci pneumatiky a vozovky v kontaktní zóně. Ale již při rychlosti 50-60 km/h síla odporu vzduchu převyšuje jakoukoli jinou a při rychlostech nad 70-100 km/h je překonává všechny dohromady. Abychom toto tvrzení dokázali, je nutné uvést následující přibližný vzorec: Px=Cx*F*v2, kde: Px – odporová síla vzduchu; v – rychlost vozidla (m/s); F je plocha průmětu vozu na rovinu kolmou k podélné ose vozu nebo plocha největšího průřezu vozu, tedy čelní plocha (m2); Cx je koeficient odporu vzduchu (součinitel proudění). Poznámka. Rychlost ve vzorci je na druhou, a to znamená, že pokud se například zdvojnásobí, síla odporu vzduchu se zčtyřnásobí.
Náklady na energii potřebné k jeho překonání přitom rostou osmkrát! V závodech Nascar, kde rychlost přesahuje 300 km/h, bylo experimentálně zjištěno, že ke zvýšení nejvyšší rychlost na pouhých 8 km/h je třeba zvýšit výkon motoru o 62 kW (83 k) nebo snížit Cx o 15 %. Existuje další způsob - zmenšit přední plochu vozu. Mnoho vysokorychlostních superaut je výrazně nižších běžná auta. To je jen známka práce na zmenšení čelní plochy. Tento postup však lze provést do určitých limitů, jinak nebude možné takové auto použít. Z tohoto a dalších důvodů je zefektivnění jedním z hlavních problémů, které se objevují při navrhování automobilu. Na odporovou sílu má samozřejmě vliv nejen rychlost vozu a jeho geometrické parametry. Například čím vyšší je hustota proudění vzduchu, tím větší je odpor. Hustota vzduchu zase přímo závisí na jeho teplotě a výšce nad hladinou moře. Se stoupající teplotou se zvyšuje hustota vzduchu (a tím i jeho viskozita), zatímco vysoko v horách je vzduch řidší a jeho hustota nižší a tak dále. Existuje mnoho takových nuancí.
Ale zpět k tvaru auta. Která položka má nejlepší průtok? Odpověď na tuto otázku zná téměř každý student (který nespal v hodinách fyziky). Kapka vody padající dolů nabývá tvaru, který je z hlediska aerodynamiky nejpřijatelnější. Tedy zaoblená přední plocha a plynule se zužující dlouhá záda (nejlepší poměr je 6násobek délky šířky). Součinitel odporu je experimentální hodnota. Číselně on rovná síle odpor vzduchu v newtonech vzniklý při jeho pohybu rychlostí 1 m/s na 1 m2 čelní plochy. Je obvyklé považovat za referenční jednotku Cx ploché desky = 1. Pro kapku vody je tedy Cx = 0,04. A teď si představte takové auto. Nesmysl, že? Nejen, že taková mašinka na kolech bude vypadat poněkud karikaturně, ale nebude příliš vhodné používat toto auto k zamýšlenému účelu. Proto jsou konstruktéři nuceni hledat kompromis mezi aerodynamikou vozu a pohodlností jeho používání. Neustálé pokusy o snížení koeficientu odpor vzduchu vedlo k tomu, že některá moderní auta mají Cx = 0,28-0,25. No, rychle rekordní auta chlubit se Cx = 0,2-0,15.
Odporové síly
Nyní si musíme říci něco o vlastnostech vzduchu. Jak víte, každý plyn se skládá z molekul. Jsou v neustálém pohybu a vzájemné interakci. Existují tzv. van der Waalsovy síly – síly vzájemné přitažlivosti molekul, které brání jejich vzájemnému pohybu. Někteří z nich se začnou silněji držet ostatních. A s nárůstem chaotického pohybu molekul se zvyšuje účinnost dopadu jedné vrstvy vzduchu na druhou a zvyšuje se viskozita. A to se děje v důsledku zvýšení teploty vzduchu, což může být způsobeno jak přímým ohřevem sluncem, tak nepřímo třením vzduchu o jakýkoli povrch nebo jednoduše jeho vrstvy mezi sebou. Zde vstupuje do hry rychlost. Abyste pochopili, jak to ovlivňuje auto, zkuste mávnout rukou s otevřenou dlaní. Pokud to uděláte pomalu, nic se neděje, ale pokud rukou mávnete silněji, dlaň již zřetelně vnímá nějaký odpor. Ale to je jen jedna složka.
Když se vzduch pohybuje nad nějakým pevným povrchem (například karoserií auta), stejné van der Waalsovy síly způsobí, že se na něj začne lepit nejbližší vrstva molekul. A tato „přilepená“ vrstva zpomaluje další. A tak vrstvu po vrstvě a čím rychleji se molekuly vzduchu pohybují, tím jsou dále od stacionárního povrchu. Nakonec se jejich rychlost vyrovná s rychlostí hlavního proudu vzduchu. Vrstva, ve které se částice pohybují pomalu, se nazývá mezní vrstva a objevuje se na jakémkoli povrchu. Čím vyšší je hodnota povrchové energie potahového materiálu vozidla, tím silněji jeho povrch interaguje na molekulární úrovni s okolním vzduchem a tím více energie musí být vynaloženo na zničení těchto sil. Nyní, na základě výše uvedených teoretických výpočtů, můžeme říci, že odpor vzduchu není jen náraz větru Čelní sklo. Tento proces má více složek.
Tvarová odolnost
To je nejpodstatnější část – až 60 % všech aerodynamických ztrát. Často se označuje jako tlakový odpor nebo odpor. Auto na sebe při jízdě stlačuje proud vzduchu a překonává snahu roztlačit molekuly vzduchu od sebe. Výsledkem je zóna vysoký krevní tlak. Poté vzduch proudí po povrchu vozu. Přitom se proudy vzduchu odlamují za vzniku turbulencí. Konečné oddělení proudění vzduchu v zadní části vozidla vytváří zónu snížený tlak. Bránění vpředu a sací efekt v zadní části vozu vytvářejí velmi silnou reakci. Tato skutečnost zavazuje designéry a designéry hledat způsoby, jak dát tělu. Uspořádejte na police.
Nyní musíte zvážit tvar vozu, jak se říká, „od nárazníku k nárazníku“. Které z dílů a prvků mají větší vliv na celkovou aerodynamiku stroje. Přední část těla. Experimenty ve větrném tunelu ukázaly, že pro lepší aerodynamika přední část těla by měla být nízká, široká a nemít ostré rohy. V tomto případě nedochází k oddělení proudění vzduchu, což má velmi příznivý vliv na zefektivnění vozu. Mřížka chladiče je často nejen funkčním prvkem, ale také dekorativním. Koneckonců, chladič a motor musí mít účinné proudění vzduchu, takže tento prvek je velmi důležitý. Některé automobilky studují ergonomii a distribuci vzduchu motorový prostor stejně vážné jako celková aerodynamika vozu. Naklonit čelní sklo- velmi nápadný příklad kompromisu zefektivnění, ergonomie a výkonu. Jeho nedostatečný sklon vytváří nadměrný odpor a jeho nadměrný sklon zvyšuje prašnost a hmotu samotného skla, viditelnost prudce klesá za soumraku, je nutné zvětšit velikost stěrače atd. Přechod ze skla na bočnici by měl být proveden hladce.
Ale neměli byste se nechat unést nadměrným zakřivením skla - to může zvýšit zkreslení a zhoršit viditelnost. Vliv sloupku čelního skla na aerodynamický odpor velmi závisí na poloze a tvaru čelního skla a také na tvaru přední části. Při práci na tvaru nosiče však nesmíme zapomenout na ochranu předních bočních oken před dešťovou vodou a nečistotami sfouknutými z čelního skla, zachování přijatelné úrovně vnějšího aerodynamického hluku atd. Střecha. Zvětšení sklonu střechy může vést ke snížení součinitele odporu vzduchu. Ale výrazný nárůst vyboulení může být v rozporu s celkovým designem vozu. Kromě toho, pokud je nárůst vyboulení doprovázen současným nárůstem oblasti odporu, pak se síla odporu vzduchu zvyšuje. A na druhou stranu, pokud se budete snažit zachovat původní výšku, pak bude třeba čelní sklo a zadní okna zavést do střech, protože by se neměla zhoršit viditelnost. To povede ke zdražení brýlí, přičemž pokles síly odporu vzduchu v tomto případě není tak výrazný.
boční plochy. Z hlediska aerodynamiky vozu boční plochy mají malý vliv na vytvoření irotačního proudění. Nelze je ale příliš zaokrouhlit. Jinak se do takového auta bude jen těžko nastupovat. Sklo by mělo pokud možno tvořit jeden celek s boční plochou a mělo by být umístěno v linii s vnějším obrysem vozu. Případné stupně a překlady vytvářejí další překážky pro průchod vzduchu, objevují se nežádoucí turbulence. Můžete si všimnout, že okapy, které byly dříve téměř na každém autě, se již nepoužívají. jiný Konstruktivní rozhodnutí, které nemají tak velký vliv na aerodynamiku vozu.
Možná se vykresluje zadní část auta největší vliv na součinitel odporu vzduchu. Je to vysvětleno jednoduše. V zadní části se proudění vzduchu přeruší a vytvoří víry. Je téměř nemožné vyrobit zadní část auta tak aerodynamickou jako vzducholoď (délka je 6krát větší než šířka). Na jeho podobě proto pracují pečlivěji. Jedním z hlavních parametrů je úhel sklonu zadní části vozu. Příklad se již stal učebnicí Ruské auto„Moskvič-2141“, kde právě nešťastné řešení zádi výrazně zhoršilo celkovou aerodynamiku vozu. Ale jinak, zadní sklo"Moskvič" vždy zůstal čistý. Opět kompromis. Proto se vyrábí tolik přídavných nástavců speciálně pro zadní část vozu: zadní blatníky, spoilery atd. Spolu s úhlem sklonu zádi výrazně ovlivňuje design a tvar boční hrany zádi vozu. koeficient odporu vzduchu. Například pokud se podíváte na téměř jakýkoli moderní auto Shora okamžitě vidíte, že přední část těla je širší než zadní. To je také aerodynamika. Spodní část auta.
Jak se může na první pohled zdát, tato část karoserie nemůže ovlivnit aerodynamiku. Ale pak je tu takový aspekt jako přítlak. Stabilita vozu závisí na tom a na tom, jak správně je organizován proud vzduchu pod spodkem vozu, v důsledku toho závisí síla jeho „přilnutí“ k vozovce. To znamená, že pokud vzduch pod autem nezdržuje, ale rychle proudí, pak snížený tlak, který se tam vyskytuje, přitlačí auto k vozovce. To je důležité zejména u běžných aut. Jde o to, že závodní auta, které soutěží na kvalitním rovném povrchu, můžete nastavit vůli tak nízkou, že se začne projevovat efekt „zemního polštáře“, ve kterém se zvyšuje přítlak a táhnout klesá. Pro normální auta krátký světlá výška nepřijatelný. Konstruktéři se proto v poslední době snaží co nejvíce vyhladit spodek vozu, zakrýt štíty takové nerovnosti, jako jsou výfuky, ramena zavěšení atd. Mimochodem, podběhy kol mají velký vliv na aerodynamiku vozu. Nesprávně navržené výklenky mohou vytvořit další výtah.
A zase vítr
Netřeba dodávat, že potřebný výkon motoru závisí na zefektivnění vozu, potažmo na spotřebě paliva (tedy peněžence). Aerodynamika však neovlivňuje pouze rychlost a hospodárnost. Ne poslední místo vzít na sebe úkol zajistit dobro stabilita směnného kurzu, ovládání vozidla a snížení hluku při jízdě. S hlukem je vše jasné: čím lepší proudění vozu, kvalita povrchů, čím menší velikost mezer a počet vyčnívajících prvků atd., tím méně hluku. Designéři musí myslet na takový aspekt, jako je moment obratu. Tento efekt je většině řidičů dobře znám. Každý, kdo někdy projel kolem „náklaďáku“ vysokou rychlostí nebo prostě jel v silném bočním větru, měl cítit, že se auto převrátilo nebo dokonce lehce otočilo. Nemá smysl tento efekt vysvětlovat, ale to je právě problém aerodynamiky.
Proto koeficient Cx není jednoznačný. Vzduch totiž může auto působit nejen „na čelo“, ale také pod různými úhly a v různých směrech. A to vše má vliv na manipulaci a bezpečnost. To jsou jen některé z hlavních aspektů, které ovlivňují celkovou sílu odpor vzduchu. Není možné vypočítat všechny parametry. Stávající vzorce neposkytují úplný obrázek. Designéři proto studují aerodynamiku vozu a korigují jeho tvar pomocí tak drahého nástroje, jakým je aerodynamický tunel. Západní firmy na jejich výstavbu nešetří penězi. Náklady na taková výzkumná centra se mohou vyšplhat do milionů dolarů. Například: koncern Daimler-Chrysler investoval 37,5 milionu dolarů do vytvoření specializovaného komplexu na zlepšení aerodynamiky svých vozů. V současné době je aerodynamický tunel nejvýznamnějším nástrojem pro studium sil odporu vzduchu, které působí na automobil.
