Żaden samochód nie przejedzie ceglana ściana, ale codziennie przechodzi przez ściany z powietrza, które również ma gęstość.
Nikt nie postrzega powietrza ani wiatru jako ściany. NA niskie prędkości, przy bezwietrznej pogodzie trudno jest zobaczyć, jak strumień powietrza oddziałuje na pojazd. Ale przy dużej prędkości silny wiatr, opór powietrza (siła działająca na obiekt poruszający się w powietrzu - zwana także oporem) ma duży wpływ na to, jak samochód przyspiesza, jak bardzo się kieruje, jak zużywa paliwo.
W tym miejscu do gry wkracza nauka aerodynamiki, badająca siły powstające w wyniku ruchu obiektów w powietrzu. Nowoczesne samochody są projektowane z myślą o aerodynamice. Dobrze aerodynamiczny samochód przecina ścianę powietrza jak nóż przez masło.
Należny słaby opór przepływ powietrza, taki samochód lepiej przyspiesza i lepiej zużywa paliwo, ponieważ silnik nie musi wydawać dodatkowej mocy, aby „pchnąć” samochód przez ścianę powietrza.
Aby poprawić aerodynamikę samochodu, kształt nadwozia jest zaokrąglony, tak aby kanał powietrzny opływał samochód z najmniejszym oporem. W samochodach sportowych kształt nadwozia jest zaprojektowany tak, aby kierować strumień powietrza głównie wzdłuż dolnej części, dlaczego zobaczysz poniżej. Umieścili również skrzydło lub spojler na bagażniku samochodu. Prasy skrzydełkowe z powrotem samochód uniemożliwiający podniesienie tylne koła, ze względu na silny przepływ powietrza, gdy się porusza wysoka prędkość Co sprawia, że samochód jest bardziej stabilny. Nie wszystkie tylne błotniki są takie same i nie wszystkie są używane zgodnie z ich przeznaczeniem, niektóre służą jedynie jako element wystroju samochodu, który nie pełni bezpośredniej funkcji aerodynamiki.
Nauka o aerodynamice
Zanim zaczniemy mówić o aerodynamice samochodowej, omówmy podstawy fizyki.
Gdy obiekt porusza się w atmosferze, wypiera otaczające powietrze. Obiekt podlega również grawitacji i oporowi. Opór powstaje, gdy ciało stałe porusza się w ośrodku płynnym - wodzie lub powietrzu. Opór wzrasta wraz z prędkością obiektu - im szybciej porusza się on w przestrzeni, tym większy opór napotyka.
Mierzymy ruch obiektu za pomocą czynników opisanych w prawach Newtona - masy, prędkości, ciężaru, siły zewnętrznej i przyspieszenia.
Opór bezpośrednio wpływa na przyspieszenie. Przyspieszenie (a) obiektu = jego ciężar (W) minus opór (D) podzielony przez jego masę (m). Przypomnijmy, że ciężar jest iloczynem masy ciała i przyspieszenia swobodnego spadania. Na przykład na Księżycu waga osoby zmieni się z powodu braku grawitacji, ale masa pozostanie taka sama. Po prostu:
Gdy obiekt przyspiesza, prędkość i opór rosną aż do punktu końcowego, w którym opór staje się równy ciężarowi - obiekt nie będzie już przyspieszał. Wyobraźmy sobie, że naszym obiektem w równaniu jest samochód. Gdy samochód porusza się coraz szybciej, coraz więcej powietrza przeciwstawia się jego ruchowi, ograniczając samochód do maksymalnego przyspieszenia przy określonej prędkości.
Zbliżamy się do najważniejszej liczby - współczynnika oporu aerodynamicznego. Jest to jeden z głównych czynników decydujących o tym, jak łatwo obiekt porusza się w powietrzu. Współczynnik oporu powietrza (Cd) oblicza się za pomocą następującego wzoru:
Cd = D / (A * r * V/2)
Gdzie D to opór, A to powierzchnia, r to gęstość, V to prędkość.
Współczynnik oporu w samochodzie
Ustaliliśmy, że współczynnik oporu powietrza (Cd) jest wartością, która mierzy siłę oporu powietrza przyłożoną do obiektu, takiego jak samochód. Teraz wyobraź sobie, że siła powietrza naciska na samochód, gdy porusza się po drodze. Przy prędkości 110 km/h działa na nią czterokrotnie większa siła niż przy prędkości 55 km/h.
Możliwości aerodynamiczne samochodu są mierzone współczynnikiem oporu powietrza. Im niższa wartość Cd, tym lepsza aerodynamika samochodu i tym łatwiej przejdzie przez napierającą na niego z różnych stron ścianę powietrza.
Rozważmy wskaźniki Cd. Pamiętasz kanciaste, pudełkowe Volvo z lat 70. i 80.? Na starym sedana Volvo 960 współczynnik oporu powietrza 0,36. Na nowe Volvo ciała są gładkie i gładkie, dzięki czemu współczynnik osiąga 0,28. Gładsze i bardziej opływowe kształty wykazują lepszą aerodynamikę niż kanciaste i kwadratowe.
Powody, dla których aerodynamika uwielbia smukłe kształty
Pamiętajmy o najbardziej aerodynamicznej rzeczy w przyrodzie - łzie. Łza jest okrągła i gładka ze wszystkich stron i zwęża się u góry. Kiedy łza opada, powietrze przepływa wokół niej łatwo i płynnie. Również w samochodach, po gładkiej, zaokrąglonej powierzchni, powietrze przepływa swobodnie, zmniejszając opór powietrza stawiany ruchowi obiektu.
Obecnie większość modeli ma średni współczynnik oporu powietrza wynoszący 0,30. SUV-y mają współczynnik oporu powietrza od 0,30 do 0,40 lub więcej. Powód wysokiego współczynnika w wymiarach. Land Cruisery i Gelendvageny pomieszczą więcej pasażerów, mają więcej przestrzeń ładunkowa, duże kratki chłodzące silnik, stąd kwadratowa konstrukcja. Pickupy zaprojektowane z celowo kwadratowym Cd większym niż 0,40.
Konstrukcja nadwozia jest dyskusyjna, ale samochód ma odkrywczy aerodynamiczny kształt. Współczynnik oporu Toyota Prius 0,24, więc spalanie auta jest niskie, nie tylko ze względu na hybrydę elektrownia. Pamiętaj, każdy minus 0,01 we współczynniku zmniejsza zużycie paliwa o 0,1 litra na 100 kilometrów.
Modele o słabym oporze aerodynamicznym:
Modele o dobrym oporze aerodynamicznym:
Metody poprawiania aerodynamiki są znane od dawna, ale producentom samochodów zajęło dużo czasu, aby zacząć je stosować przy tworzeniu nowych pojazdów.
Modele pierwszych samochodów, które się pojawiły, nie mają nic wspólnego z pojęciem aerodynamiki. Spójrz na model T Bród- samochód wygląda bardziej jak wóz konny bez konia - zwycięzca konkursu na kwadratowy projekt. Prawdę mówiąc, większość modeli była pionierami i nie potrzebowała aerodynamicznej konstrukcji, ponieważ jechały wolno, nie było się czemu oprzeć przy takiej prędkości. Jednak samochody wyścigowe z początku XX wieku zaczęły się nieco zawężać, aby wygrywać zawody kosztem aerodynamiki.
W 1921 roku niemiecki wynalazca Edmund Rumpler stworzył Rumpler-Tropfenauto, co po niemiecku oznacza „samochód łzowy”. Wzorowany na najbardziej aerodynamicznym kształcie w naturze, kształcie łzy, model ten miał współczynnik oporu powietrza 0,27. Projekt Rumpler-Tropfenauto nigdy nie znalazł akceptacji. Rumplerowi udało się stworzyć tylko 100 jednostek Rumpler-Tropfenauto.
W Ameryce skok w projektowaniu aerodynamicznym nastąpił w 1930 r., kiedy to modelu Chryslera przepływ powietrza. Zainspirowani lotem ptaków, inżynierowie stworzyli Airflow z myślą o aerodynamice. Aby poprawić prowadzenie, ciężar samochodu został równomiernie rozłożony między przód i tył tylne osie- 50/50. Społeczeństwo, zmęczone Wielkim Kryzysem, nie zaakceptowało niekonwencjonalnego wyglądu Chryslera Airflow. Model uznano za porażkę, chociaż opływowy projekt Chryslera Airflow znacznie wyprzedzał swoje czasy.
W latach 50. i 60. największy postęp w aerodynamice samochodowej nastąpił w świecie wyścigów. Inżynierowie zaczęli eksperymentować z różnymi kształtami nadwozia, wiedząc, że opływowy kształt przyspieszy samochody. Tak narodził się kształt samochodu wyścigowego, który przetrwał do dziś. Przednie i tylne spojlery, łopatki i zestawy aerodynamiczne służyły temu samemu celowi, kierując przepływ powietrza nad dachem i wytwarzając niezbędną siłę docisku na przednie i tylne koła.
Tunel aerodynamiczny przyczynił się do sukcesu eksperymentów. W kolejnej części naszego artykułu opowiemy, dlaczego jest potrzebny i dlaczego jest ważny w projektowaniu samochodów.
Pomiar oporu w tunelu aerodynamicznym
Aby zmierzyć wydajność aerodynamiczną samochodu, inżynierowie pożyczyli narzędzie z branży lotniczej - tunel aerodynamiczny.
Tunel aerodynamiczny to tunel z potężnymi wentylatorami, które tworzą przepływ powietrza nad obiektem w środku. Samochód, samolot lub coś innego, czego opór powietrza mierzą inżynierowie. Z pomieszczenia za tunelem naukowcy obserwują, jak powietrze oddziałuje z obiektem i jak prądy powietrza zachowują się na różnych powierzchniach.
samochód lub samolot w środku tunel aerodynamiczny nie porusza się, ale aby symulować rzeczywiste warunki, wentylatory wydmuchują powietrze inna prędkość. Czasami prawdziwe samochody nawet nie wbity w rurę - na czym często polegają projektanci dokładne modele tworzonych z gliny lub innych surowców. Wiatr wieje nad samochodem w tunelu aerodynamicznym, a komputery obliczają współczynnik oporu powietrza.
Tunele aerodynamiczne były używane od końca XIX wieku, kiedy próbowano stworzyć samolot i mierzono wpływ przepływu powietrza w tunelach aerodynamicznych. Nawet bracia Wright mieli taką trąbkę. Po drugiej wojnie światowej inżynierowie samochodów wyścigowych, szukając przewagi nad konkurencją, zaczęli wykorzystywać tunele aerodynamiczne do pomiaru osiągów. elementy aerodynamiczne opracowane modele. Później technologia ta trafiła do świata samochodów osobowych i ciężarowych.
W ciągu ostatnich 10 lat duże tunele aerodynamiczne kosztujące kilka milionów dolarów były coraz rzadziej używane. Modelowanie komputerowe stopniowo wypiera ten sposób badania aerodynamiki samochodu (więcej). Tunele aerodynamiczne są uruchamiane tylko po to, aby upewnić się, że symulacje komputerowe nie zawierają błędów.
W aerodynamice jest więcej pojęć niż sam opór powietrza - są też czynniki siły nośnej i docisku. Podnoszenie (lub podnoszenie) to siła działająca przeciw ciężarowi przedmiotu, podnosząca i utrzymująca przedmiot w powietrzu. Siła docisku, przeciwieństwo windy, to siła, która popycha obiekt na ziemię.
Każdy, kto myśli, że współczynnik oporu powietrza w bolidach Formuły 1 osiągających prędkość 320 km/h jest niski, jest w błędzie. Typowy samochód wyścigowy Formuły 1 ma współczynnik oporu powietrza około 0,70.
Powód wysokiego współczynnika oporu powietrza samochody wyścigowe Formuła 1 polega na tym, że te samochody są zaprojektowane tak, aby wytwarzać jak największą siłę docisku. Dzięki szybkości, z jaką poruszają się kule ognia, przy ich niezwykle lekkiej wadze, zaczynają odczuwać siłę nośną duże prędkości- fizyka sprawia, że wznoszą się w powietrze jak samolot. Samochody nie są zaprojektowane do latania (chociaż artykuł - latający samochód transformatorowy twierdzi inaczej), a jeśli pojazd zacznie wznosić się w powietrze, można spodziewać się tylko jednego - katastrofalnego wypadku. Dlatego, siła docisku powinna być maksymalna, aby utrzymać samochód na ziemi duże prędkości, co oznacza, że współczynnik oporu powietrza musi być duży.
Samochody Formuły 1 osiągają dużą siłę docisku za pomocą przednich i tylnych części pojazdu. Skrzydła te kierują przepływ powietrza tak, że dociskają samochód do podłoża – z tą samą siłą docisku. Teraz możesz bezpiecznie zwiększać prędkość i nie tracić jej na zakrętach. Jednocześnie siła docisku musi być dokładnie zrównoważona z siłą nośną, aby samochód uzyskał pożądaną prędkość na prostej.
Wiele samochodów produkcyjnych ma dodatki aerodynamiczne, które tworzą siłę docisku. prasa krytykowana za pojawienie się. Kontrowersyjny projekt. A wszystko dlatego, że wszystko Karoseria GT-R przeznaczony do kierowania przepływu powietrza nad pojazdem iz powrotem przez owal spojler tylny, tworząc większą siłę docisku. Nikt nie myślał o pięknie samochodu.
Poza torem Formuły 1 często można znaleźć winglety auta produkcyjne np sedany firmy Toyoty i Hondy. Czasami te elementy konstrukcyjne dodają trochę stabilności przy dużych prędkościach. Na przykład na pierwsze audi TT pierwotnie nie miał spoilera, ale Audi Musiałem to dodać, gdy okazało się, że zaokrąglony kształt i niewielka masa TT dawały zbyt duży udźwig, przez co samochód był niestabilny przy prędkościach powyżej 150 km/h.
Ale jeśli samochód nie jest Audi TT, nie samochodem sportowym, nie samochodem sportowym, ale zwykłym rodzinnym sedanem lub hatchbackiem, nie ma potrzeby instalowania spojlera. Spoiler nie poprawi obsługi takiego samochodu, ponieważ „samochód rodzinny” ma już duży docisk dzięki wysokiemu Cx i nie można na nim wycisnąć prędkości powyżej 180. Spoiler włączony zwykły samochód może powodować nadsterowność lub odwrotnie niechęć do wchodzenia w zakręty. Jeśli jednak uważasz, że to gigantyczny spoiler Honda Civic stoi na swoim miejscu, nie daj się nikomu o tym przekonać.
Dziś zapraszamy do dowiedzenia się, co to jest, dlaczego jest potrzebne iw którym roku ta technologia pojawiła się po raz pierwszy na świecie.
Bez aerodynamiki samochody i samoloty, a nawet bobsleje są tylko obiektami poruszającymi wiatr. Jeśli nie ma aerodynamiki, wiatr porusza się nieefektywnie. Nauka zajmująca się badaniem skuteczności usuwania przepływów powietrza nazywana jest aerodynamiką. Aby stworzyć pojazd, który skutecznie usuwałby przepływy powietrza, zmniejszając opór, potrzebny jest tunel aerodynamiczny, w którym inżynierowie sprawdzają skuteczność aerodynamicznego oporu powietrza części samochodu.
Błędnie uważa się, że aerodynamika pojawiła się od czasu wynalezienia tunelu aerodynamicznego. Ale nie jest. Właściwie pojawił się w XIX wieku. Początki tej nauki sięgają roku 1871 wraz z braćmi Wright, którzy są projektantami i twórcami pierwszego na świecie samolotu. Dzięki nim zaczęła się rozwijać aeronautyka. Cel był jeden - próba zbudowania samolotu.
Początkowo bracia prowadzili testy w tunelach kolejowych. Ale zdolność tunelu do badania prądów powietrza była ograniczona. Dlatego nie udało im się stworzyć prawdziwego samolotu, ponieważ w tym celu konieczne było, aby korpus samolotu spełniał najbardziej rygorystyczne wymagania aerodynamiki.
Dlatego w 1901 roku bracia zbudowali własny tunel aerodynamiczny. W rezultacie, według niektórych danych, około 200 samolot oraz indywidualne przypadki prototypowe różne kształty. Zbudowanie pierwszego prawdziwego samolotu w historii zajęło braciom jeszcze kilka lat. Tak więc w 1903 roku bracia Wright przeprowadzili udany pierwszy na świecie test, który trwał w powietrzu przez 12 sekund.
Co to jest tunel aerodynamiczny?
To proste urządzenie, które składa się z zamkniętego tunelu (ogromna pojemność), przez który przepływa powietrze za pomocą potężnych wentylatorów. Obiekt umieszcza się w tunelu aerodynamicznym, do którego zaczynają się odnosić. Również w nowoczesnych tunelach aerodynamicznych specjaliści mają możliwość dostarczania ukierunkowanych strumieni powietrza na określone elementy karoserii lub dowolnego pojazdu.
Testy w tunelu aerodynamicznym zyskały ogromną popularność podczas Wielkiego Wojna Ojczyźniana w latach 40. Na całym świecie departamenty wojskowe prowadziły badania nad aerodynamiką wyposażenie wojskowe i amunicja. Po wojnie wojskowe badania aerodynamiczne zostały ograniczone. Ale uwagę na aerodynamikę zwracali inżynierowie projektujący sport samochody wyścigowe. Potem tę modę podchwycili projektanci i samochody.
Wynalezienie tunelu aerodynamicznego pozwoliło specjalistom przetestować pojazdy które są w stanie stacjonarnym. Ponadto dostarczane są strumienie powietrza i powstaje ten sam efekt, który obserwuje się, gdy maszyna się porusza. Nawet podczas testowania samolotu obiekt pozostaje nieruchomy. Regulowany tylko w celu symulacji określonej prędkości pojazdu.
Dzięki aerodynamice, zarówno sportowe, jak i proste samochody zamiast kwadratowych kształtów zaczęły nabierać gładszych linii i zaokrąglonych elementów ciała.
Czasami cały samochód może nie być potrzebny do badań. Często można zastosować zwykły układ naturalnej wielkości. W rezultacie eksperci określają poziom oporu wiatru.
Współczynnik oporu powietrza jest określany na podstawie tego, jak wiatr porusza się wewnątrz rury.
Nowoczesne tunele aerodynamiczne to zasadniczo gigantyczna suszarka do włosów w Twoim samochodzie. Na przykład jeden ze znanych tuneli aerodynamicznych znajduje się w Karolinie Północnej w USA, gdzie prowadzone są badania asocjacyjne. Dzięki tej tubie inżynierowie modelują samochody zdolne do poruszania się z prędkością 290 km/h.
W ten budynek zainwestowano około 40 milionów dolarów. Rura rozpoczęła swoją pracę w 2008 roku. Głównymi inwestorami są stowarzyszenie wyścigów NASCAR i właściciel wyścigów Gene Haas.
Oto film z tradycyjnego testu w tej rurze:
Od czasu pojawienia się pierwszego w historii tunelu aerodynamicznego inżynierowie zdali sobie sprawę, jak ważny jest ten wynalazek dla całości. W rezultacie zwrócili na to uwagę projektanci motoryzacyjni, którzy zaczęli opracowywać technologie badania przepływów powietrza. Ale technologia nie stoi w miejscu. Obecnie wiele badań i obliczeń przeprowadza się na komputerze. Najbardziej zdumiewające jest to, że nawet testy aerodynamiczne przeprowadzane są w specjalnych programach komputerowych.
Obiektem testowym jest 3D model wirtualny samochody. Dalej na komputerze są odtwarzane różne warunki do testowania aerodynamiki. To samo podejście zaczęło się rozwijać w przypadku testów zderzeniowych. , który może nie tylko zaoszczędzić pieniądze, ale także wziąć pod uwagę wiele parametrów podczas testowania.
Podobnie jak w przypadku prawdziwych testów zderzeniowych, budowanie tunelu aerodynamicznego i testowanie w nim jest bardzo trudne kosztowna przyjemność. Na komputerze koszt może wynosić zaledwie kilka dolarów.
To prawda, że dziadkowie i zwolennicy starych technologii nadal będą mówić, że prawdziwy świat jest lepszy niż komputery. Ale XXI wiek to XXI wiek. Dlatego nieuniknione jest, że w niedalekiej przyszłości wiele testów w świecie rzeczywistym będzie przeprowadzanych wyłącznie na komputerze.
Choć warto zaznaczyć, że nie jesteśmy przeciwni testom komputerowym, mamy nadzieję, że testy w prawdziwym tunelu aerodynamicznym i konwencjonalne testy zderzeniowe nadal pozostaną w motoryzacji.
Obecne przepisy pozwalają zespołom testować w tunelu aerodynamicznym modele samochodów, które nie przekraczają 60% skali. W rozmowie z F1Racing były dyrektor techniczny zespołu Renault, Pat Symonds, opowiedział o specyfice tej pracy…
Pat Symonds: „Obecnie wszystkie zespoły pracują z modelami w skali 50% lub 60%, ale nie zawsze tak było. Pierwsze testy aerodynamiczne w latach 80-tych przeprowadzono z makietami o wartości 25% rzeczywistej - moc tuneli aerodynamicznych na Uniwersytecie w Southampton i Imperial College w Londynie nie pozwalała na więcej - dopiero tam można było zainstalować modele na ruchomej podstawie. Potem pojawiły się tunele aerodynamiczne, w których można było pracować z modelami na 33% i 50%, a teraz, ze względu na konieczność ograniczenia kosztów, zespoły zgodziły się testować modele nie więcej niż 60% przy prędkości przepływu powietrza nie ponad 50 metrów na sekundę.
Przy wyborze skali modelu zespoły opierają się na możliwościach dostępnego tunelu aerodynamicznego. Aby uzyskać dokładne wyniki, wymiary modelu nie powinny przekraczać 5% powierzchni roboczej rury. Produkcja mniejszych modeli jest tańsza, ale niż mniejszy model, tym trudniej utrzymać wymaganą dokładność. Podobnie jak w przypadku wielu innych kwestii związanych z rozwojem bolidów Formuły 1, tutaj trzeba szukać najlepszego kompromisu.
Dawniej modele wykonywano z drewna rosnącego w Malezji drzewa Diera, które ma małą gęstość, obecnie stosuje się sprzęt do stereolitografii laserowej - podczerwona wiązka lasera polimeryzuje materiał kompozytowy, w wyniku czego powstaje część o określonych właściwościach . Ta metoda pozwala przetestować skuteczność nowego pomysłu inżynierskiego w tunelu aerodynamicznym w ciągu kilku godzin.
Im dokładniej wykonany jest model, tym bardziej wiarygodne są informacje uzyskane podczas jego dmuchania. Tutaj liczy się każda mała rzecz, nawet przez rury wydechowe przepływ gazów musi przebiegać z taką samą prędkością jak w prawdziwej maszynie. Zespoły starają się osiągnąć jak najwyższą dokładność dla istniejącego sprzętu w symulacji.
Przez wiele lat opony były zastępowane powiększonymi replikami nylonu lub włókna węglowego, ale poczyniono znaczne postępy, gdy Michelin wykonał dokładne, pomniejszone repliki swoich opon. opony wyścigowe. Model samochodu wyposażony jest w wiele czujników do pomiaru ciśnienia powietrza oraz system umożliwiający zmianę balansu.
Modele, w tym zainstalowany na nich sprzęt pomiarowy, są nieco tańsze prawdziwe samochody Na przykład są droższe niż prawdziwe samochody GP2. W rzeczywistości jest to bardzo złożone rozwiązanie. Podstawowa rama z czujnikami kosztuje około 800 000 USD i może być używana przez kilka lat, ale zwykle zespoły mają dwa zestawy, aby praca mogła trwać.
Każda rewizja elementy ciała lub zawieszenie prowadzi do konieczności wytwarzania Nowa wersja body kit, który kosztuje kolejne ćwierć miliona. Jednocześnie sama eksploatacja tunelu aerodynamicznego kosztuje około tysiąca dolarów za godzinę i wymaga obecności 90 pracowników. Poważne zespoły wydają na te badania około 18 milionów dolarów na sezon.
Koszty się zwracają. Zwiększenie docisku o 1% pozwala odzyskać jedną dziesiątą sekundy na prawdziwym torze. Przy stałym grafiku inżynierowie grają mniej więcej tyle miesięcznie, więc w samym dziale modelarstwa co dziesiąty kosztuje zespół półtora miliona dolarów.
Odkąd pierwszy człowiek umieścił zaostrzony kamień na końcu włóczni, ludzie zawsze próbowali znaleźć najlepsza forma obiekty poruszające się w powietrzu. Ale samochód okazał się bardzo trudną aerodynamiczną zagadką.
Podstawy obliczeń trakcji drogowej dostarczają nam cztery podstawowe siły działające na pojazd w ruchu: opór powietrza, opór toczenia, opór wznoszenia i siły bezwładności. Należy zauważyć, że tylko dwa pierwsze są głównymi. Siła oporu toczenia Koło samochodowe zależy głównie od odkształcenia opony i drogi w strefie styku. Ale już przy prędkości 50-60 km / h siła oporu powietrza przewyższa każdą inną, a przy prędkościach powyżej 70-100 km / h przewyższa je wszystkie razem wzięte. W celu udowodnienia tego twierdzenia należy podać przybliżony wzór: Px=Cx*F*v2, gdzie: Px – siła oporu powietrza; v – prędkość pojazdu (m/s); F jest polem rzutu samochodu na płaszczyznę prostopadłą do osi wzdłużnej samochodu lub polem największego przekroju samochodu, czyli powierzchnią czołową (m2); Cx to współczynnik oporu powietrza (współczynnik usprawnienia). Notatka. Prędkość we wzorze jest podniesiona do kwadratu, co oznacza, że jeśli na przykład zostanie podwojona, siła oporu powietrza wzrośnie czterokrotnie.
Jednocześnie koszty energii potrzebnej do jej pokonania rosną ośmiokrotnie! Eksperymentalnie stwierdzono, że w wyścigach Nascar, w których prędkość przekracza 300 km/h, zwiększenie prędkość maksymalna tylko dla 8 km/h trzeba zwiększyć moc silnika o 62 kW (83 KM) lub zmniejszyć Cx o 15%. Jest inny sposób - zmniejszyć przednią część samochodu. Wiele szybkich supersamochodów jest znacznie niższych zwykłe samochody. To tylko oznaka pracy nad zmniejszeniem obszaru czołowego. Jednak tę procedurę można wykonać do pewnych ograniczeń, w przeciwnym razie korzystanie z takiego samochodu będzie niemożliwe. Z tego i innych powodów usprawnienie jest jednym z głównych problemów, które pojawiają się podczas projektowania samochodu. Oczywiście na siłę oporu ma wpływ nie tylko prędkość samochodu i jego parametry geometryczne. Na przykład im większa gęstość przepływu powietrza, tym większy opór. Z kolei gęstość powietrza zależy bezpośrednio od jego temperatury i wysokości nad poziomem morza. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta gęstość powietrza (a co za tym idzie jego lepkość), podczas gdy wysoko w górach powietrze jest rzadsze, a jego gęstość maleje i tak dalej. Takich niuansów jest wiele.
Ale wracając do kształtu samochodu. Który przedmiot ma najlepszy przepływ? Odpowiedź na to pytanie jest znana prawie każdemu uczniowi (który nie spał na lekcjach fizyki). Spadająca kropla wody przybiera kształt najbardziej akceptowalny z punktu widzenia aerodynamiki. Oznacza to zaokrągloną przednią powierzchnię i gładko zwężający się długi tył (najlepszy stosunek to 6-krotność długości do szerokości). Współczynnik oporu jest wartością eksperymentalną. Liczbowo on równa sile opór powietrza w niutonach, który powstaje, gdy porusza się ono z prędkością 1 m/s na 1 m2 powierzchni czołowej. Zwyczajowo za jednostkę odniesienia uważa się Cx płaskiej płyty = 1. Tak więc dla kropli wody Cx = 0,04. A teraz wyobraź sobie taki samochód. Nonsens, prawda? Takie urządzenie na kołach nie tylko będzie wyglądało nieco karykaturalnie, ale korzystanie z tego samochodu zgodnie z jego przeznaczeniem nie będzie zbyt wygodne. Dlatego projektanci zmuszeni są znaleźć kompromis pomiędzy aerodynamiką samochodu a wygodą jego użytkowania. Ciągłe próby zmniejszenia współczynnika opór powietrza doprowadziło do tego, że niektóre nowoczesne samochody mają Cx = 0,28-0,25. Cóż, szybko rekordowe samochody chwalić się Cx = 0,2-0,15.
Siły oporu
Teraz musimy trochę porozmawiać o właściwościach powietrza. Jak wiecie, każdy gaz składa się z cząsteczek. Są w ciągłym ruchu i wzajemnie na siebie oddziałują. Istnieją tak zwane siły van der Waalsa - siły wzajemnego przyciągania się cząsteczek, które uniemożliwiają ich ruch względem siebie. Niektóre z nich zaczynają mocniej przylegać do innych. A wraz ze wzrostem chaotycznego ruchu cząsteczek wzrasta skuteczność oddziaływania jednej warstwy powietrza na drugą, a lepkość wzrasta. Dzieje się tak z powodu wzrostu temperatury powietrza, a może to być spowodowane zarówno bezpośrednim ogrzewaniem od słońca, jak i pośrednio tarciem powietrza o dowolną powierzchnię lub po prostu jego warstwy między sobą. Tu liczy się szybkość. Aby zrozumieć, jak to wpływa na samochód, po prostu spróbuj machnąć ręką otwartą dłonią. Jeśli robisz to powoli, nic się nie dzieje, ale jeśli machniesz ręką mocniej, dłoń już wyraźnie wyczuwa pewien opór. Ale to tylko jeden składnik.
Kiedy powietrze porusza się po jakiejś nieruchomej powierzchni (na przykład karoserii), te same siły van der Waalsa powodują, że najbliższa warstwa cząsteczek zaczyna się do niej przyklejać. A ta „zablokowana” warstwa spowalnia następną. I tak warstwa po warstwie, a im szybciej poruszają się cząsteczki powietrza, tym dalej znajdują się od nieruchomej powierzchni. Ostatecznie ich prędkość jest zrównywana z prędkością głównego strumienia powietrza. Warstwa, w której cząsteczki poruszają się powoli, nazywana jest warstwą graniczną i pojawia się na dowolnej powierzchni. Im wyższa wartość energii powierzchniowej materiału powłoki pojazdu, tym silniej jego powierzchnia oddziałuje na poziomie molekularnym z otaczającym powietrzem i tym więcej energii trzeba zużyć, aby zniszczyć te siły. Teraz, opierając się na powyższych obliczeniach teoretycznych, możemy powiedzieć, że opór powietrza to nie tylko podmuch wiatru Przednia szyba. Ten proces ma więcej elementów.
Odporność na kształt
To najważniejsza część - do 60% wszystkich strat aerodynamicznych. Jest często określany jako opór ciśnieniowy lub opór. Podczas jazdy samochód spręża strumień powietrza i pokonuje wysiłek rozpychania cząsteczek powietrza. Rezultatem jest strefa wysokie ciśnienie krwi. Następnie powietrze opływa powierzchnię samochodu. W tym procesie strumienie powietrza przerywają się, tworząc turbulencje. Ostateczne oddzielenie strumienia powietrza z tyłu pojazdu tworzy strefę obniżone ciśnienie. Opór z przodu i efekt ssania z tyłu samochodu powodują bardzo silną reakcję. Ten fakt zobowiązuje projektantów i projektantów do szukania sposobów na nadanie ciała. Ułożyć na półkach.
Teraz musisz wziąć pod uwagę kształt samochodu, jak mówią, „od zderzaka do zderzaka”. Które z części i elementów mają większy wpływ na ogólną aerodynamikę maszyny. Przód ciała. Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym wykazały, że dla lepsza aerodynamika przód ciała powinien być niski, szeroki i nie mieć ostre rogi. W tym przypadku nie dochodzi do rozdzielenia strumienia powietrza, co ma bardzo korzystny wpływ na opływowość samochodu. Osłona chłodnicy to często nie tylko element użytkowy, ale również dekoracyjny. W końcu chłodnica i silnik muszą mieć efektywny przepływ powietrza, więc ten element jest bardzo ważny. Niektórzy producenci samochodów badają ergonomię i dystrybucję przepływu powietrza komora silnika tak poważne, jak ogólna aerodynamika samochodu. Skłonić przednia szyba- bardzo uderzający przykład kompromisu usprawnienia, ergonomii i wydajności. Jej niedostateczne nachylenie stwarza nadmierny opór, a zbytnie nachylenie zwiększa zapylenie i masę samej szyby, widoczność gwałtownie spada o zmroku, konieczne jest zwiększenie rozmiaru wycieraczki itp. Przejście z szyby na ściankę boczną należy wykonać płynnie.
Ale nie powinieneś dać się ponieść nadmiernej krzywiźnie szkła - może to zwiększyć zniekształcenia i pogorszyć widoczność. Wpływ słupka przedniej szyby na opór aerodynamiczny zależy w dużym stopniu od położenia i kształtu przedniej szyby, a także od kształtu przedniej części. Jednak pracując nad kształtem bagażnika nie można zapomnieć o zabezpieczeniu przednich szyb bocznych przed deszczem i brudem wywiewanym z przedniej szyby, zachowaniu akceptowalnego poziomu zewnętrznego hałasu aerodynamicznego itp. Dach. Zwiększenie pochylenia dachu może prowadzić do zmniejszenia współczynnika oporu powietrza. Ale znaczny wzrost wybrzuszenia może kolidować z ogólnym projektem samochodu. Ponadto, jeśli wzrostowi wybrzuszenia towarzyszy równoczesny wzrost obszaru oporu, wówczas siła oporu powietrza wzrasta. Z drugiej strony, jeśli spróbujesz zachować pierwotną wysokość, przednia i tylna szyba będą musiały zostać wprowadzone w dachy, ponieważ widoczność nie powinna się pogorszyć. Doprowadzi to do wzrostu kosztów okularów, podczas gdy spadek siły oporu powietrza w tym przypadku nie jest tak znaczący.
powierzchnie boczne. Pod względem aerodynamiki pojazdu powierzchnie boczne mają niewielki wpływ na powstawanie przepływu bezwirowego. Ale nie można ich zbytnio zaokrąglić. W przeciwnym razie trudno będzie dostać się do takiego samochodu. Szyba powinna w miarę możliwości tworzyć jedną całość z powierzchnią boczną i znajdować się w jednej linii z zewnętrznym obrysem samochodu. Wszelkie stopnie i nadproża stwarzają dodatkowe przeszkody w przepływie powietrza, pojawiają się niepożądane turbulencje. Możesz zauważyć, że rynny, które były wcześniej obecne w prawie każdym samochodzie, nie są już używane. Inny Konstruktywne decyzje, które nie mają tak dużego wpływu na aerodynamikę samochodu.
Być może renderuje tył samochodu największy wpływ na współczynniku oporu. Jest to wyjaśnione w prosty sposób. Z tyłu strumień powietrza przerywa się i tworzy zawirowania. Prawie niemożliwe jest, aby tył samochodu był tak opływowy jak sterowiec (długość jest 6 razy większa niż szerokość). Dlatego dokładniej pracują nad jego formą. Jednym z głównych parametrów jest kąt nachylenia tylnej części samochodu. Przykład stał się już podręcznikiem Rosyjski samochód„Moskvich-2141”, gdzie to niefortunne rozwiązanie tylnej części znacznie pogorszyło ogólną aerodynamikę samochodu. Ale w inny sposób szyba tylna„Moskvich” zawsze pozostawał czysty. Znowu kompromis. Dlatego tak wiele dodatkowych elementów mocujących jest wykonywanych specjalnie z myślą o tylnej części samochodu: tylne błotniki, spojlery itp. Wraz z kątem nachylenia tylnej konstrukcji i kształtu bocznej krawędzi tylnej części samochodu duży wpływ współczynnik oporu. Na przykład, jeśli spojrzysz na prawie każdy nowoczesny samochód Z góry od razu widać, że przód korpusu jest szerszy niż tył. To także aerodynamika. Spód samochodu.
Jak może się początkowo wydawać, ta część ciała nie może wpływać na aerodynamikę. Ale jest jeszcze taki aspekt, jak siła docisku. Od tego zależy stabilność samochodu i to, jak prawidłowo zorganizowany jest przepływ powietrza pod spodem samochodu, a co za tym idzie siła jego „przyklejania się” do drogi. Oznacza to, że jeśli powietrze pod samochodem nie pozostaje, ale przepływa szybko, wówczas występujące tam obniżone ciśnienie dociśnie samochód do jezdni. Jest to szczególnie ważne w przypadku zwykłych samochodów. Chodzi o to, że samochody wyścigowe, które konkurują na wysokiej jakości, równych nawierzchniach, można ustawić prześwit tak mały, że zaczyna pojawiać się efekt „poduszki ziemnej”, w której siła docisku wzrasta, a ciągnąć maleje. Dla normalne samochody krótki prześwit gorszący. Dlatego w ostatnim czasie projektanci starali się jak najbardziej wygładzić spód auta, aby osłonić takie nierówne elementy jak rury wydechowe, wahacze itp. Notabene, nadkola mają bardzo duży wpływ na aerodynamikę samochodu. Nieprawidłowo zaprojektowane nisze mogą stworzyć dodatkową windę.
I znowu wiatr
Nie trzeba dodawać, że wymagana moc silnika zależy od opływowości samochodu, a co za tym idzie, zużycia paliwa (czyli portfela). Jednak aerodynamika wpływa nie tylko na prędkość i ekonomię. Nie ostatnie miejsce podjąć się zadania zapewnienia dobra stabilność kursu walutowego, obsługi pojazdu i redukcji hałasu podczas jazdy. Z hałasem wszystko jest jasne: im lepsza opływowość samochodu, jakość nawierzchni, im mniejszy rozmiar szczelin i liczba wystających elementów itp., tym mniej hałasu. Projektanci muszą pomyśleć o takim aspekcie, jak moment zwrotny. Efekt ten jest dobrze znany większości kierowców. Każdy, kto kiedykolwiek przejeżdżał obok „ciężarówki” z dużą prędkością lub po prostu jechał przy silnym bocznym wietrze, powinien odczuć pojawienie się przechyłu, a nawet lekkiego skrętu samochodu. Nie ma sensu wyjaśniać tego efektu, ale to jest właśnie problem aerodynamiki.
Dlatego współczynnik Cx nie jest unikalny. W końcu powietrze może oddziaływać na samochód nie tylko „na czoło”, ale także pod różnymi kątami iw różnych kierunkach. A to wszystko ma wpływ na obsługę i bezpieczeństwo. To tylko kilka z głównych aspektów, które wpływają ogólna siła opór powietrza. Nie sposób obliczyć wszystkich parametrów. Istniejące formuły nie dają pełnego obrazu. Dlatego projektanci badają aerodynamikę samochodu i korygują jego kształt za pomocą tak drogiego narzędzia, jak tunel aerodynamiczny. Zachodnie firmy nie szczędzą pieniędzy na ich budowę. Koszt takich ośrodków badawczych może sięgać milionów dolarów. Na przykład: koncern Daimler-Chrysler zainwestował 37,5 miliona dolarów w stworzenie specjalistycznego kompleksu poprawiającego aerodynamikę swoich samochodów. Obecnie tunel aerodynamiczny jest najważniejszym narzędziem do badania sił oporu powietrza oddziałujących na samochód.
