Аеродинаміка - це вивчення в механіці рідини руху повітря та інших газів, і як вони взаємодіють з тілами в русі. Але в цій галузі, що стосується автомобіля, найцікавіше говорити про аеродинамічний опір. Аеродинамічний опір це сила, протилежна руху будь-якого предмета (наприклад, автомобіля), що рухається по повітрю. Сьогодні ми приносимо вам пояснення та проста формула що допоможе вам набагато краще зрозуміти, як саме працює ця сила, яку стільки разів згадували і так рідко розуміли. Якщо ви добре зрозумієте це просте пояснення, незабаром Ви матимете більше уявлення про аеродинамічний опір, ніж 99,9% світового населення. Обіцяли.
Що таке аеродинаміка: відео пояснення
Що таке і що спричиняє аеродинамічний опір?
Зосередження уваги на конкретному випадку автомобіля, який їде по дорозі, аеродинамічний опір обумовлений необхідністю переміщати великий об'єм повітря, який ми пропускаємо спереду, і розташуватися позаду машини. Коли автомобіль рухається вперед, існує значна різниця тиску між передньою частиною автомобіля, куди ми потрапляємо в повітря, і задньою частиною автомобіля, де створюється ефект всмоктування, який сильніший, чим швидше ми рухаємось.
Формула аеродинамічного опору: добре зрозуміти, як це працює
Нехай ніхто не лякається, бачачи формулу, тому що це дуже легко і Він складається з 4 факторів, які множаться, не більше того. Кожен із цих факторів дуже легко зрозуміти, як ми побачимо нижче, і разом вони дадуть нам важливу автомобільну культуру, щоб мати можливість обговорювати з тим, хто попереду, аеродинаміку, або, принаймні, не говорити про жорстокості, що не мало.
Аеродинамічний опір (R) = ½ d S Cx v 2
* d = Густина повітря
* S = Лицьова поверхня
* Cx = Коефіцієнт аеродинамічного опору
* v 2 = Швидкість у квадраті (виміряна щодо повітря, а не землі)
Беручи до уваги, що щільність повітря (d, яка вимірюється в кг/м3) є більш-менш постійною, і ми не можемо її контролювати, ми просто повинні добре розуміти останні три члени рівняння і ми будемо справжніми тріщинами в аеродинамічному опорі.
Лицьова поверхня
Лицьова поверхня (S) - площа, зайнята автомобілем, оглянута спереду і вимірюється в м 2 . Таким чином, ми можемо зрозуміти, що високий і широкий автомобіль з великими дзеркалами та шинами надаватиме більший опір, ніж низький, вузький автомобіль з маленькими дзеркалами та тонкими шинами. Подвійний передня поверхня передбачає подвійний опір (За інших рівних факторів) саме тому позашляховик споживає більше і працює менше, ніж компактний, навіть якщо у них однаковий двигун, навіть якщо вони мають однакову форму і навіть якщо вони можуть важити однаково: позашляховик повинен рухатися більше повітря, щоб пройти з повітря.
Передня поверхня - це розмір повітряного фронту, який доведеться рухатись, щоб проїхати автомобіль. Чим менше, тим краще. Передня поверхня автомобіля зазвичай становить приблизно від 2 м 2 до 2,5 м 2 і в ньому потрібно враховувати все, що безпосередньо стикається з повітрям: переднє, лобове скло, дзеркала, частина шин, що виходить з-під кузова. якщо ми додамо стійку на даху або коробку на даху, ми збільшимо передню поверхню (а також її коефіцієнт аеродинамічного опору, який ми побачимо нижче).
Цікавою деталлю є те, що ця площина максимального перерізу (площина, за допомогою якої ми могли б вирізати найбільший «зріз» машини) також є площина, з якої потік повітря починає відокремлюватися від тіла, і тиск зменшується. Цей літак повинен бути кордоном між повітрям, яке гальмує машину, "штовхаючи спереду", і повітрям, що гальмує машину, "що тягне ззаду".
Коефіцієнт аеродинамічного опору Cx
Коефіцієнт Cx є безрозмірним, не має одиниць вимірювання та представляє опору транспортного засобу проти вітру в порівнянні з опором теоретичного об'єкта, здатного зупинити повітря спереду (щось на зразок стіни), коефіцієнт якого буде = 1. A теоретичне значення Cx = 0 означало б повну відсутність опору, і між цими двома крайніми місцями стоять усі машини (у яких позаду немає відкритого парашута).
Коефіцієнт аеродинамічного опору Cxнесе "х", оскільки існують також Cy і Cz, що було б коефіцієнтами поперечного та вертикального аеродинамічного опору, але в цьому випадку нас буде цікавити коефіцієнт у напрямку осі X, яка є напрямком руху автомобіля, його поздовжньої осі.
Застосування ідеї коефіцієнта опору до реальних автомобілів, форма "коробки", яка є найбільш ефективною з точки зору внутрішнього простору, буде найбільш неефективною за аеродинамічним опором.
Так що, дизайнери повинні досягти компромісних відносин між обома факторами, наскільки вони хочуть поміститися всередині автомобіля проти. скільки спротиву вони готові прийняти. Тому мікроавтобуси та вантажівки більше схожі на коробки (вони надають пріоритет космосу, вони їдуть не дуже швидко), а спортивні автомобілі дуже низькі та різкі (вони надають пріоритет аеродинаміці, а також нижчому центру ваги), хоча не так багато речей підходить всередині.
Цікава деталь така задня частина автомобіля важливіша за передню. Мета форми автомобіля полягає в тому, щоб повітря відійшло спереду і переставило себе ззаду якомога швидше і плавніше, у так званому "ламінарний потік" повітря.
У ламінарному потоці різні шари або «аркуші» повітря навколо автомобіля набувають різної швидкості, коли оточують його.. Шари, найближчі до поверхні машини, "затягуються" машиною, ніж ті, що розташовані далі, так само, як у руслі річки вода, що стікає вздовж берегів, опускається повільніше, ніж у центральному руслі. Якщо ламінарний потік підтримується, а повітря акуратно ковзає, автомобіль надає невеликий опір.
Якщо розташування повітря в листах порушено і ці шари змішані, ми б перейшли від ламінарного потоку до "турбулентного потоку" і замість того, щоб панувати порядок, панував хаос, як правило, в задній частині машини. Турбулентність - найлютіший ворог правильної аеродинаміки, ось чому машини звужуються, а дахи опускаються до кінця машини, щоб полегшити цей впорядкований ламінарний потік і швидко заповнити простір, який залишає машина, повітрям.
Це причина, чому вимірювання висоти на передніх сидіннях завжди вільне (воно приблизно збігається в площині максимальної фронтальної поверхні та максимальної висоти), але на задніх сидіннях не складно торкнутися головою даху, особливо у спортивних моделях. Це не тому, що діти їдуть ззаду або щось подібне, це тому, що на висоті задніх сидінь автомобіль вже роблять якомога нижче, щоб легко відправляти повітря на задній.
Швидкість у квадраті: справжній ключ до всього
Останній коефіцієнт у формулі - v 2, швидкість руху в квадраті. Враховуючи форму та розміри автомобіля, аеродинамічний опір зростає не зі швидкістю, а з квадратом швидкості. Це те, що називається експоненціальним збільшенням, і в даному випадку це означає, що невелике збільшення швидкості призводить до великого збільшення опору.
Один із способів зрозуміти це полягає в тому, що при подвоєній швидкості є два ефекти: повітря б'є вдвічі сильніше спереду, а також б'є вдвічі більше маси за одиницю часу. Обидва ефекти стекуються, тому v 2 .
Це пояснює це експоненціальне збільшення чому ваш автомобіль споживає набагато більше їзди зі швидкістю 120 км/год, ніж зі швидкістю 100 км/год. Збільшення швидкості становить 20%, але аеродинамічний опір збільшується на 44% (а необхідна потужність 73%, як ми детально побачимо нижче). З певної швидкості, кожне невелике додаткове збільшення є дуже дорогим в опорі для подолання, в потужності, що застосовується і, отже, у споживанні. Про це не слід забувати.
Зв'язок між аеродинамічним опором, швидкістю та потужністю
Ми підійшли до найцікавішої для мене частини і тієї, яка змусить нас зрозуміти найбільше про машини та фізику, що застосовується до автомобілів: співвідношення між аеродинамічним опором та потужністю, необхідною для швидшого та швидшого руху. Як ми побачимо нижче, ці стосунки не такі, як здаються на перший погляд.
На відміну від того, що може свідчити наша інтуїція, ми завжди бачимо "лінійний" світ, потужність, необхідна для подолання аеродинамічного опору, пропорційна кубу швидкості (v 3). Причина полягає в тому, що якщо ми подвоїмо швидкість, опір помножимо на x4 (попередній розділ) і що сила опору застосовується для подвоєної відстані для кожної одиниці часу: 2x швидкість означає 8x потужність!. Якщо ви не зрозуміли цих міркувань, неважливо, погляньте на формулу:
Потужність = R v = ½ d S Cx v 3
Це та сама формула аеродинамічного опору, помноженого на швидкість. Одиницею потужності формули буде Вт, якщо взяти одиниці Міжнародної системи: щільність повітря в кг/м 3, фронтальна поверхня в м 2 і швидкість в м/с.
Ми збираємося навести конкретний приклад потужності, необхідної для того, щоб довести справжній автомобіль до певних швидкостей враховуючи лише аеродинамічний опір. Ми нехтуємо додатковою потужністю, необхідною для подолання опору коченню, внутрішнього тертя кінематичного ланцюга, подачі енергії до будь-якої іншої системи автомобіля та охолодження самого двигуна, причому остання дуже важлива для потужних двигунів у повному обсязі продуктивність (1).
Приклад: Porsche 911 (992) Carrera S (2019)
d = 1225 кг/м3 (щільність повітря)
S = 2,07 м 2 (передня поверхня)
Cx = 0,29 (коефіцієнт аеродинамічного опору)
| 50 км/год | 71 Н (7 кг) | 1,4 к.с. |
| 100 км/год | 284 Н (29 кг) | 11 к.с. |
| 200 км/год | 1135 Н (115 кг) | 86 к.с. |
| 300 км/год | 2553 Н (260 кг) | 290 к.с. |
| 400 км/год | 4539 Н (463 кг) | 685 к. С |
Повноваження, зазначені в таблиці необхідні для руху лише повітря необхідний, щоб наш Porsche 911 Carrera S циркулював з будь-якою швидкістю. Просто повітря. Аеродинамічний опір дуже малий на низьких швидкостях, але коли він зазнає експоненціального збільшення, він швидко стає дуже важливим.
Для інтерпретації колони аеродинамічного опору, яка є силою і вимірюється в ньютонах, ми можемо зробити "переклад" у більш звичну одиницю, яка дозволяє нам краще її зрозуміти. Беручи за орієнтир опір при 200 км/год (1135 Н) ця сила еквівалентна вазі предмета вагою 115 кг (2), це сила, яка тягнула б машину назад. При швидкості 300 км/год ми говоримо про силу (2553 Н) еквівалентно вазі 260 кг і на швидкості 400 км/год (4539 Н) дорівнює вазі 463 кг. хороше гальмо.
Це кубічне збільшення потужності, необхідної по відношенню до швидкості, також пояснює, чому остання передача коробки передач завжди здається занадто короткою, це завжди створює відчуття, що якби ви могли поставити ще одну передачу, автомобіль би працював швидше. Це відчуття хибне, і найбільш нормальним є те, що машина не могла рухатись таким додатковим розвитком.
Це також пояснюється так ми можемо досягти 200 км/год за допомогою автомобіля потужністю 120 к.с. і все ж для досягнення 400 км/год потрібно більше 1000 к.с. (запитайте у Bugatti), хоча швидкість лише подвоюється.
Підніміть силу і притискну силу
Вплив повітря на машину не лише суперечить авансу. Повітря, яке проходить під машиною, робить це прямолінійно, через вузький канал обмежена між днищем машини та асфальтом, тоді як повітря, що проходить над машиною, вільно рухається і проходить значно довший шлях. Ця асиметрія вгору-вниз дає різницю тиску: під машиною високий тиск, а над машиною менший тиск, генерування a підняти на зразок тієї, якою літають літаки.
Це означає що автомобілі, як правило, піднімаються від землі, чим більше, тим швидше вони їдуть. Цей ефект, названий англійським терміном "підйом", дуже малий у порівнянні з вагою автомобіля (саме тому машини не літають), але він може вплинути на поведінку автомобіля на високій швидкості.
Щоб нейтралізувати цей ефект, ми можемо обладнати автомобіль різними елементами, що вводять притискна сила, негативна сила підйому, яка штовхає автомобіль вниз, щоб компенсувати його тенденцію до підйому. Найпоширенішим і найпростішим для розуміння елементом буде спойлер на задній частині автомобіля, що є в основному перевернутим крилом, яке штовхає вниз при контакті з рухомим повітрям.
Іншим способом ослаблення цієї сили підйому є якомога більше притискайте машину до землі, так що повітряний лист, що циркулює знизу, є мінімальним. Це дуже добре видно на автомобілях, які змагаються на трасі, де асфальт практично ідеальний і може бути опущений до межі, але це також причина, чому деякі машини з активною підвіскою опускаються на кілька міліметрів на високій швидкості. Це зменшення висоти також допомагає зменшити площу передньої поверхні, піддаючи вітру менше поверхні шини.
Для зменшення аеродинамічного опору та зменшення сили підйому, все більше і більше автомобілів мають обтічний фон. На фотографії, яка очолює цей розділ, ми бачимо "рівне" тло Audi Quattro A2 1984 року випуску в чорно-кремових кольорах, зовнішній вигляд якого змусив би нас задуматися про ретельну аеродинамічну роботу, коли насправді мова йде про захисні плити для гравію, камені і навіть скелі, які впливали на нижню частину машини в кожній секції, не маючи на меті покращити аеродинаміку.
На останній ілюстрації ми бачимо рівне дно Audi e-tron блакитний, в якому, справді, аеродинамічна робота була вичерпною.
Притискна сила може виходити за рамки компенсуючої сили підйому, приклеюючи машину до землі, ніби вона важила набагато більше, але без збільшення своєї маси, що значно сприяє швидкості руху на поворотах. У серійних автомобілях рідко трапляється, щоб притискна сила перевищувала кілька десятків кілограмів, але, наприклад, Формула 1 може генерувати набагато більше притискної сили, ніж власна вага, і саме тому кажуть, що з певної швидкості це може циркулюють перевернуто через дах тунелю, не падаючи.
Що таке аеродинаміка: відео пояснення
Уточнення
(1) Bugatti Chiron, приблизно 1500 к.с., при роботі на повній потужності генерує більше 3000 к.с. тепловіддачі (теплова ефективність його двигуна на повній потужності становить ледве 30%). Більша частина цього тепла виходить з вихлопної системи, але все одно має загалом 10 радіаторів та 49 літрів теплоносія (37 літрів у високотемпературному контурі та ще 12 літрів у низькотемпературному контурі) рідини, яку туди потрібно закачувати із запаморочливою швидкістю щоб двигун не плавився. Саме це холодильне обладнання вимагає великої потужності для роботи.
(2) Кілограм - це одиниця маси, а не сили, і неправильно говорити про вагу в кг. Вага предмета вимірюється в ньютонах (N), але на поверхні землі еквівалентність ваги та маси настільки постійна, що обидва поняття, як правило, плутаються в розмовній мові. Маса 1 кг притягується до землі силою (вагою) приблизно 9,81 Н на рівні моря, і ця вага непомітно змінюється залежно від висоти.