Как работает автомобильная аэродинамика?

С какими законами аэродинамики ежедневно приходиться сталкиваться Вашему автомобилю?

аэродинамика автомобиляНеприятно думать об этом, но представьте себе, что произойдет, если ваш автомобиль протаранит кирпичную стену на скорости в 100 км/ч. Металл соберется в гармошку. Лобовое стекло разобьется. Раскроются подушки безопасности, чтобы защитить вас и ваших пассажиров, если вы пристегнуты ремнем безопасности, конечно. Но, даже учитывая все достижения в области активной безопасности, которые мы на сегодняшний день имеем в наших автомобилях, это, вероятнее всего, будет очень тяжелая авария с очень тяжелыми последствиями. Ни один автомобиль не предназначен для того, чтобы проходить сквозь кирпичные стены.

Но есть еще один тип «стен», проходить сквозь которые может любой автомобиль, мы говорим о стенах воздуха, который давит на автомобиль при очень высоких скоростях.

Большинство из нас не думают о воздухе или о ветре, как о стене. На низких скоростях, и в практически безветренную погоду, очень сложно заметить, как поток воздуха взаимодействует с вашим транспортным средством. Но на высоких скоростях, и в особенно ветреные дни, сопротивление воздуха (сила, воздействующая на движущийся по воздуху объект – также определяемая как сопротивление) имеет огромное влияние на то, как автомобиль ускоряется, насколько он управляем и насколько эффективный расход топлива он обеспечивает.

Именно здесь в игру вступает наука аэродинамики. Аэродинамика занимается изучением сил, которые являются результатом движения объектов в воздухе. В течение многих десятилетий автомобили разрабатываются с учетом аэродинамики, автопроизводители изобрели инновации, которые делают прохождение автомобиля сквозь стены из «воздуха» легче и менее заметным в повседневной езде.

По сути, то, что автомобиль разработан с учетом сопротивления воздушного потока означает, что он имеет меньше трудностей при ускорении и может достичь эффективного расхода топлива, так как двигателю не нужно будет перерабатывать, чтобы «протолкнуть» автомобиль сквозь воздушную стену.

Инженеры разработали несколько способов, которые помогают улучшить аэродинамику транспортного средства. Например, более округлые формы во внешнем дизайне автомобиля, которые направляют воздушный канал таким образом, чтобы он обтекал кузов авто с наименьшим сопротивлением, которое только возможно. Некоторые высокопроизводительные автомобили даже оснащены такими деталями, которые направляют поток воздуха по нижней части автомобиля. Многие из таких транспортных средств также оснащены антикрылом – более известным, как спойлер – которое предотвращает подъем задних колес автомобиля из-за сильного потока воздуха, и делает его более устойчивым при высоких скоростях. Конечно не все антикрылья одинаковы и применяются по назначению. Как вы сможете убедиться немного позже, большинство спойлеров, которые вы видите на автомобилях, в первую очередь являются лишь элементом  автомобильного дизайна, нежели деталью выполняющей свою прямую функцию.

В этой статье мы рассмотрим физику аэродинамики и сопротивления воздуха, узнаем историю того, как создавались первые автомобили с учетом этих факторов, и почему во времена «зеленых» гибридных автомобилей аэродинамика важна как никогда раньше.

Наука аэродинамика

Прежде чем мы рассмотрим то, как аэродинамика применяется к автомобилям, разрешите немного освежить в вашей памяти курс физики, чтобы вы смогли понять основную идею.

При движении объекта через атмосферу, он вытесняет воздух, который его окружает. Объект также подвержен силе притяжения и сопротивлению. Сопротивление генерируется, когда твердый объект движется в жидкой среде, такой как вода или воздух. Сопротивление увеличивается вместе со скоростью объекта – чем быстрее он перемещается в пространстве, тем большее сопротивление он испытывает.

Мы измеряем движение объекта с помощью факторов, описанных в законах Ньютона. Они включают в себя массу, скорость, вес, внешнюю силу, и ускорение.

Сопротивление имеет прямое влияние на ускорение. Ускорение (а) объекта является его вес (W) минус сопротивление (D), деленное на массу (m). Напомним, что вес – это произведение массы тела на ускорение свободного падения. Например, на Луне ваш вес изменится из-за отсутствия силы притяжения, но ваша масса останется прежней. Проще говоря:

                                               a = (W - D) / m

Когда объект ускоряется, его скорость и сопротивление растут до конечной точки, в которой сопротивление становится равным весу – в этом случае объект не сможет больше ускоряться. Давайте представим, что нашим объектом в данном уравнении является автомобиль. Это означает, что когда автомобиль движется быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха сопротивляется его движению, ограничивая его предельным ускорением при определенной скорости.

Как же все это относится к конструкции автомобиля? Что же, все это является необходимым для вычисления очень важного числа – коэффициента аэродинамического сопротивления. Это один из основных факторов, который определяет, как легко объект движется сквозь воздух. Коэффициент лобового сопротивления (Cd) рассчитывается по следующей формуле:

                                               Cd = D / (A * r * V/2)

Где D – это сопротивление, A – площадь, r – плотность, V – скорость.

Итак, каким должен быть коэффициент лобового сопротивления автомобиля, если дизайнеры работают над созданием транспортного средства с высокой аэродинамикой? Об этом мы поговорим далее.

Коэффициент аэродинамического сопротивления в автомобиле

Мы только что разобрались в том, что коэффициент лобового сопротивления (Cd) является величиной, которая измеряет силу сопротивления воздуха, примененную к объекту, например, к автомобилю. Теперь представьте, что сила воздуха давит на автомобиль по мере его передвижения по дороге. На скорости в 110 км/ч на автомобиль воздействует сила в четыре раза большая, чем на скорости в 55 км/ч.

Аэродинамические способности автомобиля измеряются с использованием коэффициента аэродинамического сопротивления транспортного средства. По сути, чем меньше показатель Cd, тем с лучшей автомобильной аэродинамикой мы имеем дело, и тем проще данное транспортное средство сможет продвигаться сквозь стену воздуха, которая давит на него.

Давайте рассмотрим несколько показателей Cd. Помните угловатые квадратные автомобили Volvo из 1970-х, 80-х годов? Старый седан Volvo 960 достигает коэффициента лобового сопротивления в 0.36. Более новые автомобили Volvo характеризуются уже более плавными и гладкими линиями, благодаря этому коэффициент седана S80 достигает 0.28. Это доказывает то, к чему вы, возможно, уже пришли самостоятельно – более плавные и обтекаемые формы показывают лучшую аэродинамику, чем угловатые и квадратные. Но что является тому причиной?

Давайте рассмотрим самую аэродинамическую вещь в природе – слезу. Слеза круглая и гладкая со всех сторон, а в верхней части сужается. Когда она капает вниз, воздух легко и плавно обтекает слезу. То же самое мы наблюдаем и с автомобилями – гладкие, округлые поверхности позволяют воздуху практически беспрепятственно течь над автомобилем, сокращая сопротивление воздуха движению автомобиля.

Сегодня большинство автомобилей имеют средний коэффициент сопротивления в 0.30. Внедорожники, которые имеют более квадратный аэродинамичный дизайн toyota priusдизайн, чем седаны и купе, потому что они более габаритны, вмещают больше пассажиров, и часто им нужны большие радиаторные решетки, чтобы охладить двигатель, в среднем имеют коэффициент лобового сопротивления от 0.30 и до 0.40 и более. Пикапы, дизайн которых целенаправленно квадратный, как правило, имеют Cd больше, чем 0.40.

 Многие ставят под сомнение «уникальный» дизайн автомобиля Toyota Prius, но он имеет чрезвычайно аэродинамическую форму и это играет ему на руку. Кроме других характеристик, которые помогают этому гибриду показывать очень эффективный расход топлива, его низкий коэффициент лобового сопротивления (0.26) позволяет сделать этот показатель еще ниже. Запомните, каждые минус 0,01 в коэффициенте помогают сократить расход топлива на 0,1 л на 100 км пути.

Далее в нашей статье мы рассмотрим историю развития аэродинамики вместе с дизайном автомобилей.

История дизайна автомобилей с учетом аэродинамики

Несмотря на тот факт, что ученые уже достаточно давно знают о важности форм в вопросах аэродинамики, потребовалось немало времени, чтобы эти принципы стали применяться при создании новых автомобилей.

ford tАвтомобили, которые стоят у истоков истории автомобилестроения, не имеют ни малейшего представления об аэродинамике. Взгляните на Модель Т компании Ford – она больше похожа на лошадиную повозку, которая может ездить без лошади – нельзя найти более квадратный дизайн. Но стоит признать тот факт, что большинство первых автомобилей и не нуждались в более аэродинамическом дизайне, так как были относительно медленными. Однако некоторые гоночные машины начала 1900-х годов начали понемногу сужаться, чтобы улучшить аэродинамику автомобиля.

В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfenauto, что в переводе с немецкого означает «автомобиль - слеза». Созданный на основе самой аэродинамической формы в природе, формы слезы, этот автомобиль мог похвастаться коэффициентом лобового сопротивления в 0.27, но его уникальный вид так и не нашел признания у общественности. Рмплер успел создать лишь 100 экземпляров своего чудо – автомобиля .

В Америке один из самых больших скачков вперед в аэродинамическом дизайне был совершен в 1930 году, когда вышла модель Chrysler Airflow. Вдохновленным полетом птиц, Airflow стал одним из первых автомобилей, разработанных с учетом аэродинамики. Хотя в строительстве этой модели и использовались некоторые уникальные методы, и он имел распределение массы почти 50/50 (равномерное распределение веса между передней и задней осями для улучшения управляемости), уставшая от Великой депрессии общественность так и не смогла влюбиться в его нетрадиционную внешность, и автомобиль посчитали провальным. Тем не менее, его обтекаемый дизайн был далеко впереди своего времени.

В 1950-х и 60-х годах произошли самые большие достижения в области автомобильной аэродинамики, которые пришли из гоночного мира. Первоначально инженеры экспериментировали с различными конструкциями, зная, что обтекаемая форма может помочь автомобилям их компании лучше показывать себя и свои возможности, особенно на высоких скоростях. Эти эксперименты, в конечном итоге, превратились в очень точную науку о разработке самого аэродинамического гоночного автомобиля, который только возможен. Передние и задние спойлеры, носы в форме лопаты, и аэро комплекты становились все более и более распространенными. Все это создавалось с одной целью, направить поток воздуха через крышу и создать необходимую прижимную силу на передние и задние колеса.

Что же поспособствовало тому, чтобы произошли все эти изменения? Ответ: аэродинамическая труба. В следующей части нашей статьи мы постараемся рассказать вам, что это такое и исследовать вопрос, почему аэродинамическая труба крайне важна для автомобильного дизайна.

Измерение сопротивления с помощью аэродинамической трубыаэродинамическая труба

Для измерения аэродинамической эффективности автомобиля в реальном времени, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности – аэродинамическую трубу.

По сути, аэродинамическая труба является туннелем с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Это может быть автомобиль, самолет, или что-нибудь еще, чье сопротивление воздуху необходимо измерить инженерам. Из помещения, который находится за туннелем, инженеры наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом, а также за поведением воздушных потоков на разных поверхностях.

Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы никогда не двигаются, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные автомобили даже не используются в данном тестировании – дизайнеры часто полагаются на точные масштабные модели своих автомобилей для измерения сопротивления ветру. В то время как ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, компьютеры проводят расчет коэффициента аэродинамического сопротивления.

На самом деле аэродинамические трубы не являются чем-то новым. Их используют еще с конца 1800-х годов для измерения воздействия воздушного потока во многих ранних попытках создания самолета. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей в поисках преимущества над конкурентами стали использовать аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамического оборудования своих автомобилей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских автомобилей и грузовиков.

Тем не менее, в последние годы, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США используются все реже и реже. Компьютерное моделирование понемногу вытесняет аэродинамические трубы, поскольку является лучшим способом для измерения аэродинамики автомобиля или самолета. Во многих случаях аэродинамические трубы используются лишь для того, чтобы убедиться в том, что в компьютерном моделировании нет никаких просчетов.

Многие думают, что добавление спойлера на заднюю часть своего автомобиля является отличным способом улучшить его аэродинамику. В следующем разделе мы рассмотрим различные типы аэродинамических дополнений к транспортным средствам, а также изучим их роль в обеспечении лучшей производительности и в эффективном расходе топлива.

Аэродинамические дополнения к автомобилю

красный автомобиль формулы 1В аэродинамике больше понятий, чем одно только сопротивление воздуха – есть еще и такие факторы, как подъемная и прижимная силы. Подъемная сила (или лифт) – это сила, которая выступает против веса объекта, поднимает его в воздух и удерживает его там. Прижимная сила является противоположностью лифту – это сила, которая прижимает объект к земле.

Вы, наверное, думаете, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей Формулы 1 должен быть очень низким – автомобили с супер-аэродинамикой являются самыми быстрыми, не так ли? Не в этом случае. Типичный гоночный автомобиль Формулы 1 имеет коэффициент аэродинамического сопротивления около 0.70.

Почему же тогда этот тип гоночных автомобилей в состоянии развивать скорость в более чем 320 км/ч, но не отличается самой лучшей аэродинамикой, как вы могли бы подумать? Все потому, что все автомобили Формулы 1 построены так, чтобы создавать так много прижимной силы, как только возможно. С той скоростью, с которой они передвигаются, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили действительно начинают испытывать лифт на определенных скоростях – физика заставляет их подниматься в воздух как самолет. Очевидно, что автомобили не созданы для того, чтобы летать (хотя статья Transition Terrafugia – летающий автомобиль-трансформер утверждает обратное), и если транспортное средство начинает подниматься в воздух, то ожидать можно только одного – разрушительной аварии. По этой причине, прижимная сила должна быть максимальной, чтобы удержать автомобиль на земле на высоких скоростях, а это означает, что коэффициент аэродинамического сопротивления должен быть довольно высоким.

Автомобили Формулы 1 добиваются этого с помощью крыльев или спойлеров на передней и задней частях транспортного средства. Эти крылья направляют потоки воздуха таким образом, что они прижимают автомобиль к земле – та самая прижимная сила. Это позволяет увеличивать скорость и не терять ее на поворотах, но прижимная сила должна быть тщательно сбалансирована с лифтом, что позволяет автомобилю набрать соответствующую прямолинейную скорость.

Многие серийные автомобили оснащены аэродинамическими дополнениями для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R был раскритикован в автомобильной прессе за его внешность, весь его кузов спроектирован так, чтобы направить поток воздуха над автомобилем и обратно через овальный задний спойлер, создавая большую прижимную силу.

Но в повседневной жизни мы часто видим спойлеры и крылья на серийных автомобилях, таких как седаны компаний Toyota и Honda. Действительно ли они добавляют волшебную аэродинамику автомобилю? В некоторых случаях эти элементы дизайна могут добавить устойчивости на высоких скоростях. Например, оригинальный автомобиль Audi TT не был оснащен спойлером сзади на крышке багажника, но компании Audi пришлось его добавить после того как выяснилось, что округлые формы TT создавали слишком много подъемной силы, что, возможно, послужило причиной не одной аварии.

В большинстве случаев, однако, прикручивание большого спойлера на багажник обычного автомобиля никак не поможет улучшить производительность, управляемость, или же добавить скорость автомобилю. В некоторых случаях спойлер может стать причиной избыточной поворачиваемости или же наоборот, нежелания автомобиля входить в повороты. Однако если вы думаете, что гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому переубедить вас в этом.

Рейтинг: 
5

© Все права защищены

Комментарии

Добавить комментарий (появится после одобрения администратора)