Как работает автомобильная аэродинамика?

С какими законами аэродинамики ежедневно приходиться сталкиваться автомобилю

Ни одна машина не пройдет сквозь кирпичную стену, но ежедневно проходит через стены из воздуха у которого тоже есть плотность.

Никто не воспринимает воздух или ветер как стену. На низких скоростях, в безветренную погоду, сложно заметить, как поток воздуха взаимодействует с транспортным средством. Но на высокой скорости, при сильном ветре, сопротивление воздуха (сила, воздействующая на движущийся по воздуху объект – также определяемая как сопротивление) сильно влияет на то, как машина ускоряется, насколько управляема, как расходует топливо.

Здесь в игру вступает наука аэродинамика, изучающая силы, образующиеся в результате движения объектов в воздухе. Современные автомобили разрабатываются с учетом аэродинамики. Автомобиль с хорошей аэродинамикой проходит сквозь стену воздуха как нож по маслу.

За счет низкого сопротивления воздушному потоку, такой автомобиль лучше ускоряется и лучше расходует топливо, так как двигателю не приходится тратить лишние силы на то, чтобы "протолкнуть" машину сквозь воздушную стену.

Чтобы улучшить аэродинамику автомобиля, форму кузова закругляют, чтобы воздушный канал обтекал авто с наименьшим сопротивлением. У спорткаров форма кузова спроектирована так, чтобы направлять поток воздуха преимущественно по нижней части, далее поймете почему. Еще на багажник машины ставят антикрыло или спойлер. Антикрыло прижимает заднюю часть автомобиля предотвращая подъем задних колес, из-за сильного потока воздуха, когда тот движется на большой скорости, что делает машину устойчивей. Не все антикрылья одинаковы и не все применяют по назначению, некоторые служат только элементом автомобильного декора не выполняющей прямую функцию аэродинамики.

Наука аэродинамика

Прежде чем говорить об автомобильной аэродинамике, пройдемся по основам физики.

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

Мы измеряем движение объекта факторами, описанными в законах Ньютона - масса, скорость, вес, внешняя сила, и ускорение.

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

a = (W - D) / m

Когда объект ускоряется, скорость и сопротивление растут до конечной точки, в которой сопротивление становится равным весу – больше объект не ускориться. Давайте представим, что наш объект в уравнении - автомобиль. Когда автомобиль движется все быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха сопротивляется его движению, ограничивая машину предельным ускорением при определенной скорости.

Подходим к самому важному числу – коэффициенту 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.

Коэффициент аэродинамического сопротивления в автомобиле

Разобрались в том, что коэффициент лобового сопротивления (Cd) это величина, 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 него воздействует сила в четыре раза большая, чем на скорости в 55 км/ч.

Аэродинамические способности автомобиля измеряются коэффициентом аэродинамического сопротивления. Чем меньше показатель Cd, тем лучше аэродинамика автомобиля, и тем легче он пройдет сквозь стену воздуха, которая давит на него с разных сторон.

Рассмотрим показатели Cd. Помните угловатые квадратные Volvo из 1970-х, 80-х годов? У старого седана Volvo 960 коэффициент лобового сопротивления 0.36. У новых Volvo кузова плавные и гладкие, благодаря этому коэффициент седана S80 достигает 0.28. Более плавные и обтекаемые формы показывают лучшую аэродинамику, чем угловатые и квадратные.

Причины, по которым аэродинамика любит гладкие формы

Вспомним самую аэродинамическую вещь в природе – слезу. Слеза круглая и гладкая со всех сторон, а в верхней части сужается. Когда слеза капает вниз, воздух легко и плавно ее обтекает. Также с автомобилями – по гладкой, округлой поверхности воздух течет свободно, сокращая сопротивление воздуха движению объекта.

Сегодня у большинства моделей средний коэффициент сопротивления 0.30. У внедорожников коэффициент лобового сопротивления от 0.30 до 0.40 и более. Причина высокого коэффициента в габаритах. Ленд Крузеры и Гелендвагены вмещают больше пассажиров, у них больше грузового места, большие радиаторные решетки, чтобы охладить двигатель, отсюда и квадратно-подобный дизайн. У пикапов, дизайн которых целенаправленно квадратный Cd больше, чем 0.40.

Дизайн кузова Toyota Prius спорный, но у машины показательно аэродинамическая форма. Коэффициент лобового сопротивления Toyota Prius 0.24, поэтому показатель расхода топлива у машины низкий не только из-за гибридной силовой установки. Запомните, каждые минус 0,01 в коэффициенте сокращают расход топлива на 0,1 л на 100 км пути.

Модели с плохим показателем аэродинамического сопротивления:

Модели с хорошим показателем аэродинамического сопротивления:

Методы улучшения аэродинамики известны давно, но потребовалось много времени, чтобы автопроизводители начали пользоваться ими при создании новых транспортных средств.

У моделей первых появившихся автомобилей нет ничего общего с понятием аэродинамики. Взгляните на Модель T компании Ford – машина больше похожа на лошадиную повозку без лошади – победитель в конкурсе квадратного дизайна. Правду сказать, большинство моделей - первопроходцев и не нуждались в аэродинамическом дизайне, так как ездили медленно, с такой скоростью нечему было сопротивляться. Однако гоночные машины начала 1900-х годов начали понемногу сужаться, чтобы за счет аэродинамики побеждать в соревнованиях.

Rumpler-Tropfen Auto

В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfen Auto, что в переводе с немецкого означает «автомобиль - слеза». Созданный по образу самой аэродинамической формы в природе, формы слезы, у этой модели коэффициент лобового сопротивления был 0.27. Дизайн Rumpler-Tropfenauto так и не нашел признания. Румплер успел создать только 100 единиц Rumpler-Tropfenauto.

В Америке скачок в аэродинамическом дизайне совершили в 1930 году, когда вышла модель Chrysler Airflow. Вдохновленные полетом птиц, инженеры сделали Airflow с учетом аэродинамики. Для улучшения управляемости вес машины равномерно распределили между передней и задней осями - 50/50. Уставшее от Великой депрессии общество так и не приняло нетрадиционную внешность Chrysler Airflow. Модель посчитали провальной, хотя обтекаемый дизайн Chrysler Airflow был далеко впереди своего времени.

Chrysler Airflow

В 1950-х и 60-х годах произошли самые большие достижения в области автомобильной аэродинамики, которые пришли из гоночного мира. Инженеры начали экспериментировать с разными формами кузова, зная, что обтекаемая форма ускорит автомобили. Так родилась форма гоночного болида, сохранившаяся по сей день. Передние и задние спойлеры, носы в форме лопаты, и аэрокомплекты служили одной цели, направить поток воздуха через крышу и создать необходимую прижимную силу на передние и задние колеса.

Успеху экспериментов поспособствовала аэродинамическая труба. В следующей части нашей статьи расскажем зачем она нужна и почему важна в проектировании дизайна автомобиля.

Измерение сопротивления в аэродинамической трубе

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

Аэродинамическая труба — это туннель с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Автомобиль, самолет, или что-то еще, чье сопротивление воздуху измеряют инженеры. Из помещения за туннелем, научные сотрудники наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом и как ведут себя воздушные потоки на разных поверхностях.

Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы не двигается, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные авто даже не загоняют в трубу – дизайнеры часто полагаются на точные модели, создаваемые из глины или другого сырья. Ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, а компьютеры рассчитывают коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамические трубы используют еще с конца 1800-х годов, когда пытались создать самолет и измеряли в трубах воздействие воздушного потока. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей, в поисках преимущества над конкурентами, стали применять аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамических элементов разрабатываемых моделей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских авто и грузовиков.

За последние 10 лет, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США применяют все реже и реже. Компьютерное моделирование понемногу вытесняет этот способ тестирования аэродинамики автомобиля (подробнее здесь). Аэродинамические трубы запускают только, чтобы убедиться, что в компьютерном моделировании нет никаких просчетов.

В аэродинамике больше понятий, чем одно только сопротивление воздуха – есть еще факторы подъемной и прижимной силы. Подъемная сила (или лифт) – это сила, работающая против веса объекта, поднимающая и удерживающая объект в воздухе. Прижимная сила противоположность лифта – это сила, которая прижимает объект к земле.

Тот, кто думает, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей Формулы 1, развивающих 320 км/ч, низкий, заблуждается. У типичного гоночного болида Формулы 1 коэффициент аэродинамического сопротивления около 0.70.

Причина завышенного коэффициента сопротивления воздуху гоночных болидов Формулы 1 в том, что эти машины спроектированы так, чтобы создавать как можно больше прижимной силы. С той скоростью, с которой болиды передвигаются, с их чрезвычайно легким весом, они начинают испытывать лифт на больших скоростях – физика заставляет их подниматься в воздух как самолет. Автомобили не созданы, 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. Поэтому, прижимная сила должна быть максимальной, чтобы удержать автомобиль на земле при высоких скоростях, а значит коэффициент аэродинамического сопротивления должен быть большим.

Высокой прижимной силы болиды Формулы 1 добиваются при помощи крыльев или спойлеров на передней и задней частях транспортного средства. Эти крылья направляют потоки воздуха так, что прижимают автомобиль к земле – та самая прижимная сила. Теперь можно спокойно увеличивать скорость и не терять ее на поворотах. При этом, прижимная сила должна быть тщательно сбалансирована с лифтом, чтобы автомобиль набирал нужную прямолинейную скорость.

Многие серийные автомобили имеют аэродинамические дополнения для создания прижимной силы. Суперкар Nissan GT-R пресса критиковала за внешность. Спорный дизайн. А все потому, что весь кузов GT-R спроектирован так, чтобы направить поток воздуха над автомобилем и обратно через овальный задний спойлер, создавая большую прижимную силу. О красоте машины никто не подумал.

Вне трассы Формулы 1, антикрылья часто встречаются на серийных автомобилях, например, на седанах компаний Toyota и Honda. Иногда эти элементы дизайна добавляют немного устойчивости на высоких скоростях. Например, на первом Audi TT изначально не было спойлера, но компании Audi пришлось его добавить, когда выяснилось, что округлые формы TT и легкий вес, создавали слишком много подъемной силы, что делало машину неустойчивой на скорости выше 150 км/ч.

Но если машина не Audi TT, не спортивный болид, не спорткар, а обычный семейный седан или хетчбек, установка спойлера не к чему. Управляемости на таком автомобиле спойлер не улучшит, так как у "семейника" итак высокая прижимная сила из-за высокого Cx, а скорости выше 180 на нем не выжмешь. Спойлер на обычном авто может стать причиной избыточной поворачиваемости или наоборот, нежелания входить в повороты. Однако если вам тоже кажется, что гигантский спойлер Honda Civic стоит на своем месте, не позволяйте никому переубедить вас в этом.