Об этом неприятно думать, но представьте, что произойдет, если вы въедете на своей машине в кирпичную стену на скорости 65 миль в час (104,6 километра в час). Металл скрутится и порвется. Стекло разбилось бы. Подушки безопасности разорвутся, чтобы защитить вас. Но даже со всеми достижениями в области безопасности, которые мы имеем в наших современных автомобилях, от этой аварии, вероятно, будет трудно уйти. Автомобиль просто не предназначен для преодоления кирпичной стены.
Но есть и другой тип «стены», через которую автомобили должны двигаться, и которая существовала уже давно — это стена воздуха, которая давит на транспортное средство на высоких скоростях.
Большинство из нас не думают о воздухе или ветре как о стене. На малых скоростях и в дни, когда на улице не очень ветрено, трудно заметить, как воздух взаимодействует с нашими автомобилями. Но на высоких скоростях и в исключительно ветреные дни сопротивление воздуха (силы, действующие на движущийся объект со стороны воздуха, также определяемые как сопротивление ) оказывает огромное влияние на ускорение автомобиля, его управляемость и расход топлива.
Здесь в игру вступает наука об аэродинамике. Аэродинамика — это изучение сил и результирующего движения объектов в воздухе [источник:НАСА]. В течение нескольких десятилетий автомобили разрабатывались с учетом аэродинамики, и автопроизводители придумали множество инноваций, которые упрощают преодоление этой «воздушной стены» и меньше влияют на повседневное вождение.
По сути, автомобиль, спроектированный с учетом воздушного потока, означает, что ему легче разгоняться и можно добиться более высоких показателей экономии топлива, поскольку двигателю не нужно работать так сильно, чтобы протолкнуть автомобиль сквозь воздушную стену.
Инженеры разработали несколько способов сделать это. Например, более округлые конструкции и формы на внешней стороне автомобиля предназначены для направления воздуха таким образом, чтобы он обтекал автомобиль с наименьшим возможным сопротивлением. Некоторые высокопроизводительные автомобили даже имеют детали, которые плавно перемещают воздух по днищу автомобиля. Многие также содержат спойлер -- также известный как заднее крыло - чтобы воздух не поднимал колеса автомобиля и не делал его неустойчивым на высоких скоростях. Хотя, как вы прочтете позже, большинство спойлеров, которые вы видите на автомобилях, служат скорее для украшения, чем для чего-либо еще.
В этой статье мы рассмотрим физику аэродинамики и сопротивления воздуха, историю того, как автомобили разрабатывались с учетом этих факторов, и то, как с тенденцией к «зеленым» автомобилям аэродинамика стала важнее, чем когда-либо.
Содержание
Прежде чем мы рассмотрим, как аэродинамика применяется к автомобилям, вот небольшой курс повышения квалификации по физике, чтобы вы могли понять основную идею.
Когда объект движется в атмосфере, он вытесняет окружающий его воздух. Объект также подвергается гравитации и сопротивлению. Перетащите возникает, когда твердый объект движется через текучую среду, такую как вода или воздух. Сопротивление увеличивается с ростом скорости:чем быстрее движется объект, тем сильнее его сопротивление.
Мы измеряем движение объекта, используя факторы, описанные в законах Ньютона. К ним относятся масса, скорость, вес, внешняя сила и ускорение.
Сопротивление напрямую влияет на ускорение. Ускорение (а) объекта равно его весу (W) минус сопротивление (D), деленному на его массу (m). Помните, что вес – это произведение массы объекта на силу тяжести, действующую на него. Ваш вес изменился бы на Луне из-за меньшей гравитации, но ваша масса осталась бы прежней. Проще говоря:
а =(Ш - Г) / м
(источник:НАСА)
Когда объект ускоряется, его скорость и сопротивление увеличиваются, в конечном итоге до точки, где сопротивление становится равным весу — в этом случае дальнейшее ускорение не может произойти. Допустим, наш объект в этом уравнении — автомобиль. Это означает, что по мере того, как автомобиль движется все быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха давит на него, ограничивая, насколько больше он может ускоряться, и ограничивая его определенной скоростью.
Как все это применимо к дизайну автомобиля? Что ж, это полезно для определения важного числа — коэффициента аэродинамического сопротивления. Это один из основных факторов, определяющих, насколько легко объект перемещается по воздуху. Коэффициент лобового сопротивления (Cd) равен лобовому сопротивлению (D), деленному на количество плотности (r), умноженное на половину квадрата скорости (V), умноженного на площадь (A). Чтобы сделать это более читабельным:
Cd =D / (A * 0,5 * r * V^2)
[источник:НАСА]
Так что реально, к какому коэффициенту лобового сопротивления стремится автомобильный дизайнер, если он создает автомобиль с аэродинамическими намерениями? Узнайте на следующей странице.
Мы только что узнали, что коэффициент аэродинамического сопротивления (Cd) — это цифра, которая измеряет силу сопротивления воздуха объекту, например автомобилю. Теперь представьте силу воздуха, давящего на машину, когда она движется по дороге. При скорости 70 миль в час (112,7 км/ч) на автомобиль действует в четыре раза больше силы, чем при скорости 35 миль в час (56,3 км/ч) [источник:Elliott-Sink].
Аэродинамические способности автомобиля измеряются с помощью коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля. По сути, чем ниже Cd, тем лучше аэродинамика автомобиля и тем легче он может двигаться сквозь стену воздуха, давящего на него.
Давайте посмотрим на несколько номеров Cd. Помните квадратные старые автомобили Volvo 1970-х и 80-х годов? Старый седан Volvo 960 имеет Cd 0,36. Новые Volvo гораздо более гладкие и пышные, а седан S80 достигает Cd 0,28 [источник:Elliott-Sink]. Это доказывает то, о чем вы, возможно, уже догадались:более гладкие, более обтекаемые формы более аэродинамичны, чем квадратные. Почему именно так?
Давайте посмотрим на самую аэродинамическую вещь в природе — на слезу. Слеза гладкая и круглая со всех сторон и сужается кверху. Воздух плавно обтекает его, когда он падает на землю. То же самое и с автомобилями — гладкие закругленные поверхности позволяют воздуху обтекать автомобиль потоком, уменьшая «толчок» воздуха на кузов.
Сегодня большинство автомобилей достигают Cd около 0,30. Внедорожники, которые, как правило, более квадратные, чем автомобили, потому что они больше, вмещают больше людей и часто нуждаются в больших решетках для охлаждения двигателя, имеют Cd где-то от 0,30 до 0,40 или больше. Пикапы — намеренно квадратные — обычно имеют около 0,40 [источник:Siuru].
Многие сомневаются в «уникальном» внешнем виде гибрида Toyota Prius, но на то есть причина, по которой он имеет чрезвычайно аэродинамическую форму. Среди других эффективных характеристик его Cd 0,26 помогает ему достигать очень большого пробега. Фактически, снижение Cd автомобиля всего на 0,01 может привести к увеличению экономии топлива на 0,2 мили на галлон (0,09 километра на литр) [источник:Siuru].
На следующей странице мы рассмотрим историю аэродинамического дизайна.
Хотя ученые уже давно более или менее осведомлены о том, что нужно для создания аэродинамических форм, потребовалось некоторое время, чтобы эти принципы были применены к автомобильному дизайну.
В первых автомобилях не было ничего аэродинамического. Взгляните на оригинальную модель Ford T — она больше похожа на конную повозку без лошадей — действительно очень квадратный дизайн. Многим из этих ранних автомобилей не нужно было беспокоиться об аэродинамике, потому что они были относительно медленными. Однако некоторые гоночные автомобили начала 1900-х годов в той или иной степени имели сужение и аэродинамические характеристики.
В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfenauto, что переводится как «автомобиль-слеза». Основанный на самой аэродинамической форме в природе, каплевидной форме, он имел Cd всего 0,27, но его уникальный внешний вид так и не завоевал популярность у публики. Всего было выпущено около 100 штук [источник:Price].
С американской стороны, один из самых больших скачков в аэродинамическом дизайне произошел в 1930-х годах с Chrysler Airflow. Вдохновленный полетом птиц, Airflow был одним из первых автомобилей, спроектированных с учетом аэродинамики. Несмотря на то, что в нем использовались некоторые уникальные технологии конструкции и распределение веса почти 50-50 (равное распределение веса между передней и задней осями для улучшения управляемости), уставшая от Великой депрессии публика так и не полюбила его нетрадиционный внешний вид, и автомобиль считалось провалом. Тем не менее его обтекаемый дизайн намного опередил свое время.
Когда наступили 1950-е и 60-е годы, некоторые из самых больших достижений в автомобильной аэродинамике были достигнуты благодаря гонкам. Первоначально инженеры экспериментировали с различными конструкциями, зная, что обтекаемые формы могут помочь их автомобилям двигаться быстрее и лучше управляться на высоких скоростях. В конечном итоге это превратилось в очень точную науку создания максимально аэродинамического гоночного автомобиля. Передний и задний спойлеры, лопатообразные носовые части и аэродинамические обвесы становились все более и более распространенными, чтобы поддерживать поток воздуха над крышей автомобиля и создавать необходимую прижимную силу на передних и задних колесах [источник:Formula 1 Network].
Что касается потребителей, такие компании, как Lotus, Citroën и Porsche, разработали несколько очень обтекаемых конструкций, но они в основном применялись к высокопроизводительным спортивным автомобилям, а не к повседневным автомобилям для обычного водителя. Это начало меняться в 1980-х годах с Audi 100, легковым седаном с неслыханным тогда Cd 0,30. Сегодня почти все автомобили так или иначе разрабатываются с учетом аэродинамики [источник:Эдгар].
Что помогло этому изменению произойти? Ответ:Аэродинамическая труба. На следующей странице мы рассмотрим, как аэродинамическая труба стала жизненно важной для автомобильного дизайна.
Чтобы измерить аэродинамическую эффективность автомобиля в режиме реального времени, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности — аэродинамическую трубу.
По сути, аэродинамическая труба представляет собой массивную трубу с вентиляторами, создающими поток воздуха над объектом внутри. Это может быть автомобиль, самолет или что-то еще, что инженерам необходимо измерить на сопротивление воздуха. Из комнаты за туннелем инженеры изучают, как воздух взаимодействует с объектом, как воздушные потоки обтекают различные поверхности.
Автомобиль или самолет внутри никогда не движется, но вентиляторы создают ветер с разной скоростью, чтобы имитировать реальные условия. Иногда настоящий автомобиль даже не используется — дизайнеры часто полагаются на модели своих автомобилей в точном масштабе для измерения сопротивления ветру. Поскольку ветер движется над автомобилем в туннеле, компьютеры используются для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления (Cd).
В аэродинамических трубах нет ничего нового. Они существуют с конца 1800-х годов для измерения воздушного потока во многих первых попытках использования самолетов. Даже у братьев Райт был такой. После Второй мировой войны инженеры гоночных автомобилей, стремящиеся получить преимущество над конкурентами, начали использовать их для оценки эффективности аэродинамического оборудования своих автомобилей. Позднее эта технология была использована в легковых и грузовых автомобилях.
Однако в последние годы большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов используются все реже и реже. Компьютерное моделирование начинает заменять аэродинамические трубы как лучший способ измерения аэродинамики автомобиля или самолета. Во многих случаях аэродинамические трубы в основном используются только для того, чтобы убедиться, что компьютерное моделирование является точным [источник:Day].
Многие считают, что добавление спойлера на заднюю часть автомобиля — отличный способ сделать его более аэродинамичным. В следующем разделе мы рассмотрим различные типы аэродинамических надстроек для транспортных средств, а также их роль в производительности и увеличении расхода топлива.
Аэродинамика — это нечто большее, чем просто сопротивление — есть и другие факторы, называемые подъемной и прижимной силой. Поднять сила, противодействующая весу предмета, поднимающая его в воздух и удерживающая там. Прижимная сила противоположна подъемной силе — силе, которая давит на объект в направлении земли [источник:НАСА].
Вы можете подумать, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночного автомобиля Формулы-1 будет очень низким — супераэродинамический автомобиль быстрее, верно? Не в этом дело. Типичный болид F1 имеет Cd около 0,70.
Почему этот тип гоночного автомобиля способен двигаться со скоростью более 200 миль в час (321,9 километра в час), но не такой аэродинамический, как вы могли догадаться? Это потому, что автомобили Формулы-1 созданы для создания максимально возможной прижимной силы. На скоростях, с которыми они движутся, и с их чрезвычайно легким весом, эти автомобили фактически начинают ощущать подъемную силу на некоторых скоростях — физика заставляет их взлетать, как самолеты. Очевидно, что автомобили не предназначены для полетов по воздуху, и если автомобиль окажется в воздухе, это может привести к катастрофе. По этой причине необходимо максимизировать прижимную силу, чтобы удерживать автомобиль на земле на высоких скоростях, а это означает, что требуется высокое значение Cd.
Автомобили Формулы-1 достигают этого с помощью крыльев или спойлеров, установленных на передней и задней части автомобиля. Эти крылья направляют поток в потоки воздуха, которые прижимают автомобиль к земле, более известные как прижимная сила. Это максимизирует скорость прохождения поворотов, но ее необходимо тщательно сбалансировать с подъемной силой, чтобы также обеспечить соответствующую скорость автомобиля по прямой [источник:Смит].
Многие серийные автомобили имеют аэродинамические надстройки для создания прижимной силы. В то время как суперкар Nissan GT-R подвергался некоторой критике в автомобильной прессе за его внешний вид, весь кузов спроектирован так, чтобы направлять воздух над автомобилем и обратно через задний спойлер овальной формы, создавая большую прижимную силу. Модель 599 GTB Fiorano от Ferrari оснащена контрфорсами средних стоек, предназначенными для направления воздуха назад, что помогает уменьшить сопротивление [источник:Classic Driver].
Но вы видите множество спойлеров и крыльев на повседневных автомобилях, таких как седаны Honda и Toyota. Действительно ли они улучшают аэродинамику автомобиля? В некоторых случаях это может добавить немного стабильности на высоких скоростях. Например, у оригинальной Audi TT не было спойлера на задней крышке багажника, но Audi добавила его после того, как было обнаружено, что его закругленный кузов создает слишком большую подъемную силу и, возможно, был фактором в нескольких авариях [источник:Эдгар]. /Р>
Однако в большинстве случаев установка большого спойлера на заднюю часть обычного автомобиля не сильно улучшит производительность, скорость или управляемость — если вообще улучшит. В некоторых случаях это может даже увеличить недостаточную поворачиваемость или нежелание поворачивать. Однако, если вы считаете, что гигантский спойлер отлично смотрится на багажнике вашего Honda Civic, не позволяйте никому говорить вам обратное.
Для получения дополнительной информации об автомобильной аэродинамике и других смежных темах перейдите на следующую страницу и перейдите по ссылкам.
Как работают автомобильные системы HVAC
Как работает кондиционер?
Как работает пневматическая дрель?
Как работает нагнетатель?
Как работают пневматические тормоза? Все, что вам нужно знать