Как измерить лобовое сопротивление автомобиля?

Это отличный вопрос, который объединяет многое из того, о чем мы говорили в других статьях HowStuffWorks. статьи о драг. И, оказывается, есть относительно простой способ узнать, какое сопротивление у вашего автомобиля.

В статье Как работают сила, мощность, крутящий момент и энергия вы узнали о втором законе Ньютона, который мы можем переформулировать как силу (F ) равно массе (m ), умноженное на ускорение (a ).

F =ma или a =F/m

F =ма или a =Ф/м

Это уравнение означает, что сила, приложенная к машине, заставит вашу машину ускоряться. Когда вы едете с постоянной скоростью, мощность, вырабатываемая двигателем, преобразуется в силу, действующую на шины. Сила сопротивления действует в противоположном направлении и равна силе, которую двигатель создает на колесах. Поскольку эти силы равны и противоположны друг другу, сеть сила, действующая на автомобиль, равна нулю, поэтому автомобиль сохраняет постоянную скорость. Если вы уберете силу, создаваемую двигателем (например, поставив автомобиль в нейтральное положение), то единственной силой, действующей на автомобиль, будет лобовое сопротивление. Поскольку на автомобиль действует результирующая сила, автомобиль начнет замедляться.

Если вы можете измерить массу автомобиля и ускорение, то вы можете определить и силу. Вы можете взвесить автомобиль на свалке, чтобы определить массу. И вы можете определить ускорение, измерив, сколько времени требуется автомобилю, чтобы замедлиться, когда вы ставите его на нейтраль.

Это поможет вам немного понять силы, воздействующие на автомобиль, прежде чем вы поставите эксперимент.

Сила, толкающая автомобиль по дороге, зависит от скорости движения автомобиля. Отсюда следует уравнение следующего вида:

сила дорожной нагрузки =a + bv + cv2

сила дорожной нагрузки =a + bv + cv ²

Буква в обозначает скорость автомобиля, а буквы a , б и с представляют три разные константы:

• а компонент не зависит от скорости. В основном это связано с сопротивлением качению шин и трением в компонентах автомобиля, например тормозными колодками или трением в подшипниках колес.
• b компонент также возникает из-за трения в компонентах и ​​сопротивления качению в шинах.
• c Компонент в основном зависит от факторов, влияющих на аэродинамическое сопротивление, таких как лобовая площадь, коэффициент сопротивления и плотность воздуха.

Важным моментом в этом уравнении является то, что сила, действующая на автомобиль, очень быстро увеличивается на высоких скоростях. Сила, действующая на автомобиль со скоростью 70 миль в час, намного выше, чем сила со скоростью 60 миль в час.

Это означает, что мы хотим измерить ускорение в очень узком диапазоне скоростей. Что-то вроде 3 миль в час или 5 км в час должно работать. Мы проведем этот расчет в метрических единицах, потому что с ними проще работать.

Допустим, ваш автомобиль имеет массу 2000 кг, включая вас и вашу мать, и вы собираетесь проверить ускорение между 100 км/ч и 95 км/ч (что дает среднюю скорость 97,5 км/ч или около 60 миль/ч, поэтому сделайте это на шоссе, где ограничение скорости достаточно велико). Вы должны выбрать ровный участок дороги с небольшим движением и сделать это в день, когда ветер спокойный и не идет дождь.

Попроси маму разогнать машину до 105 км/ч и приготовь секундомер. Скажи своей маме поставить машину на нейтралку, чтобы ты начал двигаться накатом. Когда машина замедлится до 100 км/ч, запустите таймер и остановите его, когда машина разгонится до 95 км/ч. Возможно, вы захотите сделать это несколько раз, возможно, двигаясь в другом направлении по одному и тому же участку автострады. Запишите все результаты и усредните их.

Допустим, среднее время составило 10 секунд. Теперь у вас есть вся информация, необходимая для расчета силы сопротивления. Вам просто нужно сделать несколько преобразований. Вам нужно ваше ускорение в метрах в секунду, в секунду (м/с ² ).

Ваша машина замедлилась со скоростью 5 км/ч, что составляет 5000 метров в час или 1,389 метра в секунду. На такое замедление ушло 10 секунд, поэтому скорость ускорения составила 0,1389 м/с ^2.

Вы просто подставляете массу и ускорение в уравнение F =ma найти силу. Здесь есть удобный конвертер единиц измерения.

Таким образом, сила на этой гипотетической машине при скорости 60 миль в час составляет примерно 60 фунтов. Это также означает, что для того, чтобы машина разгонялась до 60 миль в час, двигатель должен производить мощность, достаточную для создания 60-фунтовой силы на колесах.

Мы также можем выяснить, какая это мощность. Мощность равна силе, умноженной на скорость. Итак, все, что нам нужно сделать, это умножить силу в ньютонах на скорость в метрах в секунду, это даст нам мощность в ваттах.

Средняя скорость вашего тестового заезда составила 97,5 км/ч, что составляет 27 метров в секунду. Итак, ваша мощность равна 278 Н, умноженным на 27 м/с =7500 ватт или 7,5 киловатт, что равно 10 лошадиным силам.

>Дополнительная информация

Статьи по теме

• Как работает аэродинамика
• Как работают сила, мощность, крутящий момент и энергия
• Как работают автомобильные двигатели
• Как работают шины
• Как работают тормоза
• Как работает тестирование автомобилей
• Как работает драфт NASCAR
• Как работает аэродинамика серийных автомобилей
• Как аэродинамические трубы помогают водителям автомобилей?
• Как прижимная сила помогает гоночному автомобилю NASCAR?
• С какой скоростью следует двигаться, чтобы добиться максимальной топливной экономичности?