Jak działa aerodynamika samochodów seryjnych

Dzisiejsza flota samochodów jest ogromnym ulepszeniem w stosunku do ozdobnych płetw ogonowych i skrzynkowych konstrukcji z przeszłości. Nowoczesne, zaokrąglone kształty minimalizują siłę, jaką powietrze wywiera na ruch samochodu, dzięki czemu samochód jest zgrabniejszy i szybszy. Ponieważ prędkość jest oczywiście głównym czynnikiem w wyścigach NASCAR, aerodynamika jest kluczowym elementem w projektowaniu samochodów seryjnych.

Aerodynamika to nauka o tym, jak porusza się powietrze, a zwłaszcza jak wchodzi w interakcję ze stałymi, poruszającymi się obiektami. Tak jak motorówka opuszcza ostrą linię śladu płynącego za nią na wodzie, samochód tworzy aerodynamiczny efekt, przecinając powietrze.

Projektanci motoryzacyjni i zespoły NASCAR polegają na zasadach aerodynamiki, aby poprawić moc i prowadzenie pojazdów przy dużych prędkościach. Z biegiem lat samochody osobowe stały się bardziej zgrabne, ponieważ producenci odkryli, w jaki sposób usprawnienie może zwiększyć efektywność paliwową, umożliwiając jazdę samochodem z tą samą prędkością przy mniejszej mocy. Te konstrukcje zmniejszają opór powietrza, czyli opór aerodynamiczny.

W świecie wyścigów samochodowych ważniejsze może być zwiększenie siły skierowanej w dół, jaką powietrze wywiera na koła samochodu. Ta siła docisku jest kluczem do utrzymania przyczepności w ciasnych i ciągłych zakrętach wyścigu na krótkim torze.

Odkrycie tajemniczych sił docisku w ostatnich dziesięcioleciach wprawiło świat wyścigów samochodowych w szał testów w tunelu aerodynamicznym i subtelnych modyfikacji karoserii fabrycznych. Zmieniło kulturę i praktykę wyścigów samochodowych w sposób, który niektórzy fani uważają za irytujący. NASCAR musiał wkroczyć i starannie uregulować właściwości aerodynamiczne każdego pojazdu biorącego udział w zawodach, aby zachować równe szanse.

Nawet zwykli fani są stale narażeni na terminologię aerodynamiki samochodowej. W tym artykule wyjaśnimy żargon NASCAR, zaczynając od zjawiska aero push .

1. Samochód zapasowy Aero Push
2. Siła docisku samochodu fabrycznego
3. Podnośnik samochodowy
4. Zapasowy samochód Drag

Pędzący samochód seryjny przecina powietrze podczas podróży. Powietrze kołysze się nad dachem samochodu i jest odbijane przez spojler przymocowany do tylnego pokładu. Jeśli inny samochód podąża za nim, przodem do tyłu, stale wlatuje w przestrzeń powietrzną, na którą ma wpływ samochód jadący z przodu.

Pojazd ciągnący, jeśli zjedzie z tyłu w pewnej odległości, może wykorzystać siłę aerodynamiczną samochodu prowadzącego. Powietrze zachowuje się tak, jakby dwa samochody były jednym. Powietrze przemieszczające się za samochodem prowadzącym tworzy częściowe podciśnienie, które zasysa jadący z przodu samochód przy zwiększonej prędkości lub przy tej samej prędkości przy mniejszym wysiłku silnika i mniejszym zużyciu paliwa. Nazywa się to redagowaniem . Oba samochody mogą jechać szybciej niż którykolwiek z nich może jechać sam [źródło: Turner ].

Draft może być bardzo potężną techniką wyścigową, ale wiąże się z poważną odpowiedzialnością. Ciągnący samochód cierpi na zmniejszenie siły docisku na przednich oponach, co skutkuje utratą stabilności i prowadzenia w zakrętach. Jest to aero push , zwany również stanem „ciasnym”, wymagającym od kierowcy wleczenia zwolnienia pedału gazu w celu odzyskania przyczepności [źródło: ESPN ].

Aero push zmusza kierowców do dokonywania dokładnych obliczeń. Z jednej strony wielu kierowców może pozostać konkurencyjnymi w zaciętym wyścigu, wsiadając do pojazdu prowadzącego, wykorzystując zwiększoną siłę i zmniejszone obciążenie silnika. Efekty są szczególnie korzystne na prostych. Jednak na zakrętach pojawiają się niebezpieczeństwa związane ze zmniejszoną zwrotnością i większym prawdopodobieństwem utraty kontroli.

Aero push stał się niemal dominującą cechą wyścigów NASCAR. Fani narzekają, że wyścigi straciły na atrakcyjności, ponieważ zawodnicy pozostają w stałych pozycjach przez długie odcinki. Kierowcy mniej rzucają sobie wyzwania, jeżdżąc w ciasnych rzędach, a nie obok siebie. Zaletą jest to, że w pobliżu lidera sfory może pozostać większa liczba pojazdów.

Aero push – i cała wyścigowa aerodynamika – dotyczy siły docisku.

Powietrze na antenie

W relacji NASCAR ESPN sztuczka efektów specjalnych o nazwie Draft Track pokazuje widzom, jak działa aero push w czasie rzeczywistym, przedstawiając prądy powietrza za pomocą animowanych zielonych zaciągnięć na ekranie [źródło: Hiestand ].

Siła docisku to siła skierowana w dół wytwarzana przez ciśnienie powietrza, które wytwarza silniejszy nacisk między oponą a nawierzchnią drogi. Zasada ta jest taka sama, jak ta, która unosi samoloty, ale na odwrót.

Siła aerodynamiczna wynika z różnic ciśnienia po bokach poruszającego się obiektu. Najczęstsze metody zwiększania docisku pojazdu polegają na zmniejszeniu ciśnienia powietrza pod pojazdem.

W większości przypadków każdy wzrost siły docisku spowoduje również towarzyszący temu wzrost oporu aerodynamicznego. Dla demona prędkości większy opór oznacza niższe prędkości na prostej, ale większa siła docisku oznacza lepsze prowadzenie na zakrętach, ponieważ opony pewniej trzymają się toru.

Inżynierowie motoryzacyjni i ekipy serwisowe starają się utrzymać równowagę obu sił. Na torze takim jak Daytona, z jego długimi prostymi i pochyłymi, ostrymi zakrętami, projekty mają tendencję do ograniczania oporu do minimum. W przypadku wyścigów na krótkich torach strategia jest odwrócona – ponieważ kierowca spędza więcej czasu na pokonywaniu zakrętów, nacisk na siłę docisku prowadzi do większej ogólnej prędkości, a także do większego bezpieczeństwa [źródło: Tierney ].

Uzyskanie większej siły docisku poprzez manipulowanie karoserią samochodów wyścigowych to obsesyjne zadanie w branży samochodów seryjnych. Być może najlepiej zacząć od przodu pojazdu. Prawidłowo wygięty nosek, umieszczony nisko nad ziemią, kieruje większość powietrza w górę nad dach samochodu. Celem jest stworzenie obszaru niskiego ciśnienia lub częściowej próżni pod nosem [źródło: Circle 304].

Nadkola to kolejny obszar do ukształtowania. Rozszerzony otwór nadkola z przodu opony wymusi napływ powietrza z boków i spodu samochodu, jeszcze bardziej obniżając ciśnienie powietrza [źródło: Boone, „Race Car Aerodynamics” ].

Przy całej sprawności technologicznej poświęconej budowaniu siły docisku za przednimi kołami seryjnego samochodu, bardzo ważne jest rozważenie równowagi. Tył samochodu musi mieć swój udział siły docisku, aby mógł się prawidłowo obsługiwać.

Studiowanie siły docisku oznacza zwracanie uwagi na jego przeciwną siłę, siłę nośną.

Boczne spódnice Pasek boczny

Listwy progowe – długie poziome elementy biegnące nisko wzdłuż boku pojazdu – zostały opracowane w wyścigach samochodowych w celu zmniejszenia ciśnienia powietrza pod spodem i zwiększenia siły docisku. Ale ta zewnętrzna cecha może zostać strącona z pojazdu, powodując nagłą utratę docisku i wysokie prawdopodobieństwo wypadku [Źródło: Cislunar Aerospace ]. Wiele władz wyścigowych zakazało bocznych osłon, ale pozostają one krzykliwym elementem niektórych samochodów osobowych [Źródło: BMW ].

Skrzydła ptaka lub samolotu są najbardziej oczywistymi producentami windy . Ale podnoszenie niekoniecznie oznacza siłę skierowaną w górę przeciw grawitacji. W rzeczywistości siła docisku jest formą unoszenia – ujemnego uniesienia.

Podnoszenie to siła aerodynamiczna prostopadła do kierunku ruchu ciała. Odwrotnie, opór jest siłą oporową równoległą do poruszającego się obiektu, ale przeciwnie do niego. Winda – potocznie nazywana siłą skierowaną ku niebu – jest zwykle obecna w takim czy innym stopniu w poruszającym się obiekcie. Ponieważ siła docisku i siły docisku są siłami przeciwstawnymi, część wysiłku, aby zbudować samochód seryjny z silnym dociskiem, polega na pokonaniu siły nośnej.

Celem inżynieryjnym jest ograniczenie ilości powietrza przepływającego pod podwoziem, aby zapewnić bliższe przyciąganie opon do podłoża i zapewnić łatwą ucieczkę dla powietrza, które się pod podwoziem.

Samochody fabryczne są charakterystycznie zaprojektowane z nachyleniem - co oznacza, że ​​tył samochodu jest wyżej od podłoża niż przód podwozia. Utrzymuje ciśnienie pod samochodem, zapobiegając podnoszeniu.

Efekt ten dają spojlery, przednie tamy powietrzne i skrzydła. Pod przednim zderzakiem zamontowana jest zapora powietrzna , która blokuje przepływ powietrza pod nadwoziem. Wypustki skrzydeł, używane w samochodach Formuły 1 i Indy, są odwrócone do góry nogami, aby zapewnić siłę docisku zamiast unoszenia.

Mimo tych urządzeń samochody wyścigowe czasami unoszą się w powietrzu. Niebezpieczeństwo jest szczególnie obecne, gdy samochód się kręci, co radykalnie zmienia siły aerodynamiczne w grze. Podczas wirowania z dużą prędkością powietrze może poruszać się wystarczająco szybko nad dachem i maską, aby wytworzyć potężną siłę nośną.

W przypadku takich sytuacji awaryjnych w pojazdach NASCAR zainstalowano kilka innowacji w zakresie bezpieczeństwa, takich jak zagłębione okno po prawej stronie. Samochody seryjne krążące po owalnych torach po lewej stronie z większym prawdopodobieństwem pokażą prawą twarz podczas kręcenia. Ostra krawędź do prawego okna odchyla powietrze, zamiast pozwolić mu swobodnie przepływać po dachu. Klapy wpuszczone w dach samochodu, kolejna funkcja bezpieczeństwa, zaczynają się podnosić, gdy ciśnienie powietrza nagle spada nad samochodem, blokując przepływ powietrza [Źródło: Leslie-Pelecky ].

­

Szybka nauka

Jeśli interesuje Cię aerodynamika, poszukaj dalszych informacji w Internecie lub w lokalnej bibliotece. Książka z 2008 roku zatytułowana „The Physics of NASCAR: How to Make Steel + Gas + Rubber = Speed”, autorstwa Diandry Leslie-Pelecky, wyjaśnia aerodynamikę i inne zasady naukowe w wyścigach samochodowych.

Opór aerodynamiczny to siła powietrza na całej długości samochodu jadącego, przeciwstawiająca się sile samochodu . Gdy samochód przecina ścieżkę w powietrzu, niektóre cząsteczki powietrza zderzają się z przednim zderzakiem, wytwarzając opór.

Inne cząsteczki przepływają wzdłuż maski tylko po to, by natrafić na przednią szybę – kolejne źródło oporu. Powietrze, które płynnie przesuwa się po dachu, staje się turbulentne nad tylną szybą i za samochodem, wywierając na pojazd siłę wsteczną.

Prędkość, gęstość powietrza oraz rozmiar, kształt i konstrukcja samochodu determinują wielkość siły oporu samochodu.

„Szybszy samochód doświadcza większego oporu, ponieważ musi szybciej wypychać cząsteczki powietrza z drogi”, wyjaśnia Diandra Leslie-Pelecky w swojej książce „The Physics of NASCAR”. „Gęste powietrze zwiększa opór, ponieważ więcej cząsteczek powietrza uderza w każdy obszar samochodu. Większy przekrój poprzeczny zwiększa opór, ponieważ więcej cząsteczek powietrza musi zostać usuniętych z drogi” [źródło: Leslie-Pelecky ].

Drag jest główną przeszkodą w przyspieszaniu i prędkości wyścigowej. Samochód osobowy poruszający się po autostradzie zużywa około 60 procent swojej energii na pokonywanie oporu powietrza, znacznie więcej niż tarcie opon i zapotrzebowanie na energię samego układu napędowego [źródło: Beauchamp ].

Pokonanie oporu było pierwszym głównym celem aerodynamiki samochodowej, począwszy od lat 60. XX wieku. Jest to nadal najważniejsza zmienna w warunkach wyścigowych, w których docisk jest mniejszy, na przykład na dłuższych torach z większą liczbą prostych.

Eleganckie linie, pochylone przednie szyby i zaokrąglone narożniki nowoczesnych samochodów wyścigowych – a także samochodów osobowych – są zaprojektowane tak, aby zminimalizować opór. Ale dążenie do skonstruowania samochodów wyścigowych z dużą siłą docisku czasami prowadzi do dodatkowego oporu. Tylny spojler występujący w pojazdach NASCAR jest tego przykładem: zwiększa opór poprzez rozłożenie ciężaru z przodu na tył samochodu [źródło: Circle Track ]. Aerodynamika pozostaje tętniącą życiem i młodą dziedziną inżynierii, z wieloma innowacjami, które wciąż czekają na rozwój.

Aby być na bieżąco z najnowszymi innowacjami w aerodynamice, odwiedź linki na następnej stronie.

Aerodynamika i oszczędność paliwa

Zwykli kierowcy nie muszą martwić się o siłę docisku swoich pojazdów, ale samochody osobowe mogą zmniejszyć opór poprzez obniżenie podwozia, dodanie tamy powietrza, nadkola i owiewek maski [źródło: Beauchamp ].

Powiązane artykuły

Źródła

­