Jak działa aerodynamika

Nieprzyjemnie jest o tym myśleć, ale wyobraź sobie, co by się stało, gdybyś wjechał samochodem w mur z prędkością 65 mil na godzinę (104,6 km na godzinę). Metal skręcałby się i rozrywał. Szkło by pękło. Poduszki powietrzne wybuchłyby, by cię chronić. Ale nawet przy wszystkich postępach w zakresie bezpieczeństwa, jakie mamy w naszych nowoczesnych samochodach, prawdopodobnie byłby to trudny wypadek, aby się od niego oddalić. Samochód po prostu nie jest zaprojektowany do przejeżdżania przez ceglaną ścianę.

Istnieje jednak inny rodzaj „ściany”, przez którą samochody mają się poruszać, i było nią od dłuższego czasu – ściana powietrza, która napiera na pojazd z dużą prędkością.

Większość z nas nie myśli o powietrzu ani wietrze jak o ścianie. Przy niskich prędkościach oraz w dni, kiedy na zewnątrz nie jest bardzo wietrznie, trudno zauważyć, w jaki sposób powietrze oddziałuje na nasze pojazdy. Jednak przy dużych prędkościach iw wyjątkowo wietrzne dni opór powietrza (siły działające na poruszający się obiekt przez powietrze – określany również jako opór ) ma ogromny wpływ na to, jak samochód przyspiesza, prowadzi się i osiąga przebieg na paliwie.

Tutaj do gry wkracza nauka aerodynamiki. Aerodynamika to badanie sił i wynikającego z nich ruchu obiektów w powietrzu [źródło: NASA ]. Od kilkudziesięciu lat samochody są projektowane z myślą o aerodynamice, a producenci samochodów opracowali szereg innowacji, dzięki którym przebicie się przez tę „ścianę” powietrza jest łatwiejsze i ma mniejszy wpływ na codzienną jazdę.

Zasadniczo, posiadanie samochodu zaprojektowanego z myślą o przepływie powietrza oznacza, że ​​ma on mniejsze trudności z przyspieszaniem i może osiągnąć lepsze wartości zużycia paliwa, ponieważ silnik nie musi pracować tak ciężko, aby przepchnąć samochód przez ścianę powietrza.

Inżynierowie opracowali na to kilka sposobów. Na przykład bardziej zaokrąglone wzory i kształty na zewnątrz pojazdu są zaprojektowane tak, aby kierować powietrze w taki sposób, aby opływało samochód z możliwie najmniejszym oporem. Niektóre samochody o wysokich osiągach mają nawet części, które płynnie przenoszą powietrze pod spodem samochodu. Wiele z nich zawiera również spoiler – znany również jako tylne skrzydło – aby powstrzymać powietrze przed podnoszeniem kół samochodu i powodowaniem jego niestabilności przy dużych prędkościach. Chociaż, jak przeczytasz później, większość spoilerów, które widzisz na samochodach, jest po prostu ozdobą bardziej niż cokolwiek innego.

W tym artykule przyjrzymy się fizyce aerodynamiki i oporu powietrza, historii projektowania samochodów z uwzględnieniem tych czynników oraz trendowi w kierunku „zielonych” samochodów, dzięki czemu aerodynamika jest teraz ważniejsza niż kiedykolwiek.

1. Nauka aerodynamiki
2. Współczynnik Drag
3. Historia aerodynamicznego projektowania samochodów
4. Pomiar oporu za pomocą tuneli aerodynamicznych
5. Dodatki aerodynamiczne

Zanim przyjrzymy się, jak aerodynamika jest stosowana w samochodach, oto mały kurs przypominający o fizyce, dzięki któremu zrozumiesz podstawową ideę.

Gdy obiekt porusza się w atmosferze, wypiera otaczające go powietrze. Obiekt jest również poddawany grawitacji i przeciąganiu. Opór jest generowany, gdy ciało stałe porusza się w płynnym ośrodku, takim jak woda lub powietrze. Opór wzrasta wraz z prędkością — im szybciej porusza się obiekt, tym większy opór odczuwa.

Mierzymy ruch obiektu za pomocą czynników opisanych w prawach Newtona . Należą do nich masa, prędkość, ciężar, siła zewnętrzna i przyspieszenie.

Opór ma bezpośredni wpływ na przyspieszenie. Przyspieszenie (a) obiektu to jego masa (W) minus opór (D) podzielone przez jego masę (m). Pamiętaj, waga to masa obiektu razy siła grawitacji działająca na niego. Twoja waga zmieniłaby się na Księżycu z powodu mniejszej grawitacji, ale masa pozostaje taka sama. Mówiąc prościej:

a = (W - D) / m

(źródło: NASA )

Gdy obiekt przyspiesza, jego prędkość i opór wzrastają, ostatecznie do punktu, w którym opór staje się równy ciężarowi – w takim przypadku nie może wystąpić dalsze przyspieszenie. Powiedzmy, że naszym obiektem w tym równaniu jest samochód. Oznacza to, że w miarę jak samochód porusza się coraz szybciej, coraz więcej powietrza napiera na niego, ograniczając o ile bardziej może przyspieszyć i ograniczając go do określonej prędkości.

Jak to wszystko ma się do projektowania samochodów? Cóż, przydaje się do obliczenia ważnej liczby - współczynnika oporu. Jest to jeden z głównych czynników decydujących o tym, jak łatwo obiekt porusza się w powietrzu. Współczynnik oporu (Cd) jest równy opór (D), podzielony przez wielkość gęstości (r), razy połowę prędkości (V) do kwadratu razy powierzchnię (A). Aby było to bardziej czytelne:

Cd = D / (A * 0,5 * r * V^2)

[źródło: NASA ]

A więc realistycznie, jaki współczynnik oporu zamierza osiągnąć projektant samochodu, jeśli tworzy samochód z założeniami aerodynamicznymi? Dowiedz się na następnej stronie.

Właśnie dowiedzieliśmy się, że współczynnik oporu powietrza (Cd) to liczba, która mierzy siłę oporu powietrza na przedmiot, taki jak samochód. Teraz wyobraź sobie siłę powietrza napierającą na samochód, gdy porusza się on po drodze. Przy 70 milach na godzinę (112,7 kilometrów na godzinę) na samochód działa czterokrotnie większa siła niż przy 35 milach na godzinę (56,3 kilometrów na godzinę) [źródło: Elliott-Sink ].

Właściwości aerodynamiczne samochodu mierzy się za pomocą współczynnika oporu pojazdu. Zasadniczo im niższy Cd, tym bardziej aerodynamiczny samochód i tym łatwiej może poruszać się przez ścianę powietrza napierającego na niego.

Spójrzmy na kilka liczb CD. Pamiętasz kanciaste stare samochody Volvo z lat 70. i 80.? Stary sedan Volvo 960 osiąga Cd 0,36. Nowsze Volvo są znacznie bardziej smukłe i zaokrąglone, a sedan S80 osiąga Cd 0,28 [źródło: Elliott-Sink ]. To dowodzi czegoś, co być może już się domyślało – gładsze, bardziej opływowe kształty są bardziej aerodynamiczne niż pudełkowe. Dlaczego tak jest dokładnie?

Spójrzmy na najbardziej aerodynamiczną rzecz w naturze - łzę. Łezka jest gładka i okrągła ze wszystkich stron i zwęża się u góry. Powietrze opływa go gładko, gdy spada na ziemię. Tak samo jest z samochodami – gładkie, zaokrąglone powierzchnie umożliwiają przepływ powietrza w strumieniu nad pojazdem, zmniejszając „nacisk” powietrza na nadwozie.

Obecnie większość samochodów osiąga Cd około 0,30. SUV-y, które zwykle są bardziej pudełkowe niż samochody, ponieważ są większe, mieszczą więcej osób i często potrzebują większych kratek, aby schłodzić silnik, mają Cd od 0,30 do 0,40 lub więcej. Pickupy – celowo pudełkowa konstrukcja – zwykle osiągają około 0,40 [źródło: Siuru ].

Wielu kwestionowało „unikalny” wygląd hybrydowej Toyoty Prius, ale nie bez powodu ma ona niezwykle aerodynamiczny kształt. Wśród innych wydajnych cech, jego Cd 0,26 pomaga osiągnąć bardzo wysokie przebiegi. W rzeczywistości zmniejszenie Cd samochodu o zaledwie 0,01 może spowodować wzrost zużycia paliwa o 0,2 mili na galon (0,09 km na litr) [źródło: Siuru ].

Na następnej stronie przyjrzymy się historii projektowania aerodynamicznego.

Chociaż naukowcy od dawna mniej więcej zdawali sobie sprawę z tego, co jest potrzebne do tworzenia aerodynamicznych kształtów, zajęło trochę czasu, zanim te zasady zostały zastosowane w projektowaniu samochodów.

W pierwszych samochodach nie było nic aerodynamicznego. Przyjrzyj się nowatorskiemu modelowi T Forda -- wygląda bardziej jak powóz konny bez koni -- rzeczywiście bardzo pudełkowaty projekt. Wiele z tych wczesnych samochodów nie musiało martwić się aerodynamiką, ponieważ były stosunkowo wolne. Jednak niektóre samochody wyścigowe z początku XX wieku zawierały w pewnym stopniu cechy zwężające się i aerodynamiczne.

W 1921 r. niemiecki wynalazca Edmund Rumpler stworzył Rumpler-Tropfenauto, co oznacza „samochód do łez”. Oparty na najbardziej aerodynamicznym kształcie w naturze, łzie, miał Cd zaledwie 0,27, ale jego unikalny wygląd nigdy nie przyciągnął publiczności. Wykonano tylko około 100 [źródło: Cena ].

Po stronie amerykańskiej, jeden z największych postępów w dziedzinie aerodynamiki nastąpił w latach 30. wraz z Chrysler Airflow. Zainspirowany ptakami w locie Airflow był jednym z pierwszych samochodów zaprojektowanych z myślą o aerodynamice. Chociaż zastosowano w nim kilka unikalnych technik konstrukcyjnych i miał prawie 50-50 rozkład masy (równy rozkład masy między przednią i tylną osią dla lepszego prowadzenia), zmęczona publiczność w Wielkim Kryzysie nigdy nie zakochała się w jego niekonwencjonalnym wyglądzie, a samochód został uznany za flopa. Mimo to jego opływowa konstrukcja znacznie wyprzedzała swoje czasy.

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych niektóre z największych osiągnięć aerodynamiki samochodów pochodziły z wyścigów. Początkowo inżynierowie eksperymentowali z różnymi projektami, wiedząc, że opływowe kształty mogą pomóc ich samochodom jechać szybciej i lepiej radzić sobie przy dużych prędkościach. To ostatecznie przekształciło się w bardzo precyzyjną naukę tworzenia możliwie najbardziej aerodynamicznego samochodu wyścigowego. Spojlery przednie i tylne, nosy w kształcie łopaty i zestawy aerodynamiczne stały się coraz bardziej powszechne, aby utrzymać przepływ powietrza nad dachem samochodu i wytworzyć niezbędną siłę docisku na przednie i tylne koła [źródło: Formula 1 Network ].

Po stronie konsumenckiej firmy takie jak Lotus, Citroën i Porsche opracowały bardzo uproszczone projekty, ale były one stosowane głównie w samochodach sportowych o wysokich osiągach, a nie w pojazdach codziennego użytku dla zwykłego kierowcy. Zaczęło się to zmieniać w latach 80. wraz z Audi 100, osobowym sedanem z niespotykanym wówczas CD wynoszącym 0,30. Obecnie prawie wszystkie samochody projektuje się w jakiś sposób z myślą o aerodynamice [źródło: Edgar ].

Co pomogło w zaistnieniu tej zmiany? Odpowiedź: tunel aerodynamiczny. Na następnej stronie przyjrzymy się, w jaki sposób tunel aerodynamiczny stał się niezbędny w projektowaniu samochodów.

­

Aby zmierzyć efektywność aerodynamiczną samochodu w czasie rzeczywistym, inżynierowie pożyczyli narzędzie z przemysłu lotniczego – tunel aerodynamiczny.

Zasadniczo tunel aerodynamiczny to masywna rura z wentylatorami, które wytwarzają przepływ powietrza nad obiektem wewnątrz. Może to być samochód, samolot lub cokolwiek innego, co inżynierowie muszą zmierzyć pod kątem oporu powietrza. Z pomieszczenia za tunelem inżynierowie badają sposób, w jaki powietrze wchodzi w interakcję z obiektem, sposób, w jaki prądy powietrza przepływają przez różne powierzchnie.

Samochód lub samolot w środku nigdy się nie porusza, ale wentylatory wytwarzają wiatr z różnymi prędkościami, symulując rzeczywiste warunki. Czasami prawdziwy samochód nie będzie nawet używany – projektanci często polegają na dokładnych modelach swoich pojazdów, aby zmierzyć opór wiatru. Gdy wiatr porusza się nad samochodem w tunelu, do obliczenia współczynnika oporu powietrza (Cd) wykorzystywane są komputery.

Tunele aerodynamiczne to naprawdę nic nowego. Są one dostępne od końca XIX wieku, aby mierzyć przepływ powietrza podczas wielu wczesnych prób samolotów. Nawet bracia Wright mieli jeden. Po II wojnie światowej inżynierowie wyścigowi szukający przewagi nad konkurencją zaczęli używać ich do oceny skuteczności wyposażenia aerodynamicznego swoich samochodów. Technologia ta trafiła później do samochodów osobowych i ciężarowych.

Jednak w ostatnich latach duże, warte wiele milionów dolarów tunele aerodynamiczne są coraz rzadziej wykorzystywane. Symulacje komputerowe zaczynają zastępować tunele aerodynamiczne jako najlepszy sposób pomiaru aerodynamiki samochodu lub samolotu. W wielu przypadkach tunele aerodynamiczne są zazwyczaj używane tylko po to, aby upewnić się, że symulacje komputerowe są dokładne [źródło: Day ].

Wielu uważa, że ​​dodanie spoilera z tyłu samochodu to świetny sposób na zwiększenie jego aerodynamiki. W następnej sekcji przyjrzymy się różnym rodzajom dodatków aerodynamicznych do pojazdów i zbadamy ich rolę w osiąganiu i zapewnianiu lepszych przebiegów paliwowych.

­­

Aerodynamika to coś więcej niż tylko opór — są też inne czynniki zwane siłą nośną i dociskiem. Podnoszenie to siła, która przeciwstawia się ciężarowi przedmiotu i podnosi go w powietrze i utrzymuje tam. Siła docisku jest przeciwieństwem siły nośnej – siły, która naciska obiekt w kierunku ziemi [źródło: NASA ].

Możesz pomyśleć, że współczynnik oporu powietrza w samochodzie wyścigowym Formuły 1 byłby bardzo niski – superaerodynamiczny samochód jest szybszy, prawda? Nie w tym przypadku. Typowy samochód F1 ma Cd około 0,70.

Dlaczego ten typ samochodu wyścigowego jest w stanie jechać z prędkością ponad 200 mil na godzinę (321,9 kilometrów na godzinę), ale nie tak aerodynamiczny, jak można by się domyślić? To dlatego, że bolidy Formuły 1 są zbudowane tak, aby generować jak największą siłę docisku. Przy prędkościach, z jakimi się poruszają, i ich niezwykle małej wadze , te samochody faktycznie zaczynają odczuwać unoszenie się przy pewnych prędkościach – fizyka zmusza je do startu jak samolot. Oczywiście samochody nie są przeznaczone do latania w powietrzu, a jeśli samochód wzbije się w powietrze, może to oznaczać druzgocący wypadek. Z tego powodu siła docisku musi być zmaksymalizowana, aby utrzymać samochód na ziemi przy dużych prędkościach, a to oznacza, że ​​wymagany jest wysoki współczynnik Cd.

Samochody Formuły 1 osiągają to dzięki zastosowaniu błotników lub spojlerów montowanych z przodu i z tyłu pojazdu. Te skrzydła kierują przepływ w prądy powietrza, które dociskają samochód do ziemi – lepiej znane jako siła docisku. Maksymalizuje to prędkość pokonywania zakrętów, ale musi być starannie wyważona za pomocą siły nośnej, aby również umożliwić samochodowi odpowiednią prędkość na linii prostej [źródło: Smith ].

Wiele samochodów seryjnych zawiera aerodynamiczne dodatki do generowania docisku. Podczas gdy supersamochód Nissan GT-R był nieco krytykowany w prasie motoryzacyjnej za jego wygląd, całe nadwozie jest zaprojektowane tak, aby kierować powietrze na samochód iz powrotem przez owalny tylny spojler, generując dużą siłę docisku. Ferrari 599 GTB Fiorano ma latające słupki B zaprojektowane tak, aby kierować powietrze również do tyłu - pomagają one zmniejszyć opór [źródło: Classic Driver ].

Ale w codziennych samochodach, takich jak sedany Hondy i Toyoty, można zobaczyć mnóstwo spojlerów i skrzydeł. Czy to naprawdę poprawia aerodynamikę samochodu? W niektórych przypadkach może to dodać trochę stabilności przy dużych prędkościach. Na przykład oryginalne Audi TT nie miało spojlera na tylnej pokrywie pokładu, ale Audi dodało jeden po tym, jak jego zaokrąglone nadwozie okazało się powodować zbyt duże unoszenie i mogło być przyczyną kilku wraków [źródło: Edgar ].

Jednak w większości przypadków przykręcenie dużego spojlera z tyłu zwykłego samochodu nie poprawi osiągów, prędkości ani prowadzenia – jeśli w ogóle. W niektórych przypadkach może to nawet powodować większą podsterowność lub niechęć do pokonywania zakrętów. Jeśli jednak uważasz, że ten gigantyczny spoiler świetnie wygląda na bagażniku Twojej Hondy Civic, nie pozwól nikomu powiedzieć inaczej.

Aby uzyskać więcej informacji na temat aerodynamiki samochodowej i innych powiązanych tematów, przejdź na następną stronę i skorzystaj z linków.

Powiązane artykuły

Więcej świetnych linków