Аеродинамиката е изследване, в рамките на механиката на течностите, на движението на въздух и други газове, и как те взаимодействат с телата в движение. Но в тази област, в тази на автомобила, интересното е да се говори за аеродинамично съпротивление. Аеродинамична устойчивост това е сила, противоположна на движението на който и да е обект (например автомобил), движещ се във въздуха. Днес ви предлагаме обяснение и лесна формула това ще ви помогне да разберете много по-добре как точно действа тази сила, толкова често споменавана и толкова рядко разбираема. Ако разберете това просто обяснение добре, след малко ще имате повече представа за аеродинамичното съпротивление от 99,9% от световното население. Обещано.
Какво е аеродинамика: видео обяснение
Какво е и какво причинява аеродинамично съпротивление?
Фокусиране върху конкретния случай на автомобил, пътуващ по път, аеродинамичното съпротивление се причинява от необходимостта да се премести големият обем въздух, през който преминаваме отпред и да се премести зад автомобила. Когато една кола се движи напред, има значителна разлика в налягането между предната част на автомобила, където ударихме въздуха, и задната част на автомобила, където се създава смукателен ефект, който е по-силен, колкото по-бързо отиваме.
Формулата за аеродинамично съпротивление: получаване на добро разбиране за това как работи
Нека никой не се страхува, когато вижда формулата, защото е много лесно и Състои се от 4 фактора, които се умножават, нищо повече. Всеки от тези фактори е много лесен за разбиране, както ще видим по-долу, и заедно те ще ни дадат основната автомобилна култура, за да можем да обсъждаме с всеки, който е напред, относно аеродинамиката или поне да не казваме жестокости, което не е малко .
Аеродинамична устойчивост (R) = ½ d S Cx v 2
* д = Плътност на въздуха
* С = Предна повърхност
* Cx = Коефициент на аеродинамично съпротивление
* v 2 = Скорост на квадрат (измерена по отношение на въздуха, а не на земята)
Като се има предвид, че плътността на въздуха (d, която се измерва в kg/m3) е повече или по-малко постоянна и не можем да я контролираме, просто трябва да разберем добре последните три члена на уравнението и ще бъдем истински пукнатини в аеродинамичното съпротивление.
Предна повърхност
Предна повърхност (S) е площта, заета от колата, гледана отпред и се измерва в m 2 . По този начин можем да разберем, че висок и широк автомобил с големи огледала и гуми ще предложи по-голямо съпротивление, отколкото нисък, тесен автомобил с малки огледала и тънки гуми. Двойна предната повърхност предполага двойно съпротивление (При равни други фактори) ето защо SUV консумира повече и работи по-малко от компактен, дори ако имат един и същ двигател, дори ако имат сходна форма и дори да могат да претеглят еднакво: SUV трябва да се движи повече въздух да премине от въздуха.
Предната повърхност е размерът на въздушния фронт, който ще трябва да се движи, за да премине колата. Колкото по-малко, толкова по-добре. Предната повърхност на автомобила обикновено е между 2 m 2 и 2,5 m 2 приблизително и в него трябва да вземете предвид всичко, което е изправено директно към въздуха: отпред, предното стъкло, огледалата, частта от гумите, която излиза изпод тялото. ако добавим багажник на покрива или кутия на покрива, ще увеличим предната повърхност (а също и нейния коефициент на аеродинамично съпротивление, който ще видим по-долу).
Интересна подробност е, че тази равнина с максимален разрез (равнината, с която бихме могли да отрежем най-големия „парче“ от колата) също е равнината, от която въздушният поток започва да се отделя от тялото и налягането намалява. Този самолет би бил границата между въздуха, който спира автомобила, "бутащ се отпред" и въздуха, който спира автомобила, "дърпайки се отзад".
Аеродинамичен коефициент на съпротивление Cx
Коефициентът Cx е безразмерен, няма единици и представлява съпротивлението на превозното средство срещу вятъра в сравнение със съпротивлението на теоретичен обект, способен да спре въздуха отпред (нещо като стена), чийто коефициент би бил = 1. A теоретичната стойност Cx = 0 би представлявала пълното отсъствие на съпротивление и между тези две крайности са всички автомобили (които нямат отворен парашут отзад).
Коефициентът на аеродинамично съпротивление Cxноси "x", защото има и Cy и Cz, което би било коефициентите на странично и вертикално аеродинамично съпротивление, но в този случай ще се интересуваме от коефициента по посока на оста X, която е посоката на движение на автомобила, неговата надлъжна ос.
Прилагане на идеята за коефициент на съпротивление към реални автомобили, формата "кутия", която е най-ефективна от гледна точка на вътрешното пространство, би била най-неефективната по отношение на аеродинамичното съпротивление.
Така че, дизайнерите трябва да постигнат компромис между двата фактора, доколко искат да се поберат в автомобил срещу. колко съпротива са готови да окажат. Ето защо микробусите и камионите са по-скоро като кутии (те дават приоритет на пространството, те не се движат много бързо), а спортните автомобили са много ниски и остри (те отдават приоритет на аеродинамиката, както и по-ниския център на тежестта), въпреки че не може много да побере вътре.
Любопитна подробност е това задната част на колата е по-важна от предната. Целта на формата на превозното средство е въздухът да се отдалечи отпред и да се пренареди отзад възможно най-бързо и плавно, в това, което се нарича „ламинарен поток“ на въздуха.
При ламинарен поток различни слоеве или „листове“ въздух около автомобила придобиват различна скорост, докато го заобикалят.. Слоевете, които са най-близо до повърхността на колата, са по-„влачени“ от колата, отколкото тези по-далеч, точно както в коритото на реката водата, която се стича по бреговете, се спуска по-бавно, отколкото в централния канал. Ако ламинарният поток се поддържа и въздухът се плъзга добре, автомобилът предлага малко съпротивление.
Ако подредбата на въздуха в листове е нарушена и тези слоеве се смесват, бихме преминали от ламинарен поток към "турбулентен поток" и вместо да царува ред, хаосът ще цари, обикновено в задната част на колата. Турбуленцията е най-лошият враг на правилната аеродинамика, затова автомобилите са стеснени и покривите са спуснати към края на автомобила, за да се улесни този подреден ламинарен поток и бързо да се запълни пространството, което колата оставя с въздух.
Това е причината размерът на височината на предните седалки винаги да е хлабав (приблизително съвпада в равнината на максималната челна повърхност и максималната височина), но на задните седалки не е трудно да докоснете покрива с глава, особено при спортните модели. Не защото децата пътуват отзад или нещо подобно, а защото на височината на задните седалки колата вече е направена възможно най-ниска, за да изпрати въздуха лесно към задната й част.
Скорост на квадрат: истинският ключ към всичко
Последният фактор във формулата е v 2, скоростта по отношение на въздуха на квадрат. Като се имат предвид формата и размерите на автомобила, аеродинамичното съпротивление се увеличава не със скоростта, а с квадрата на скоростта. Това е това, което се нарича експоненциално увеличение и в този случай означава това малките увеличения на скоростта водят до големи увеличения на съпротивлението.
Един от начините да разберем това е, че при двойно по-голяма скорост има два ефекта: въздухът удря два пъти по-силно отпред и също удря двойно повече маса за единица време. И двата ефекта се стекат, така че v 2 .
Това експоненциално увеличение обяснява защо колата ви консумира много повече шофиране със 120 км/ч, отколкото със 100 км/ч. Увеличението на скоростта е 20%, но аеродинамичното съпротивление се увеличава с 44% (и необходимата мощност 73%, както ще видим подробно по-долу). От определена скорост, всяко малко допълнително увеличение е много скъпо при съпротивление за преодоляване, при прилагане на мощност и следователно при потребление. Не бива да се забравя.
Връзката между аеродинамичното съпротивление, скоростта и мощността
Стигнахме до най-интересната част от всички за мен и тази, която ще ни накара да разберем най-много за колите и физиката, прилагани към автомобилите: връзката между аеродинамичното съпротивление и мощността, необходима за по-бързо и по-бързо движение. Тази връзка не е такава, каквато изглежда на пръв поглед, както ще видим по-долу.
Противно на това, което може да показва нашата интуиция, ние винаги сме склонни да виждаме „линеен“ свят, мощността, необходима за преодоляване на аеродинамичното съпротивление, е пропорционална на куба на скоростта (v 3). Причината е, че ако удвоим скоростта, съпротивлението се умножава x4 (предишен раздел) и тази сила на съпротивление се прилага за удвоеното разстояние за всяка единица време: 2x скорост означава 8x мощност!. Ако не сте разбрали тези разсъждения, няма значение, погледнете формулата:
Мощност = R v = ½ d S Cx v 3
Това е същата формула за аеродинамично съпротивление, умножено по скорост. Силовата единица на формулата ще бъде Ватове, ако се вземат единици от Международната система: плътност на въздуха в kg/m 3, челна повърхност в m 2 и скорост в m/s.
Ще дадем конкретен пример за мощността, необходима, за да доведе реална кола до определени скорости като се вземе предвид само аеродинамичното съпротивление. Пренебрегваме допълнителната мощност, необходима за преодоляване на съпротивлението при търкаляне, вътрешното триене на кинематичната верига, за подаване на енергия към която и да е друга система на автомобила и за охлаждане на самия двигател, а последното е много важно за двигателите с висока мощност изцяло изпълнение (1).
Пример: Porsche 911 (992) Carrera S (2019)
d = 1,225 kg/m3 (плътност на въздуха)
S = 2,07 m 2 (предна повърхност)
Cx = 0,29 (коефициент на аеродинамично съпротивление)
| 50 км/ч | 71 N (7 кг) | 1.4 к.с. |
| 100 км/ч | 284 N (29 кг) | 11 к.с. |
| 200 км/ч | 1135 N (115 кг) | 86 к.с. |
| 300 км/ч | 2,553 N (260 кг) | 290 к.с. |
| 400 км/ч | 4,539 N (463 кг) | 685 к.с. |
Правомощията, посочени в таблицата са необходими за придвижване само на въздуха необходимо за нашето Porsche 911 Carrera S да циркулира при всяка скорост. Само въздухът. Аеродинамичното съпротивление е много малко при ниски скорости, но когато претърпи експоненциално увеличение, бързо става много важно.
За да интерпретираме колоната с аеродинамично съпротивление, която е сила и се измерва в нютони, можем да направим „превод“ към по-позната единица, която ни позволява да я разберем по-добре. Като референция съпротивлението при 200 km/h (1135 N) тази сила е еквивалентна на теглото на предмет от 115 кг (2), това е силата, която би дръпнала колата назад. При 300 км/ч говорим за сила (2553 N) еквивалентно на теглото от 260 кг и при 400 км/ч (4,539 N) се равнява на теглото от 463 кг. добра спирачка.
Това кубично увеличение на мощността, необходима по отношение на скоростта, също обяснява защо последната предавка на скоростната кутия винаги ни се струва твърде къса, винаги създава усещането, че ако можете да поставите още една предавка, колата ще работи по-бързо. Това усещане е фалшиво и най-нормалното е, че колата не е могла да движи това допълнително развитие.
Обяснено е също така можем да достигнем 200 км/ч с кола от 120 к.с. и все пак за да достигнат 400 км/ч са необходими повече от 1000 к.с. (попитайте Bugatti), въпреки че скоростта само се удвоява.
Повдигнете сила и притискаща сила
Ефектът от въздуха върху автомобила е не само в противовес на аванса. Въздухът, който преминава под автомобила, прави това по права линия, през тесен канал ограничена между дъното на автомобила и асфалта, докато въздухът, който преминава над автомобила, се движи свободно и изминава много по-дълъг път. Тази асиметрия нагоре-надолу създава разлика в налягането: под колата има високо налягане, а над колата има по-малко налягане, генериране на a вдигам като този, използван от самолетите за летене.
Това означава, че колите са склонни да се вдигат от земята, колкото повече, толкова по-бързо карат. Този ефект, наречен от английския термин "асансьор", е много малък в сравнение с теглото на автомобила (затова автомобилите не летят), но може да повлияе на поведението на автомобила при висока скорост.
За да неутрализираме този ефект, можем да оборудваме автомобила с различни елементи, които въвеждат притискаща сила, отрицателна сила на повдигане, която тласка автомобила надолу, за да компенсира тенденцията му към покачване. Най-често срещаният и лесен за разбиране елемент би бил спойлер на гърба на колата, което в основата си е обърнато крило, което бута надолу при контакт с движещ се въздух.
Друг начин за намаляване на тази сила на повдигане е залепете колата възможно най-много на земята, така че циркулиращият отдолу въздушен лист е минимален. Това е много видимо при автомобили, които се състезават на пистата, където асфалтът е практически перфектен и може да бъде свален до краен предел, но това е и причината, поради която някои автомобили с активно окачване се понижават с няколко милиметра при висока скорост. Това намаляване на височината също допринася за намаляване на предната повърхност, като оставя по-малко повърхност на гумите, изложени на вятъра.
За намаляване на аеродинамичното съпротивление и намаляване на силата на повдигане, все повече автомобили носят обтекателния фон. На снимката, която оглавява този раздел, виждаме „плоския“ фон на Audi Quattro A2 от 1984 г., в черно и кремаво, чийто външен вид би ни накарал да мислим за внимателна аеродинамична работа, докато всъщност става въпрос за защитни плочи за чакъл, камъни и дори скали, които са се ударили от долната страна на автомобила във всяка секция, без ни най-малкото намерение да подобрят аеродинамиката.
В последната илюстрация виждаме плоското дъно на Audi e-tron синьо, при което аеродинамичната работа наистина е изчерпателна.
Притискащата сила може да надхвърли компенсаторната сила на повдигане, залепване на колата за земята, сякаш тежи много повече, но без да увеличава масата си, което значително благоприятства скоростта на завиване. При серийните автомобили е необичайно притискащата сила да надхвърля няколко десетки килограма, но Формула 1 например може да генерира много повече притискаща сила от собственото си тегло и затова се казва, че от определена скорост може да циркулира обърнат през покрива на тунел, без да пада.
Какво е аеродинамика: видео обяснение
Пояснения
(1) Bugatti Chiron, приблизително 1500 к.с., при работа с пълна мощност генерира повече от 3000 к.с. разсейване на топлината (топлинната ефективност на неговия двигател с пълна мощност е едва около 30%). По-голямата част от тази топлина излиза от изпускателната система, но все още има общо 10 радиатора и 49 литра охлаждаща течност (37 литра във високотемпературна верига и още 12 литра в нискотемпературна верига) течност, която трябва да изпомпва при главозамайваща скорост, така че двигателят да не се стопи. Самото това охлаждане изисква много мощност, за да работи.
(2) Килограмът е единица за маса, а не сила и е неправилно да се говори за тегло в кг. Теглото на даден обект се измерва в нютони (N), но на повърхността на земята еквивалентността между тегло и маса е толкова постоянна, че и двете понятия са склонни да се бъркат в разговорния език. Маса от 1 кг се привлича към земята със сила (тегло) приблизително 9,81 N, на морското равнище и това тегло неусетно варира с надморската височина.