Jak działa aerodynamika

Pojazdy o konstrukcji aerodynamicznej są bardziej stabilne przy wyższych prędkościach. Zobacz więcej zdjęć samochodów sportowych. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

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

Ale jest jeszcze jeden rodzaj „ściany”, przez którą samochody są zaprojektowane, i która była przez długi czas - ściana powietrza, która naciska na pojazd z dużą prędkością..

Większość z nas nie myśli o powietrzu ani o wietrze jako o ścianie. Przy niskich prędkościach oraz w dni, kiedy na zewnątrz nie jest bardzo wietrznie, trudno zauważyć, jak powietrze oddziałuje z naszymi pojazdami. Ale przy dużych prędkościach i wyjątkowo wietrznych dniach, opór powietrza (siły działające na poruszający się obiekt przez powietrze - określane również jako opór) ma ogromny wpływ na sposób, w jaki samochód przyspiesza, obsługuje i osiąga przebieg paliwa.

Tutaj do gry wkracza nauka aerodynamiki. Aerodynamika to badanie sił i wynikającego z nich ruchu obiektów w powietrzu [źródło: NASA]. Od kilkudziesięciu lat samochody projektowane są z myślą o aerodynamice, a producenci samochodów wymyślili szereg innowacji, które ułatwiają przecinanie tej „ściany” powietrza i zmniejszają wpływ na codzienną jazdę..

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

Inżynierowie opracowali na to kilka sposobów. Na przykład bardziej zaokrąglone projekty i kształty na zewnątrz pojazdu są zaprojektowane tak, aby kierować powietrze w taki sposób, aby opływało ono samochód z najmniejszym możliwym oporem. Niektóre samochody o wysokich osiągach mają nawet części, które płynnie przemieszczają powietrze po spodniej części samochodu. Wiele zawiera również plik spojler -- znany również jako tylne skrzydło -- aby powietrze nie unosiło kół samochodu i powodowało niestabilność przy dużych prędkościach. Chociaż, jak przeczytasz później, większość spojlerów, które widzisz na samochodach, służy po prostu do dekoracji bardziej niż cokolwiek innego.

W tym artykule przyjrzymy się fizyce aerodynamiki i oporu powietrza, historii projektowania samochodów z uwzględnieniem tych czynników, a także temu, jak w związku z trendem w kierunku „bardziej ekologicznych” samochodów aerodynamika jest teraz ważniejsza niż kiedykolwiek.

Zawartość

1. Nauka o aerodynamice
2. Współczynnik oporu
3. Historia projektowania aerodynamicznego samochodu
4. Pomiar oporu za pomocą tuneli aerodynamicznych
5. Dodatki aerodynamiczne

Zanim przyjrzymy się, jak aerodynamika jest stosowana w samochodach, oto mały kurs odświeżający z fizyki, abyś mógł zrozumieć podstawową ideę.

Gdy obiekt przemieszcza się przez atmosferę, wypiera powietrze, które go otacza. Obiekt jest również poddawany grawitacji i przeciąganiu. Opór jest generowany, gdy ciało stałe przemieszcza się przez płynne medium, takie jak woda lub powietrze. Przeciąganie rośnie wraz z prędkością - im szybciej obiekt porusza się, tym bardziej odczuwa opór.

Ruch obiektu mierzymy za pomocą czynników opisanych w prawach Newtona. Obejmują one masę, prędkość, wagę, siłę zewnętrzną i przyspieszenie.

Przeciąganie ma bezpośredni wpływ na przyspieszenie. Przyspieszenie (a) obiektu to jego ciężar (W) minus opór (D) podzielony przez jego masę (m). Pamiętaj, ciężar to masa obiektu pomnożona przez działającą na niego siłę grawitacji. Twoja waga zmieniłaby się na Księżycu z powodu mniejszej grawitacji, ale twoja masa pozostaje taka sama. Mówiąc prościej:

a = (W - D) / m

(źródło: NASA)

Gdy obiekt przyspiesza, jego prędkość i opór wzrastają, aż w końcu do punktu, w którym opór staje się równy ciężarowi - w takim przypadku dalsze przyspieszenie nie może nastąpić. 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, jest to przydatne do obliczenia ważnej liczby - współczynnika oporu powietrza. Jest to jeden z głównych czynników określających, jak łatwo obiekt porusza się w powietrzu. Współczynnik oporu (Cd) jest równy oporze (D) podzielonemu przez gęstość (r), pomnożoną przez połowę prędkości (V) do kwadratu razy pole (A). Aby uczynić to bardziej czytelnym:

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

[źródło: NASA]

Tak realistycznie, do jakiego współczynnika oporu dąży projektant samochodów, tworząc samochód z założeniami aerodynamicznymi? Dowiedz się na następnej stronie.

Unikalny kształt Toyoty Prius jest jednym z czynników, który pomaga uzyskać niesamowitą oszczędność paliwa. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Właśnie dowiedzieliśmy się, że współczynnik oporu powietrza (Cd) to liczba, która mierzy siłę oporu powietrza na obiekt, taki jak samochód. Teraz wyobraź sobie siłę powietrza napierającego na samochód poruszający się po jezdni. Przy prędkości 70 mil na godzinę (112,7 kilometrów na godzinę) na samochód działa cztery razy większa siła niż przy prędkości 35 mil na godzinę (56,3 kilometrów na godzinę) [źródło: Elliott-Sink].

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

Spójrzmy na kilka liczb Cd. Pamiętasz stare, pudełkowate samochody Volvo z lat 70-tych i 80-tych? Stary sedan Volvo 960 osiąga wartość Cd wynoszącą 0,36. Nowsze Volvo są znacznie bardziej eleganckie i zaokrąglone, a sedan S80 osiąga współczynnik Cd wynoszący 0,28 [źródło: Elliott-Sink]. Dowodzi to czegoś, o czym być może mogłeś się już domyślić - gładsze, bardziej opływowe kształty są bardziej aerodynamiczne niż pudełkowate. Dlaczego tak jest dokładnie?

Spójrzmy na najbardziej aerodynamiczną rzecz w przyrodzie - łzę. Łza jest gładka i okrągła ze wszystkich stron i zwęża się u góry. Powietrze opływa go płynnie, gdy spada na ziemię. Tak samo jest z samochodami - gładkie, zaokrąglone powierzchnie umożliwiają przepływ powietrza w postaci strumienia nad pojazdem, zmniejszając „docisk” powietrza do ciała.

Obecnie większość samochodów osiąga Cd około 0,30. SUV-y, które są bardziej pudełkowate niż samochody, ponieważ są większe, mogą pomieścić więcej osób i często potrzebują większych kratek, aby pomóc schłodzić silnik, mają Cd od 0,30 do 0,40 lub więcej. Pickup'y - celowo pudełkowata konstrukcja - zwykle jeżdżą około 0,40 [źródło: Siuru].

Wielu kwestionowało „wyjątkowy” wygląd hybrydy Toyoty Prius, ale nie bez powodu ma ona wyjątkowo aerodynamiczny kształt. Oprócz innych wydajnych cech, Cd wynoszący 0,26 pomaga osiągnąć bardzo duże 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.

Te zabytkowe samochody pokazują, jak niewiele wiedziano o aerodynamice pojazdów na początku XX wieku. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Podczas gdy naukowcy przez długi czas byli mniej lub bardziej świadomi tego, co jest potrzebne do stworzenia aerodynamicznych kształtów, zajęło trochę czasu, zanim te zasady zostały zastosowane w projektowaniu samochodów..

W najwcześniejszych samochodach nie było nic aerodynamicznego. Przyjrzyjmy się nowatorskiemu modelowi T Forda - wygląda bardziej jak bryczka dla koni bez koni - rzeczywiście bardzo pudełkowata konstrukcja. Wiele z tych wczesnych samochodów nie musiało martwić się o aerodynamikę, ponieważ były stosunkowo wolne. Jednak niektóre samochody wyścigowe z początku XX wieku posiadały w pewnym stopniu zwężające się i aerodynamiczne cechy.

W 1921 roku niemiecki wynalazca Edmund Rumpler stworzył Rumpler-Tropfenauto, co można przetłumaczyć jako „samochód łzawiący”. Oparty na najbardziej aerodynamicznym kształcie w naturze, łezce, miał Cd zaledwie 0,27, ale jego wyjątkowy wygląd nigdy nie został przyjęty przez publiczność. Wykonano tylko około 100 [źródło: cena].

Po stronie amerykańskiej jeden z największych postępów w dziedzinie aerodynamiki nastąpił w latach trzydziestych XX wieku wraz z Chryslerem Airflow. Zainspirowany ptakami w locie, Airflow był jednym z pierwszych samochodów zaprojektowanych z myślą o aerodynamice. Chociaż wykorzystano kilka unikalnych technik konstrukcyjnych i miał prawie 50-50 rozłożenie ciężaru (równy rozkład masy między przednią i tylną osią dla lepszej obsługi), znużony Wielkim Kryzysem publiczność nigdy nie zakochała się w jego niekonwencjonalnym wyglądzie, a samochód uznano za flop. Mimo to jego opływowa konstrukcja znacznie wyprzedziła swoje czasy.

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku niektóre z największych postępów w aerodynamice samochodowej wynikały 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. Ostatecznie przekształciło się to w bardzo precyzyjną naukę tworzenia możliwie najbardziej aerodynamicznego samochodu wyścigowego. Przednie i tylne spojlery, noski w kształcie łopatek i zestawy aerodynamiczne stały się coraz bardziej powszechne, aby utrzymać przepływ powietrza nad górną częścią samochodu i wytworzyć niezbędny docisk na przednie i tylne koła [źródło: Formuła 1 Network].

Jeśli chodzi o konsumentów, firmy takie jak Lotus, Citroën i Porsche opracowały bardzo opływowe projekty, ale były one głównie stosowane w samochodach sportowych o wysokich osiągach, a nie w pojazdach codziennego użytku dla zwykłego kierowcy. Zaczęło się to zmieniać w latach 80-tych, kiedy pojawiło się Audi 100, sedan pasażerski z niespotykanym wówczas Cd o wartości 0,30. Obecnie prawie wszystkie samochody są w jakiś sposób projektowane z myślą o aerodynamice [źródło: Edgar].

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

Samochody (i samoloty) poddawane są testom aerodynamicznym w tunelach aerodynamicznych. - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

-

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 oddziałuje 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, aby symulować rzeczywiste warunki. Czasami prawdziwy samochód nie jest nawet używany - projektanci często polegają na modelach swoich pojazdów w dokładnej skali, aby zmierzyć opór wiatru. Gdy wiatr porusza się nad samochodem w tunelu, komputery są używane do obliczania współczynnika oporu powietrza (Cd).

Tunele aerodynamiczne nie są tak naprawdę niczym nowym. Są w pobliżu od końca XIX wieku, aby mierzyć przepływ powietrza podczas wielu wczesnych prób samolotów. Nawet bracia Wright mieli taki. Po drugiej wojnie światowej inżynierowie wyścigowi, szukający przewagi nad konkurencją, zaczęli ich używać do oceny skuteczności wyposażenia aerodynamicznego swoich samochodów. Ta technologia później trafiła do samochodów osobowych i ciężarowych.

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

Wielu uważa, że ​​dodanie spojlera z tyłu samochodu to świetny sposób, aby uczynić go bardziej aerodynamicznym. W następnej sekcji przyjrzymy się różnym typom dodatków aerodynamicznych w pojazdach i ich roli w osiągach i zapewnieniu lepszego przebiegu paliwa.

Samochody Formuły 1 są aerodynamicznie zaprojektowane, aby generować maksymalny docisk. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

-

Aerodynamika to coś więcej niż tylko opór - są też inne czynniki zwane siłą nośną i dociskiem. Winda to siła, która przeciwstawia się ciężarowi przedmiotu i unosi go w powietrze i tam utrzymuje. Docisk jest przeciwieństwem windy - siły, która naciska obiekt w kierunku podłoża [źródło: NASA].

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

Dlaczego ten typ samochodu wyścigowego jest w stanie jeździć z prędkością ponad 200 mil na godzinę (321,9 kilometrów na godzinę), ale nie jest tak aerodynamiczny, jak można się było spodziewać? Dzieje się tak, ponieważ samochody Formuły 1 są budowane tak, aby generować jak największy docisk. Przy prędkościach, z którymi podróżują, i przy ich wyjątkowo małej masie, samochody te faktycznie zaczynają odczuwać siłę nośną 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 katastrofalny wypadek. Z tego powodu siła dociskowa musi być zmaksymalizowana, aby samochód pozostawał na ziemi przy dużych prędkościach, a to oznacza, że ​​wymagany jest wysoki współczynnik Cd..

Samochody Formuły 1 osiągają to dzięki zastosowaniu błotników lub spojlerów zamontowanych z przodu iz tyłu pojazdu. Skrzydła te kierują przepływ w prądy powietrza, które dociskają samochód do ziemi - lepiej znane jako docisk. To maksymalizuje prędkość na zakrętach, ale musi być starannie wyważone z podnoszeniem, aby również pozwolić samochodowi na odpowiednią prędkość na prostej [źródło: Smith].

Wiele samochodów seryjnych zawiera dodatki aerodynamiczne, które generują docisk. Podczas gdy supersamochód Nissan GT-R był nieco krytykowany w prasie motoryzacyjnej za swój wygląd, całe nadwozie zostało zaprojektowane tak, aby kierować powietrze nad samochodem i z powrotem przez owalny spojler tylny, generując dużą siłę docisku. Ferrari 599 GTB Fiorano ma latające podpory słupków B, które również kierują powietrze do tyłu - pomagają one zmniejszyć opór powietrza [źródło: Classic Driver].

Ale w samochodach codziennego użytku, takich jak sedany Hondy i Toyoty, jest mnóstwo spojlerów i skrzydeł. Czy to naprawdę zwiększa aerodynamikę samochodu? W niektórych przypadkach może zwiększyć stabilność przy dużych prędkościach. Na przykład oryginalne Audi TT nie miało spojlera na tylnej pokrywie, ale Audi dodało jeden po tym, jak jego zaokrąglone nadwozie powodowało zbyt dużą siłę nośną i mogło być przyczyną kilku wraków [źródło: Edgar].

Jednak w większości przypadków przykręcenie dużego spojlera z tyłu zwykłego samochodu nie pomoże w osiągach, prędkości ani w prowadzeniu w ogóle - jeśli w ogóle. W niektórych przypadkach może nawet powodować większą podsterowność lub niechęć do zakrętu. Jeśli jednak uważasz, że gigantyczny spojler 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 do następnej strony i skorzystaj z łączy.

Powiązane artykuły

• Jak działa aerodynamika samochodów seryjnych
• Jak docisk pomaga samochodowi wyścigowemu NASCAR?
• Jak działa szkicowanie NASCAR
• Jak działa samochód jutra NASCAR
• Jak działają samoloty
• - Kanał Fizyki

Więcej świetnych linków

• NASA - Przewodnik dla początkujących po aerodynamice
• NASA - współczynnik oporu
• NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division - Aerodynamics in Car Racing
• Symscape - Aerodynamika Formuły 1

Źródła

• Klasyczny sterownik. „Ferrari 599 GTB Fiorano”. (9 marca 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Dzień, Dwayne A. „Zaawansowane tunele aerodynamiczne”. Amerykańska Komisja ds. Stulecia Lotów. (9 marca 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. „Aerodynamika samochodu utknęła w martwym punkcie”. Prędkość automatyczna. (9 marca 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. „Poprawa aerodynamiki w celu zwiększenia oszczędności paliwa”. Edmunds.com. 2 maja 2006. (9 marca 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Sieć Formuły 1. „Williams F1 - History of Aerodynamics: Evolution of aerodynamics”. (9 marca 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. „Poradnik aerodynamiki dla początkujących”. 11 lipca 2008. (9 marca 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. „Współczynnik oporu”. 11 lipca 2008 r. (9 marca 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Cena, Ryan Lee. „Cheating Wind - Aerodynamic Tech and Buyers Guide: The Art Of Aerodynamics And the Automobile”. Europejski magazyn samochodowy. (9 marca 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. „5 faktów: aerodynamika pojazdu”. GreenCar.com. 13 października 2008. (9 marca 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, Rich. „Aerodynamika Formuły 1”. Symscape. 21 maja 2007. (9 marca 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero