Jak działa aerodynamika samochodów seryjnych

Samochód testowany w tunelu aerodynamicznym pod kątem osiągów aerodynamicznych. Andy Sacks / Stone / -Getty Images

-Dzisiejsza flota samochodów jest ogromnym ulepszeniem w stosunku do ozdobnych płetw ogonowych i pudełkowatych konstrukcji z przeszłości. Nowoczesne, zaokrąglone kształty minimalizują siłę wywieraną przez powietrze na ruch samochodu, dzięki czemu samochód jest bardziej elegancki 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 - zwłaszcza jak oddziałuje na stałe, poruszające się obiekty. Tak jak motorówka zostawia ostrą linię kilwateru ciągnącą się za nią na wodzie, tak samochód wywiera wpływ aerodynamiczny, przecinając powietrze..

Projektanci motoryzacyjni i zespoły NASCAR opierają się na zasadach aerodynamiki, aby poprawić moc i obsługę pojazdów przy dużych prędkościach. Z biegiem lat samochody osobowe stały się bardziej kształtne, gdy producenci odkryli, w jaki sposób usprawnienie może zwiększyć oszczędność paliwa, umożliwiając samochodowi poruszanie się z tą samą prędkością przy użyciu mniejszej mocy. Konstrukcje te zmniejszają opór powietrza lub opór aerodynamiczny.

-W świecie wyścigów samochodowych ważniejsze może być zwiększenie skierowanej w dół siły, jaką powietrze wywiera na koła samochodu. To docisk jest kluczem do utrzymania przyczepności podczas ciasnych i ciągłych zakrętów wyścigu na krótkim torze.

Odkrycie tajemniczej siły docisku w ostatnich dziesięcioleciach wprawiło świat wyścigów samochodowych w szał testów w tunelu aerodynamicznym i subtelnych modyfikacji karoserii samochodów seryjnych. To zmieniło kulturę i praktykę wyścigów samochodowych w sposób, który niektórzy fani uważają za irytujący. NASCAR musiał wkroczyć i dokładnie regulować właściwości aerodynamiczne każdego pojazdu podczas zawodów, aby zachować równe szanse.

-Nawet zwykli fani są stale narażeni na terminologię aerodynamiki samochodowej. Ten artykuł zdemistyfikuje żargon NASCAR, zaczynając od zjawiska aero push.

Zawartość

1. Stock Car Aero Push
2. Docisk samochodu seryjnego
3. Podnośnik samochodowy
4. Przeciągnij samochód zapasowy

Pędzący samochód seryjny przeszywa powietrze podczas jazdy. Powietrze szumi nad górną częścią samochodu i jest odchylane przez spojler przymocowany do tylnego pokładu. Jeśli inny samochód podąża bezpośrednio za nim, nos w ogon, stale wchodzi w przestrzeń powietrzną, na którą wpływa samochód z przodu.

-Pojazd nadjeżdżający, jeśli w pewnej odległości znajdzie się pod tylną klapą, może wykorzystać siłę aerodynamiczną samochodu prowadzącego. Powietrze zachowuje się tak, jakby dwa samochody były jednym. Powietrze wypierane za samochodem prowadzącym tworzy częściową próżnię, która zasysa jadący z przodu samochód ze zwiększoną prędkością lub przy tej samej prędkości przy mniejszym wysiłku silnika i mniejszym zużyciu paliwa. To się nazywa redakcja. Oba samochody mogą podróżować szybciej, niż którykolwiek z nich może jechać samodzielnie [źródło: Turner].

Drafting może być bardzo potężną techniką wyścigową, ale wiąże się z poważną odpowiedzialnością. Samochód jadący z przyczepą odczuwa redukcję siły docisku na przednich oponach, co powoduje utratę stabilności i prowadzenia na zakrętach. To jest aero push, zwany również stanem „ciasnym”, wymagającym od jadącego z tyłu kierowcy zwolnienia pedału przyspieszenia, aby odzyskać przyczepność [źródło: ESPN].

Aero push zmusza kierowców do dokładnych obliczeń. Z jednej strony wielu kierowców może pozostać konkurencyjnymi w zaciętym wyścigu, podchodząc do pojazdu prowadzącego, wykorzystując zwiększoną siłę i mniejsze obciążenie silnika. Efekty są szczególnie korzystne na prostych odcinkach. Jednak na rogach niebezpieczeństwa pojawiają się w postaci zmniejszonej manewrowości i większego prawdopodobieństwa utraty kontroli..

Aero push stało się niemal dominującą cechą wyścigów NASCAR. Fani narzekali, że wyścigi straciły na atrakcyjności, ponieważ zawodnicy pozostają w stałych pozycjach przez długie odcinki. Kierowcy rzadziej rzucają sobie wyzwanie, jeżdżąc w ciasnych pojedynczych pilnikach, a nie obok siebie. Z drugiej strony większa liczba pojazdów może pozostać blisko lidera stada.

Aero push - i cała wyścigowa aerodynamika, jeśli o to chodzi - to przede wszystkim docisk.

Air on the Air

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

Docisk to siła skierowana w dół wytwarzana przez ciśnienie powietrza, które powoduje silniejsze ciśnienie między oponą a powierzchnią drogi. Zasada jest taka sama, jak ta, która daje początek samolotom, ale na odwrót.

Siła aerodynamiczna wynika z różnic ciśnień po bokach poruszającego się obiektu. Najpopularniejsze metody zwiększania siły docisku pojazdu obejmują zmniejszenie ciśnienia powietrza pod pojazdem.

W większości przypadków każdy wzrost siły docisku spowoduje również wzrost oporu aerodynamicznego. Dla demona prędkości większy opór oznacza niższe prędkości na prostej Ale większy docisk oznacza lepsze prowadzenie na zakrętach, ponieważ opony pewniej trzymają tor.

-Inżynierowie z branży motoryzacyjnej i załogi serwisowe starają się zachować równowagę obu sił. Na torze takim jak Daytona, z długimi prostymi trasami i ostrymi zakrętami, projekty mają tendencję do ograniczania oporu do minimum. W przypadku wyścigów na krótkich torach strategia jest odwrotna - ponieważ kierowca spędza więcej czasu na pokonywaniu zakrętów, nacisk na docisk doprowadzi do większej ogólnej prędkości, a także zwiększenia bezpieczeństwa [źródło: Tierney].

Osiąganie większej siły docisku poprzez manipulowanie nadwoziami samochodów wyścigowych jest obsesyjnym zadaniem w branży samochodów seryjnych. Być może najlepszym miejscem do rozpoczęcia jest przód pojazdu. Prawidłowo ustawiony pod kątem nosek umieszczony nisko nad ziemią kieruje większość powietrza w górę nad górną część samochodu. Celem jest stworzenie obszaru niskiego ciśnienia lub częściowej próżni pod nosem [źródło: Circle 304].

Nadkola to kolejny obszar do kształtowania. Rozchylone koło otwierające się przed oponą wymusi uciekające powietrze z boków i od spodu samochodu, dodatkowo zmniejszając ciśnienie powietrza [źródło: Boone, „Race Car Aerodynamics”].

Biorąc pod uwagę wszystkie możliwości technologiczne związane z budowaniem siły docisku za przednimi kołami seryjnego samochodu, należy wziąć pod uwagę równowagę. Tył samochodu musi mieć swoją część siły docisku, aby działać prawidłowo.

-Badanie siły docisku oznacza zwracanie uwagi na jej siłę przeciwną - siłę nośną.

Listwy boczne Sidebar

Boczne spódnice -- długie poziome elementy biegnące nisko wzdłuż boku pojazdu - zostały opracowane w wyścigach samochodowych jako sposób na zmniejszenie ciśnienia powietrza pod spodem i zwiększenie siły docisku. Ale ta zewnętrzna cecha może zostać zrzucona z pojazdu, powodując nagłą utratę siły docisku i wysokie prawdopodobieństwo wypadku [Źródło: Cislunar Aerospace]. Wiele autorytetów wyścigowych zakazało stosowania bocznych osłon, ale pozostają one efektowną cechą niektórych samochodów osobowych [Źródło: BMW].

-Najbardziej oczywistymi producentami są skrzydła ptaka czy samolotu winda. Ale podnoszenie niekoniecznie oznacza siłę skierowaną w górę przeciwdziałającą grawitacji. W rzeczywistości docisk jest formą siły nośnej - ujemnej siły nośnej.

Podnoszenie to siła aerodynamiczna prostopadła do kierunku ruchu ciała. Odwrotnie, opór jest siłą opierającą się równolegle do poruszającego się obiektu, ale od niego przeciwną. Winda - potocznie nazywana a siła w niebo -- występuje zwykle w takim czy innym stopniu w poruszającym się obiekcie. Ponieważ siła nośna i docisk są siłami przeciwstawnymi, część wysiłków zmierzających do zbudowania samochodu seryjnego o dużej sile docisku obejmuje pokonanie siły nośnej.

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

Samochody seryjne mają charakterystyczny design grabie -- co oznacza, że ​​tył samochodu jest wyżej nad ziemią niż przód podwozia. Utrzymuje ciśnienie pod samochodem, zapobiegając podnoszeniu.

Efekt ten wywołują spojlery, przednie zapory i błotniki. Na zapora powietrza jest zamontowany pod przednim zderzakiem, aby zablokować przepływ powietrza pod nadwoziem. Występy skrzydeł, używane w samochodach Formuły 1 i Indy, są odwrócone do góry nogami, aby zapewnić docisk zamiast podnoszenia.

Pomimo tych urządzeń samochody wyścigowe czasami unoszą się w powietrzu. Zagrożenie 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 dużą siłę nośną.

W pojazdach NASCAR zainstalowanych jest kilka innowacji bezpieczeństwa, takich jak wpuszczane okno po prawej stronie. Samochody seryjne krążące po owalnych torach po lewej stronie częściej pokazują prawą twarz podczas kręcenia. Ostra krawędź okna po prawej stronie odchyla powietrze, zamiast pozwolić mu swobodnie spływać po dachu. Klapy zagłębione w dachu samochodu, kolejna funkcja bezpieczeństwa, zaczynają się podnosić, gdy ciśnienie powietrza nagle spada nad samochodem, blokując przepływ powietrza [Źródło: Leslie-Pelecky].

-

Speedy Science

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 naukowe zasady w wyścigach samochodowych.

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

-Inne cząsteczki przepływają wzdłuż maski, tylko po to, by napotkać przednią szybę - kolejne źródło oporu. Powietrze, które płynnie ślizga się po dachu, narasta turbulentnie nad tylną szybą i za samochodem, wywierając siłę wsteczną na pojazd.

Prędkość, gęstość powietrza oraz rozmiar, kształt i konstrukcja samochodu decydują o wielkości 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 obszar przekroju zwiększa opór, ponieważ więcej cząsteczek powietrza trzeba usunąć z drogi” [źródło: Leslie-Pelecky].

Przeciąganie jest główną przeszkodą dla przyspieszenia i prędkości wyścigowej. Samochód osobowy jadący po autostradzie zużywa szacunkowo 60 procent swojej energii na pokonanie oporu powietrza, o wiele większy procent niż tarcie opon i zapotrzebowanie energetyczne samego układu napędowego [źródło: Beauchamp].

Pokonanie oporu było pierwszym głównym celem aerodynamiki samochodowej, począwszy od 1960 roku. Jest to nadal najważniejsza zmienna w warunkach wyścigowych, które kładą mniejszy nacisk na siłę docisku, na przykład dłuższe tory z prostszymi odcinkami.

Smukłe linie, odchylone szyby przednie i zaokrąglone rogi nowoczesnych samochodów wyścigowych - a nawet samochodów osobowych - zostały zaprojektowane tak, aby zminimalizować opór. Ale dążenie do konstruowania samochodów wyścigowych z dużym dociskiem netto czasami prowadzi do dodatkowego oporu. Przykładem jest tylny spojler, który można znaleźć w pojazdach NASCAR: zwiększa opór powietrza, rozkładając ciężar z przodu na tył samochodu [źródło: Circle Track]. Aerodynamika pozostaje dynamiczną i młodą dziedziną inżynierii, z wieloma innowacjami, które dopiero pojawią się na drodze.

Aby być na bieżąco z najnowszymi innowacjami w dziedzinie aerodynamiki, 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, obniżając podwozie, dodając zaporę powietrzną, nadkola i owiewki maski [źródło: Beauchamp].

Powiązane artykuły

• Jaka jest historia wyścigów samochodów seryjnych??
• Jak działają skanery samochodów seryjnych
• Jak działają techniki wyścigów samochodowych
• Jak działa telemetria samochodów seryjnych
• Jak działają zawieszenia samochodów seryjnych

Źródła

• Associated Press. „Idąc z prądem”. (Dostęp 15.12.08) http://hosted.ap.org/specials/interactives/nascar2005/aerodynamics/aerodynamics.swf
• Beauchamp, Warren. „Aerodynamika samochodów osobowych”. (Dostęp 15.12.08) http://www.recumbents.com/car_aerodynamics/
• BMW. „Boczne progi BMW”. (Dostęp 17.12.08) http://www.bmwsideskirts.com/history.php
• Boone, Jerry F. „Złe powietrze? Fizyka wyścigów samochodowych”. Stock Car Racing. (Dostęp 14.12.08) http://www.stockcarracing.com/techarticles/scrp_0301_the_physics_behind_auto_racing/index.html
• Boone, Jerry F. „Aerodynamika samochodu wyścigowego - auto na krótkim torze”. Stock Car Racing. (Dostęp 14.12.08) http://www.stockcarracing.com/techarticles/scrp_0702_race_car_aerodynamics/index.html
• Circle Track. „Aerodynamika - zdefiniowana aerodynamika samochodu zapasowego”. (Dostęp 14.12.08) http://www.circletrack.com/techarticles/0304_aerodynamics_tech_definitions/index.html
• Cislunar Aerospace. „Aerodynamika i samochody wyścigowe”. Internetowy podręcznik aeronautyki K-8. (Dostęp 15.12.08) http://wings.avkids.com/Book/Sports/advanced/racecar-01.html
• ESPN. „Aero Push”. (Dostęp 14.12.08) http://sports.espn.go.com/rpm/nascar/icons/news/story?id=3426389
• Hiestand, Michael. „ESPN pokaże skryte z NASCAR”. USA Dzisiaj, 24 lipca 2007. (Dostęp 15.12.08) http://www.usatoday.com/sports/columnist/hiestand-tv/2007-07-24-ESPN-NASCAR_N.htm
• Leslie-Pelecky, Diandra. Fizyka NASCAR: jak zrobić stal + gaz + guma = prędkość. Dutton: 2008. (Dostęp 17.12.08 przez Książki Google) http://books.google.com/books?id=OAK3yFlHoTAC
• Tierney, John. „Pisk i uderzenie NASCAR? To wszystko aerodynamika”. New York Times, 12 lutego 2008 r. (Dostęp 15.12.2008) http://www.nytimes.com/2008/02/12/science/12tier.html?pagewanted=all
• Turner, Charlie. „Drafting and Aero”. Bench Racing ze Stevem i Charliem. (Dostęp 16.12.08) http://benchracing.typepad.com/bench_racing_with_steve_a/drafting_and_aero.html

-