Аэродинамика отдельных типов кузовов
Наибольшее влияние на аэродинамические показатели автомобиля оказывает форма задней части.
Поэтому:
• Самыми неэффективными машинами в отношении аэродинамики считаются пикапы и универсалы. Срывающиеся с крыши салона воздушные потоки, образуют разряжённую вихревую зону, из-за чего значительно повышается сопротивление движению. Компенсируют отрицательный эффект производители, путём отсечения части потока воздуха вниз дефлектором, расположенным на крыше.
• Незначительно наклонённая задняя часть, позволяющая плавно стечь воздушным потокам до нижней кромки задней двери, делает значительно лучше аэродинамику хэтчбеков.
• Пологое заднее стекло и наличие крышки багажника, минимизирует вихревой след купе и седанов. Оперируя размерами высоты и длины багажников, конструкторы могут в значительной мере регулировать их аэродинамическое сопротивление.
Основные действующие силы
Если вспомнить законы физики, то можно констатировать – во время движения на машину действует две основные силы – прижимная и подъемная.
При этом многое зависит от формы объекта, сталкиваясь с которым воздух поднимается или опускается к земле.
Сегодня есть множество моделей машин, у которых из-за неправильной формы кузова проявляется дополнительная подъемная сила. Последняя всеми силами пытается оторвать переднюю часть от земли. И чем выше скорость движение, тем мощнее данная сила.
Когда автомобиль сталкивается с потоком воздуха, у последнего есть всего два пути – уйти вверх или отправиться под днище транспортного средства.
Самое интересное, что во время езды давление воздуха под авто зачастую гораздо выше, чем над ним. Здесь проявляется так называемый «эффект Бернулли».
Молекулы воздуха быстрее перемещаются над верхним кузовом авто, поэтому там давление ниже. Под машиной плотность воздуха много больше, поэтому выше и давление.
Какой можно сделать вывод? На большой скорости потоки воздуха стараются оторвать переднюю часть от земли, но этому явлению сопротивляется сила тяжести.
Зачем нужны спойлеры
Если уж мы никуда не можем деться от воздуха и его капризов, то стоит попробовать обратить его способности во благо. Так думали автомобилестроители раньше и продолжают думать сейчас. Главными новаторами и идейными вдохновителями как всегда являются спортивные подразделения автомобильных концернов. Там и с формой днища изощряются, и специальные обвесы изготавливают, и выхлопную системы в технике кружев Ришелье изобретают. Но все эти эффективные инновации вместить в одну серийную гражданскую машину не получится — больно уж дорого и сложно. Приходится выбирать самый простой, надёжный и действенный способ скорректировать поведение машины в воздушном потоке. И если лобовое сопротивление и повышенные шумы можно побороть только полной перестройкой кузова, то со «взлётами» бороться можно иначе. Для этого подойдут передние сплиттеры и задние антикрылья (спойлеры). Сплиттер помогает уменьшить дорожный просвет и буквально отсечь часть воздуха, попадающего под машину на скорости. Это помогает снизить подъёмную силу.
Спойлер же сглаживает поток воздуха, срывающийся с крыши и заднего стекла автомобиля. Но помимо «спрямления» потока, правильно подобранное антикрыло преобразует сопротивление воздуха в прижимную силу. Получается, что воздух встречается с поверхностью антикрыла под таким углом, что часть силы сопротивления направлена в сторону дорожного полотна. Благодаря жёсткому креплению спойлера к кузову, задней части автомобиля не остаётся ничего, кроме как прижаться к земле под воздействием потока воздуха. Это помогает сохранить управляемость, а на заднем приводе ещё и помогает реализовать мощность на ведущих колёсах. Кстати, передние антикрылья тоже есть, но только в мире профессионального автоспорта.
Как видите, аэродинамика — вещь сложная. И подружиться с ней бывает непросто, даже имея почти безграничные ресурсы. Ведь даже крошечная ошибка в расчётах может привести к эффекту, который будет строго противоположен ожидаемому. Да, есть талантливые механики, которые могут преобразить автомобиль, приладив буквально пару планочек, но, по большей части, все незаводские навесные элементы скорее облагораживают внешность машины, а не её повадки. Давайте будем честными: все же мы любим глазами, а все атрибуты настоящего спорткара уж точно заставят проводить их обладателя взглядом.
24.09.2021
01.04.2019
19.11.2019
18.10.2017
31.01.2020
05.10.2020
25.05.2021
11.05.2017
25.12.2020
06.11.2017
04.09.2020
06.12.2019
11.10.2021
13.03.2018
24.05.2019
20.06.2018
20.03.2019
14.05.2019
Читалка
Вытягиваем пластмасс
Для этого из куска фанеры необходимо изготовить рамку с крючками, на которые закрепляются бруски, представляющие собой основание. Пластик нагревается до необходимого температурного режима, становясь мягким и эластичным, чтобы его можно было нанести на заготовку. Рамка поможет сделать это лучше, удержит его. Когда пластик остынет, деталь разрешается снять с основы.
Опытные мастера, работая с пластиковым материалом, выбирают разные варианты, принимая во внимание то, с чем придется работать. Особенности деталей и определенные материалы сами определяют технологические этапы работы
Простую деталь возможно сделать самостоятельно, а вот для более сложных элементов рекомендуется воспользоваться помощью опытных специалистов.
Что такое сопротивление качению шины?
Давайте разберемся, что такое сопротивление качению шин. Когда вы нажимаете на педаль газа в вашем автомобиле, вы начинаете ускоряться. Но если посмотреть более детально на сам процесс ускорения автомобиля, то можно увидеть, что нажимая на педаль газа вы передаете энергию от сгорания топлива в моторе, или электрическую энергию (все зависит от того, какой тип двигателя вы используете) через другие системы прямиком на шины вашего автомобиля. Это приводит к тому, что ваши покрышки начинают оборачиваться и набирать достаточный импульс, чтобы ваш автомобиль начал двигаться. Но для того, чтобы колесо начало двигаться, ваши покрышки должны преодолеть очень много факторов, которые препятствуют началу движения. И одним из этих факторов является сопротивление качению шины.
Если говорить техническим языком, то сопротивление качению шины – это минимальная энергия, которую ваше транспортное средство должно передать на колеса, чтобы поддерживать постоянную скорость на ровном дорожном полотне. Другими словами, это усилие, которое нужно для того, чтобы колесо постоянно двигалось.
Главным источником сопротивлению качения является процесс, который называется гистерезис. С технической точки зрения, гистерезис – это, по сути, потеря энергии, которая возникает при прохождении шины по поверхности дорожного полотна. Из-за того, что двигатель автомобиля должен постоянно компенсировать гистерезис, он должен вырабатывать дополнительную энергию, что приводит к увеличению расхода топлива.
Компоновка – среднемоторная, привод – задний
Особенность таких автомобилей – центр тяжести, который находится где-то в центральной части автомобиля.
Передок машины намного легче, что может привести к неконтролируемому заносу задней части авто или перевороту последнего.
Но столь негативные явления можно сбалансировать, если установить подходящие аэродинамические детали на передке машины (о них мы уже упоминали выше).
ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Как удержать авто на мокрой дороге? Советы профессионалов
Не стоит забывать о задней части автомобиля, где диффузоры, спойлеры и антикрылья также могут пригодиться. С их помощью создается прижимная сила на заднюю ось.
Снова-таки, рассмотрим два основных типа авто.
Лобовое сопротивление и коэффициент Сх
По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.
Движение потоков воздуха
За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.
Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2 и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.
Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.
Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.
Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.
Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.
Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.
Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.
Аэродинамическая труба
Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.
Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:
- Формой кузова;
- Трением потока о поверхности при обтекании;
- Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.
Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.
Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.
Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19
Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.
Прижимная сила
При движении автомобиля поток воздуха под его днищем идет по прямой, а верхняя часть потока огибает кузов, то есть, проходит больший путь. Поэтому скорость верхнего потока выше, чем нижнего. А согласно законам физики, чем выше скорость воздуха, тем ниже давление. Следовательно, под днищем создается область повышенного давления, а сверху – пониженного. Таким образом создается подъемная сила. И хотя ее величина невелика, неприятность состоит в том, что она неравномерно распределяется по осям. Если переднюю ось подгружает поток, давящий на капот и лобовое стекло, то заднюю дополнительно разгружает зона разряжения, образующаяся за автомобилем. Поэтому с ростом скорости снижается устойчивость и автомобиль становится склонен к заносу.
Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.
Для спортивных и гоночных моделей описанные меры будут, естественно, малоэффективны. Чтобы удержать их на дороге, нужно создать большую прижимную силу. Для этого применяются большой передний спойлер, обвесы порогов и антикрылья. А вот установленные на серийных автомобилях, эти элементы будут играть только лишь декоративную роль, теша самолюбие владельца. Никакой практической выгоды они не дадут, а наоборот, увеличат сопротивление движению. Многие автолюбители, кстати, путают спойлер с антикрылом, хотя различить их довольно просто. Спойлер всегда прижат к кузову, составляя с ним единое целое. Антикрыло же устанавливается на некотором расстоянии от кузова.
Основные элементы аэродинамического обвеса
Комплект аэродинамического обвеса представлен сочетанием нескольких основных элементов. Только при креплении всех элементов обеспечивается высокая прижимная сила. Комплект зачастую представлен:
- Диффузорами – элемент заднего бампера, за счет которого существенно повышается прижимная сила. Они выглядят как выступы на нижней части конструкции. Диффузоры состоят из параллельных каналов, за счет которых существенно повышается скорость прохождения воздушного потока под автомобилем. Кроме этого, подобный элемент может перенаправлять воздушный поток в вакуумную зону.
- Юбка или накладка на задний бампер – еще один элемент, за счет которого повышается обтекаемость задней части. Кроме этого, юбка может существенно снизить степень загрязнения заднего обвеса.
- Юбка на передний бампер устанавливается крайне часто, так как приводит к повышению обтекаемости передней части кузова. За счет установки пластиковой накладки увеличивается прижимная сила спереди, за счет чего повышается степень управления на высокой скорости. Качественная накладка может перенаправлять воздушный поток для охлаждения тормозных дисков.
- Задний спойлер на крыше багажного отделения устанавливается для равномерного распределения нагрузки на оси. При грамотном подборе этого элемента можно существенно повысить прижимную силу задней оси при движении на большой скорости.
- Устанавливается спойлер и для заднего стекла. Чаще всего они встречаются на моделях купе и седан. За счет его установки увеличивается обтекаемость крыши, воздушный поток перенаправляется в нижнюю часть кузова.
- Дефлекторы для заднего стекла напоминают «антикрыло». Характеризуется он относительно невысоким эффектом, также предназначен для обеспечения плавного перехода воздушной массы от крыши к задней части. Формирование подобного воздушного потока существенно снижает степень загрязнения стекла.
- Верхнее антикрыло часто устанавливается на хэтчбеке. Выделяют несколько видов подобной конструкции: стационарные, регулируемые и съемные.
- Обтекатели порогов устанавливаются под боковыми дверьми, также повышают степень обтекаемости кузова.
- Щитки перед колесами требуются для того, чтобы провести рассечение плотной массы воздуха при движении на большой скорости. За счет этого автомобиль не будет притормаживать на момент движения.
Только при установке всех аэродинамических элементов достигается требуемый результат. При этом автомобиль становится весьма привлекательным и интересным. Антикрыло отличается от спойлера тем, что имеет большие размеры и сильно возвышается над крышкой багажного отделения. Задача антикрыла заключается в направлении воздушного потока для формирования прижимной силы, спойлер наоборот рационально распределяет воздушный поток.
Коэффициент лобового сопротивления
Оказывается, воздух — субстанция капризная и непредсказуемая. В безветренную погоду о его существовании можно даже забыть, но всё меняется, когда вы начинаете двигаться. Невесомый газ будет превращаться практически в кисель по мере того, как вы будете ускоряться. Автомобиль лицом к лицу сталкивается со встречным потоком, и для того, чтобы понять, насколько эффективно машина преодолевает бесконечную воздушную преграду, придумали достаточно эфемерную, но прижившуюся величину — коэффициент лобового сопротивления. Этот показатель относительный и его нужно с чем-то сравнивать, поэтому господа учёные выбрали «эталон». И это не какая-то хитроумная фигура, а самый обычный цилиндр. Он должен быть такого же диаметра, как и самая широкая часть машины и сопротивление которое он встречает при движении принято считать равным 1. И вот когда сопротивление металлической «колбасы» известно, в такие же условия помещают тестируемый автомобиль. И если машина встречает вдвое меньшее сопротивление воздуха, то коэффициент её лобового сопротивления будет равен 0,5. Но сейчас такой показатель считается практически «провальным». Хотя многие представители «кирпичной» аэродинамики любимы и уважаемы на дорогах. Коэффициент лобового сопротивления брутального Gelandewagen, например, составляет целых 0,54. Для сравнения, самый аэродинамичный на сегодняшний день автомобиль может похвастаться значением 0,189. Это футуристичное творение концерна VAG — Volkswagen XL1.
Что такое аэродинамика автомобиля
Как бы странно это ни звучало, чем с большей скоростью автомобиль движется по дороге, тем сильнее он будет стремиться оторваться от земли. Причина в том, что поток воздуха, с которым сталкивается транспортное средство, разрезается кузовом авто на две части. Одна проходит между днищем и дорожным покрытием, а вторая – над крышей, и огибает контур машины.
Если посмотреть на кузов автомобиля сбоку, то визуально он будет отдаленно напоминать крыло самолета. Особенность этого элемента летательного аппарата заключается в том, что воздушный поток над изгибом проходит больше пути, чем под прямой частью детали. Из-за этого над крылом создается разряжение, или вакуум. С увеличением скорости эта сила сильнее приподнимает корпус.
Подобный подъемный эффект создается и у автомобиля. Верхний поток огибает капот, крышу и багажник, а нижний – только днище. Еще один элемент, который создает дополнительное сопротивление, это приближенные к вертикали детали кузова (радиаторная решетка или лобовое стекло).
Скорость транспорта напрямую влияет на подъемный эффект. Причем форма кузова с вертикальными панелями создает дополнительное завихрение, которое снижает сцепление транспорта с дорогой. По этой причине владельцы многих классических автомобилей с угловатыми формами при тюнинге обязательно крепят к кузову спойлер и другие элементы, позволяющие увеличивать прижимную силу машины.
Аэродинамические силы
На рисунке 1 наглядно показано поле обтекания автомобиля. Струйки дыма, направленные в плоскости продольного осевого сечения, показывают характер линий тока в этой плоскости при симметричном обтекании. Такое обтекание имеет место при движении автомобиля в условиях отсутствия ветра (штиль) или когда направление ветра точно совпадает с линией движения (попутный ветер, встречный ветер). С помощью такой картины линий тока можно идентифицировать ряд основных процессов обтекания.
Обращает на себя внимание явление отрыва потока в задней части автомобиля. В то время, как линии тока для обширных участков контура автомобиля даже в областях более резких изломов контура проходят плавно, от задней кромки крыши поток отрывается
Образуется большая зона вихревого следа, хорошо видимая на рисунке 2 благодаря тому, что дым (как и на рисунке 1) не прилегает к контуру автомобиля, а устремляется в оторвавшийся поток.
Сопротивление воздуха W, а также другие компоненты результирующей аэродинамической силы и их моменты возрастают в квадратичной зависимости от скорости движения автомобиля:
Для легкового автомобиля среднего класса доля сопротивления воздуха в суммарном сопротивлении движению при скорости VF = 100 км/ч составляет уже 75—80 %. Следовательно, уменьшая сопротивление воздуха, можно значительно улучшить экономические показатели автомобиля. Поэтому, как и прежде, главной задачей аэродинамики автомобиля является уменьшение сопротивления воздуха до минимально возможного значения, независимо от того, является ли целью проектирования повышение максимальной скорости или снижение расхода топлива.
Если записать уравнение (1) для силы сопротивления воздуха в полном виде, имеем:
Таким образом, аэродинамическое сопротивление автомобиля W, с одной стороны, определяется габаритными размерами автомобиля, выраженными в виде площади фронтальной проекции А, с другой стороны, его формой, аэродинамическое качество которой определяется коэффициентом аэродинамического сопротивления cW. Как правило, размеры автомобиля задаются предъявляемыми к нему требованиями, и уменьшение сопротивления воздуха сводится к уменьшению коэффициента cW.
Подъемная сила
Сравнивая (см. рисунок 1) расстояние между линиями тока в сечении, расположенном перед автомобилем, с расстоянием между линиями тока над крышей автомобиля, можно получить представление о действующей на него подъемной силе. Малое расстояние между линиями тока означает высокую скорость потока; а она, в свою очередь, связана с малым статическим давлением. По разности давления над крышей и под днищем автомобиля можно вычислить приложенную в плоскости симметрии перпендикулярно к направлению движения силу, которая называется подъемной силой.
Как правило, подъемная сила действует вверх, т.е. она стремится приподнять автомобиль и тем самым уменьшить эффективные нагрузки на колеса. Эта сила связана с продольным аэродинамическим моментом (называемым также моментом галопирования), который приводит к тому, что уменьшение нагрузок на колеса передней и задней осей различно. В области скоростей, характерных для массового легкового автомобиля, т.е. при VF
Источник
Прижимная и подъемная силы
Вот еще один нюанс, который влияет на управляемость транспорта. В некоторых случаях лобовое сопротивление не удается снизить до минимума. Пример тому – болиды F1. Хотя их кузов идеально обтекаемый, колеса в них открыты. Эта зона создает больше всего проблем для производителей. У такого транспорта Сх находится в пределах от 1,0 до 0,75.
Если задний вихрь в этом случае не удастся устранить, то потоком можно воспользоваться, чтобы увеличить сцепление с треком. Для этого на кузов устанавливают дополнительные детали, которые создают прижимную силу
Например, передний бампер оснащают спойлером, который препятствует отрыву от земли, что крайне важно для спорткара. Подобное антикрыло закрепляется и на задней части болида
Переднее антикрыло направляет поток не под машину, а на верхнюю часть кузова. Из-за этого нос транспорта всегда направляется в сторону дороги. Снизу образуется вакуум, и машина будто прилипает к трассе. Задний спойлер препятствует образованию вихря позади авто – деталь срывает поток, прежде чем он начнет всасываться в зону разрежения за транспортом.
На уменьшение лобового сопротивления также влияют мелкие элементы. Например, кромка капота практически всех современных автомобилей закрывает щетки дворников
Так как передняя часть машины больше всего сталкивается со встречным потоком, то внимание уделяется даже таким мелким элементам, как дефлекторы воздухозаборников
Устанавливая спортивные обвесы, нужно учесть, что дополнительная прижимная сила делает машину более уверенной на дороге, но при этом направленный поток увеличивает лобовое сопротивление. Из-за этого пиковая скорость такого транспорта будет ниже, чем без аэродинамических элементов. Еще один отрицательный эффект – автомобиль становится более прожорливым. Правда, эффект от спортивного комплекта обвесов будет ощущаться при скорости от 120 километров в час, поэтому в большинстве ситуаций на дорогах общественного пользования такие детали .
От чего зависят аэродинамические показатели?
На самом деле, факторов может набраться на пару полноценных книг. Но выделить основные категории все таки можно:
- геометрия передней части;
- геометрия боков;
- геометрия задней части;
- геометрия днища;
- шероховатость поверхностей.
Для того, чтобы машина встречала меньшее сопротивление воздуха, важно, чтобы его потоки обтекали автомобиль максимально плавно. При встрече с препятствием воздушный поток сначала сопротивляется, а потом всё же разделяется
Одна его часть минует преграду сверху, другая — снизу, а третья и четвёртая части — сбоку. Представьте, что воздух вокруг машины — это горизонтальные ниточки с пружинами по всей длине. Когда автомобиль въезжает в это полосатое пространство происходит вот что: сначала нужно заставить преграду расступиться. Чем больше площадь участка который первым встретился с эластичным препятствием, тем большее пружин придётся сжать одновременно для того, чтобы продолжить движение. Когда это случилось, нитки начинают постепенно распределяться по кузову и днищу.
Пружины начинают сжиматься дальше, и за счёт этого нити поднимаются по решётке радиатора пока не доберутся до капота. Там обычно есть вполне себе внушительная ступенька, поэтому пружине надо резко сжаться ещё. Затем настаёт очередь ветрового стекла, которое заставляет витки напрячься ещё больше. Так продолжается до тех пор, пока кузов не начнёт сглаживаться и у пружины не появится место для того, чтобы разжаться до нормального состояния. Если линия крыши постепенно заваливается и перетекает в багажник, воображаемая пружина будет разжиматься постепенно, а не менее воображаемая нить будет спокойно очерчивать контур. А вот если сжатая пружина внезапно потеряет опору, то она сначала резко разожмётся, а потом будет колебаться до тех пор, пока не израсходует всю накопленную энергию. Такие хаотичные движения в момент внезапной потери опоры отлично визуализируют турбулентность. В момент её возникновения образуются потоки так называемого возмущённого воздуха, которые завихряются и, тем самым, создают область пониженного давления. Самый простой пример зоны повышенной турбулентности — конец прицепа фуры. Можно физически ощутить, как туда «затягивает», если проехать мимо. Ещё из курса школьной физики известно, что любой предмет стремиться двигаться туда, где давление меньше. Этим и обусловлен такой неприятный эффект. Но если с соседями по потоку всё понятно, то о собственноручно генерируемом «вакууме» многие забывают. Если воздушный поток внезапно оборвался позади вашей машины, то возникшая турбулентность будет буквально засасывать вас обратно, препятствуя движению вперёд.
А ещё стоит учесть, что современные автомобили по своей геометрии отдалённо напоминают форму крыла самолёта.
Днище вашего автомобиля достаточно плоское, и поэтому турбулентных потоков возникает относительно немного, чего не сказать о верхней части кузова. Это значит, что над крышей давление воздуха меньше, чем под колёсами. От этого автомобиль немного приподнимается над дорогой и чем дорожный просвет больше, тем сильнее этот эффект. Самолёты похожим образом опираются на воздух и генерируют подъёмную силу из разницы давлений. На машине вы, конечно, не взлетите, но о таких шутках воздуха лучше не забывать, особенно когда вы едете быстро.
Основные факты аэродинамики
Откуда берется это сопротивление? Все очень просто. Вокруг нашей планеты имеется атмосфера, состоящая из газовых соединений. В среднем плотность твердых слоев атмосферы (пространство от земли и до высоты птичьего полета) составляет около 1,2кг/квадратный метр. Когда предмет находится в движении, он сталкивается с молекулами газов, входящих в состав воздуха. Чем выше скорость, тем с большей силой эти элементы будут ударяться о предмет. По этой причине, входя в земную атмосферу, космический аппарат начинает сильно нагреваться от силы трения.
Самая первая задача, с которой пытаются справиться разработчики нового дизайна модели, это как снизить лобовое сопротивление. Этот параметр увеличивается в 4 раза, если транспорт ускорится в пределах от 60км/ч до 120км/ч. Чтобы понять, насколько это существенная величина, рассмотрим небольшой пример.
Вес транспорта составляет 2 тысячи кг. Транспорт разгоняется до 36 км/ч. При этом затрачивается всего 600 Ватт мощности на преодоление этой силы. Все остальное тратится на разгон. Но уже на скорости в 108 км/ч. на преодоление фронтального сопротивления уже используется 16 кВт мощности. При движении на скорости в 250км/ч. автомобиль тратит уже целых 180 лошадиных сил на силу сопротивления. Если водитель захочет разогнать авто еще сильнее, до 300 километров/час, помимо мощности для увеличения скорости мотору нужно будет расходовать уже 310 лошадей, чтобы справиться с фронтальным потоком воздуха. Вот зачем спортивному автомобилю требуется настолько мощный силовой агрегат.
Чтобы разработать максимально обтекаемый, но вместе с тем и достаточно комфортный транспорт, инженеры рассчитывают коэффициент Сх. Этот параметр в описании модели является самым важным, что касается идеальной формы кузова. Идеальной величиной в этой области обладает капля воды. У нее этот коэффициент составляет 0,04. Ни один автопроизводитель не согласится на столь оригинальный дизайн своей новой модели машины, хотя раньше встречались варианты в таком дизайне.
Уменьшать сопротивление ветра можно двумя методами:
- Изменить форму кузова настолько, чтобы поток воздуха максимально обтекал машину;
- Сделать автомобиль нешироким.
Во время движения машины на нее действует вертикальная сила. Она может иметь прижимный эффект, что положительно сказывается на сцеплении с дорогой. Если не увеличить давление на машину, образовавшийся вихрь будет обеспечивать отрыв транспорта от земли (этот эффект каждый производитель старается максимально устранить).
С другой стороны во время движения авто на него действует и третья сила – боковая. Эта область еще меньше поддается контролю, так как на нее влияет много непостоянных величин, например, боковой ветер при прямолинейном движении или на повороте. Силу этого фактора невозможно предугадать, поэтому инженеры не рискуют, и создают корпуса с шириной, которая позволяет пойти на определенный компромисс в коэффициенте Сх.
Чтобы определить, до какой степени можно учесть параметры вертикальных, фронтальных и боковых сил, ведущие производители автотранспорта создают специализированные лаборатории, в которых проводятся аэродинамические испытания. В зависимости от материальных возможностей, эта лаборатория может включать аэродинамическую трубу, в которой под большим потоком воздуха проверяется эффективность обтекаемости транспорта.
В идеале производители новых моделей авто стремятся либо довести свою продукцию до коэффициента в 0,18 (на сегодняшний день это идеал), либо превысить его. Но второе пока никому еще не удается, потому что невозможно устранить другие силы, воздействующие на машину.
