Cum funcționează aerodinamica

Vehiculele cu un design aerodinamic tind să fie mai stabile la viteze mai mari. Vezi mai multe poze cu mașini sport. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Este neplăcut să te gândești, dar imaginează-ți ce s-ar întâmpla dacă ți-ai conduce mașina într-un zid de cărămidă la 65 km pe oră (104,6 kilometri pe oră). Metalul s-ar răsuci și s-ar sfâșia. Paharul s-ar distruge. Airbag-urile ar izbucni pentru a vă proteja. Dar chiar și cu toate progresele în materie de siguranță pe care le avem la automobilele noastre moderne, acest lucru ar fi probabil un accident dur de care să ne îndepărtăm. O mașină pur și simplu nu este proiectată să treacă printr-un zid de cărămidă.

Există însă un alt tip de „perete” pe care mașinile sunt proiectate să le parcurgă și au fost de mult timp - peretele de aer care împinge împotriva unui vehicul la viteze mari.

Cei mai mulți dintre noi nu considerăm aerul sau vântul ca pe un zid. La viteze mici și în zilele în care nu este foarte vânt afară, este greu de observat modul în care aerul interacționează cu vehiculele noastre. Dar la viteze mari și în zile excepțional de vânt, rezistenta aerului (forțele au acționat asupra unui obiect în mișcare de aer - de asemenea, definit ca fiind trage) are- un efect extraordinar asupra modului în care o mașină accelerează, manevrează și realizează kilometrajul de combustibil.

Aceasta în care știința aerodinamicii intră în joc. aerodinamică este studiul forțelor și mișcarea rezultată a obiectelor prin aer [sursa: NASA]. Timp de câteva decenii, mașinile au fost concepute cu aerodinamică în minte, iar producătorii de automobile au venit cu o varietate de inovații care fac să taie prin „peretele” de aer mai ușor și să aibă un impact mai mic asupra conducerii zilnice..

-În esență, având în minte o mașină proiectată cu flux de aer înseamnă că are mai puține dificultăți pentru a accelera și poate obține un număr mai bun de economie de combustibil, deoarece motorul nu trebuie să funcționeze la fel de greu pentru a împinge mașina prin peretele de aer.

Inginerii au dezvoltat mai multe moduri de a face acest lucru. De exemplu, modele și forme mai rotunjite pe exteriorul vehiculului sunt proiectate pentru a canaliza aerul într-un mod astfel încât acesta să curgă în jurul mașinii cu cea mai mică rezistență posibilă. Unele mașini de înaltă performanță au chiar și piese care se deplasează fără aer pe partea inferioară a mașinii. Multe includ, de asemenea, un jefuitor -- cunoscut și sub denumirea de a aripa din spate -- pentru a împiedica aerul să ridice roțile mașinii și să o facă instabilă la viteze mari. Deși, după cum veți citi mai târziu, majoritatea spoilerelor pe care le vedeți pe mașini sunt pur și simplu pentru decorare mai mult decât orice.

În acest articol, vom analiza fizica aerodinamicii și a rezistenței la aer, istoria modului în care au fost proiectate mașinile cu acești factori în minte și cum, odată cu tendința către mașini „mai ecologice”, aerodinamica este acum mai importantă ca niciodată..

cuprins

1. Știința aerodinamicii
2. Coeficientul de drag
3. Istoria proiectării automobilelor aerodinamice
4. Măsurarea glisării cu tunele de vânt
5. Componente aerodinamice

Înainte de a privi modul în care aerodinamica este aplicată automobilelor, iată un mic curs de perfecționare a fizicii, astfel încât să înțelegeți ideea de bază.

Pe măsură ce un obiect se mișcă prin atmosferă, deplasează aerul care îl înconjoară. Obiectul este, de asemenea, supus gravitației și tragerii. Trage este generat atunci când un obiect solid se deplasează printr-un mediu fluid, cum ar fi apa sau aerul. Glisarea crește cu viteza - cu cât obiectul călătorește mai repede, cu atât trage mai mult.

Măsurăm mișcarea unui obiect folosind factorii descriși în legile lui Newton. Acestea includ masa, viteza, greutatea, forța externă și accelerația.

Tragerea are un efect direct asupra accelerației. Accelerația (a) a unui obiect este greutatea sa (W) minus drag (D) împărțită la masa sa (m). Amintiți-vă, greutatea este masa unui obiect ori de forța gravitației care acționează asupra lui. Greutatea ta s-ar schimba pe lună din cauza gravitației mai mici, dar masa ta rămâne aceeași. Pentru a spune mai simplu:

a = (W - D) / m

(sursa: NASA)

Pe măsură ce un obiect accelerează, viteza și tracțiunea acestuia cresc, până la punctul în care trenul devine egal cu greutatea - caz în care nu se poate produce o accelerare suplimentară. Să spunem că obiectul nostru în această ecuație este o mașină. Aceasta înseamnă că pe măsură ce mașina călătorește mai repede și mai repede, din ce în ce mai mult aer împinge împotriva acesteia, limitând cu cât mai mult poate accelera și restricționând-o la o anumită viteză.

Cum se aplică toate acestea la proiectarea mașinii? Ei bine, este util pentru a descoperi un număr important - coeficientul de tracțiune. Acesta este unul dintre factorii primari care determină cât de ușor se mișcă un obiect prin aer. Coeficientul de tracțiune (Cd) este egal cu dragul (D), împărțit la cantitatea densității (r), de două ori jumătate a vitezei (V) pătrat de ori a zonei (A). Pentru a face acest lucru mai lizibil:

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

[sursa: NASA]

Așadar, în mod realist, cât de mare coeficientul de tracțiune urmărește un proiectant de mașină dacă creează o mașină cu intenție aerodinamică? Aflați pe pagina următoare.

Forma unică a Toyota Prius este un factor care îl ajută să obțină o economie incredibilă de combustibil. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Tocmai am aflat că coeficientul de tracțiune (Cd) este o cifră care măsoară forța rezistenței aerului asupra unui obiect, cum ar fi o mașină. Acum, imaginați-vă forța aerului care împinge împotriva mașinii în timp ce se deplasează pe drum. La 70 de mile pe oră (112,7 kilometri pe oră), de patru ori mai multă forță lucrează împotriva mașinii decât la 35 de mile pe oră (56,3 kilometri pe oră) [sursa: Elliott-Sink].

Abilitățile aerodinamice ale unei mașini sunt măsurate folosind coeficientul de tracțiune al vehiculului. În esență, cu cât Cd este mai scăzută, cu atât este mai aerodinamică o mașină și cu atât mai ușoară se poate deplasa prin peretele de aer împingând împotriva acesteia.

Să ne uităm la câteva numere Cd. Îți aduci aminte de mașinile vechi Volvo din anii ’70 și ’80? Un vechi sedan Volvo 960 atinge un Cd de .36. Volvo-urile mai noi sunt mult mai elegante și mai curioase, iar un sedan S80 atinge un Cd de .28 [sursa: Elliott-Sink]. Acest lucru dovedește ceva pe care s-ar putea să fi ghicit deja - formele mai netede, mai simplificate sunt mai aerodinamice decât cele cutioase. De ce este exact asta?

Să ne uităm la cel mai aerodinamic lucru din natură - o lacrimă. Lacrima este netedă și rotundă pe toate părțile și se decuplează în partea de sus. Aerul curge lin în timp ce cade la pământ. Este la fel cu mașinile - suprafețele netede, rotunjite permit aerului să curgă într-un flux peste vehicul, reducând „împingerea” aerului împotriva corpului.

Astăzi, majoritatea mașinilor ating un Cd de aproximativ .30. SUV-urile, care tind să fie mai înfundate decât mașinile, deoarece sunt mai mari, găzduiesc mai multă lume și au adesea nevoie de grile mai mari pentru a ajuta la răcirea motorului în jos, au un Cd de oriunde de la .30 la .40 sau mai mult. Camioane de preluare - un design boxy în mod obișnuit - în mod obișnuit .40 [sursa: Siuru].

Mulți au pus la îndoială aspectul „unic” al hibridului Toyota Prius, dar are o formă extrem de aerodinamică dintr-un motiv bun. Printre alte caracteristici eficiente, Cd de .26 îl ajută să atingă un kilometraj foarte mare. De fapt, reducerea Cd a unei mașini cu doar 0,01 poate duce la o creștere de 0,2 mile pe galon (0,09 kilometri pe litru) în economia de combustibil [sursa: Siuru].

În pagina următoare, vom examina istoricul proiectării aerodinamice.

Aceste mașini antice demonstrează cât de puțin se știa despre aerodinamica vehiculului în prima parte a secolului XX. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

În timp ce oamenii de știință au fost mai mult sau mai puțin conștienți de ceea ce este nevoie pentru a crea forme aerodinamice pentru o lungă perioadă de timp, a durat ceva timp pentru ca aceste principii să fie aplicate la proiectarea automobilelor.

Nu era nimic aerodinamic cu privire la cele mai vechi mașini. Aruncați o privire la modelul T al lui Ford - pare mai degrabă ca o căruță, mai puțin caii - un design foarte boxy, într-adevăr. Multe dintre aceste mașini timpurii nu au avut nevoie să se îngrijoreze de aerodinamică, deoarece erau relativ lente. Cu toate acestea, unele mașini de curse de la începutul anilor 1900 au încorporat caracteristici conice și aerodinamice într-un anumit grad.

În 1921, inventatorul german Edmund Rumpler a creat Rumpler-Tropfenauto, care se traduce prin „mașină cu lacrimi”. Bazat pe cea mai aerodinamică formă din natură, lacrima, avea un Cd de doar .27, dar aspectul său unic nu a fost prins niciodată de public. Doar aproximativ 100 au fost făcute [sursa: Preț].

Pe partea americană, unul dintre cei mai mari salturi înainte în proiectarea aerodinamică a venit în anii 1930 cu Chrysler Airflow. Inspirat de păsări în zbor, Airflow a fost una dintre primele mașini proiectate cu aerodinamică. Deși a folosit câteva tehnici de construcție unice și a avut o distribuție în greutate de aproape 50-50 (distribuție egală a greutății între punțile față și spate pentru o manevrare îmbunătățită), o mare Depresie - publicul nu s-a îndrăgostit niciodată de aspectul său neconvențional și de mașină. a fost considerat un flop. Totuși, designul său eficient a fost cu mult înaintea timpului.

Pe măsură ce anii '50 și '60 au apărut, unele dintre cele mai mari progrese în aerodinamica auto au venit din curse. Inițial, inginerii au experimentat cu diferite modele, știind că formele simplificate ar putea ajuta mașinile lor să meargă mai repede și să se descurce mai bine la viteze mari. În cele din urmă, aceasta a evoluat într-o știință foarte precisă despre crearea celei mai aerodinamice mașini de curse posibile. Spoilere față și spate, nasuri în formă de lopată și kituri aero au devenit din ce în ce mai frecvente pentru a menține aerul care curge pe partea de sus a mașinii și pentru a crea forță necesară pe roțile din față și spate [sursa: Formula 1 Network].

În ceea ce privește consumatorii, companii precum Lotus, Citroën și Porsche au dezvoltat câteva modele foarte simplificate, dar acestea au fost aplicate în mare parte mașinilor sport de înaltă performanță și nu vehiculelor de zi cu zi pentru șoferul comun. Asta a început să se schimbe în anii 1980 cu Audi 100, un sedan de pasageri cu un Cd de atunci. Astăzi, aproape toate mașinile sunt proiectate în aerodinamică într-un fel [sursa: Edgar].

Ce a ajutat această schimbare să se producă? Răspunsul: Tunelul vântului. În pagina următoare vom explora modul în care tunelul eolian a devenit vital pentru proiectarea auto.

Mașinile (și avioanele) își testează aerodinamica prin tunelurile eoliene.- - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

-

Pentru a măsura eficacitatea aerodinamică a unei mașini în timp real, inginerii au împrumutat un instrument din industria aeronavelor - tunelul eolian.

În esență, un tunel de vânt este un tub masiv cu ventilatoare care produc flux de aer peste un obiect din interior. Aceasta poate fi o mașină, un avion sau orice altceva pe care inginerii trebuie să îl măsoare pentru rezistența la aer. Dintr-o cameră din spatele tunelului, inginerii studiază modul în care aerul interacționează cu obiectul, modul în care curg curentii de aer pe diferitele suprafețe.

Mașina sau avionul din interior nu se mișcă niciodată, dar fanii creează vânt cu viteze diferite pentru a simula condițiile din lumea reală. Uneori, o mașină adevărată nu va fi nici măcar folosită - designerii se bazează adesea pe modele de scară exactă ale vehiculelor lor pentru a măsura rezistența la vânt. Pe măsură ce vântul se deplasează peste mașină în tunel, calculatoarele sunt utilizate pentru a calcula coeficientul de tracțiune (Cd).

Tunelurile eoliene nu sunt cu adevărat nimic nou. Sunt de la sfârșitul anilor 1800 pentru a măsura fluxul de aer peste multe încercări de avioane timpurii. Chiar și frații Wright au avut unul. După cel de-al Doilea Război Mondial, inginerii de curse care au căutat un avantaj în fața concurenței au început să le folosească pentru a măsura eficiența echipamentului aerodinamic al mașinilor lor. Ulterior, această tehnologie și-a făcut drum spre mașini și camioane.

Cu toate acestea, în ultimii ani, marile tuneluri eoliene de mai multe milioane de euro sunt folosite din ce în ce mai puțin. Simulările computerizate încep să înlocuiască tunelurile eoliene ca cea mai bună modalitate de a măsura aerodinamica unei mașini sau aeronave. În multe cazuri, tunelurile eoliene sunt apelate mai ales pentru a vă asigura că simulările computerului sunt corecte [sursa: Ziua].

Mulți cred că adăugarea unui spoiler pe spatele unei mașini este o modalitate excelentă de a-l face mai aerodinamic. În următoarea secțiune, vom examina diferite tipuri de suplimente aerodinamice la vehicule și vom examina rolurile lor în performanță și asigurarea unui kilometraj de combustibil mai bun..

Mașinile de Formula 1 sunt proiectate aerodinamic pentru a genera forță maximă. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

-

Pentru aerodinamică există mai mult decât simplul glisare - există și alți factori numiți ascensorul și forța. Lift este forța care se opune greutății unui obiect și îl ridică în aer și îl ține acolo. downforce este opusul ridicării - forța care presează un obiect în direcția pământului [sursa: NASA].

S-ar putea să credeți că coeficientul de tracțiune pe un automobil cu Formula 1 ar fi foarte scăzut - o mașină super-aerodinamică este mai rapidă, nu? Nu în acest caz. O mașină tipică F1 are un Cd de aproximativ .70.

De ce acest tip de curse de curse este capabil să conducă cu viteze mai mari de 200 de mile pe oră (321,9 kilometri pe oră), dar totuși nu este atât de aerodinamic cum ai fi putut ghici? Acest lucru se datorează faptului că mașinile de Formula 1 sunt construite pentru a genera cât mai multă forță. La viteza în care călătoresc și, cu greutatea lor extrem de ușoară, aceste mașini încep să experimenteze ridicarea cu anumite viteze - fizica le obligă să decoleze ca un avion. Evident, mașinile nu sunt destinate să zboare prin aer, iar dacă o mașină merge în aer ar putea însemna un accident devastator. Din acest motiv, forța de muncă trebuie maximizată pentru a menține mașina pe pământ la viteze mari, iar acest lucru înseamnă că este necesar un Cd ridicat.

Mașinile de Formula 1 obțin acest lucru folosind aripi sau spoilere montate pe partea din față și din spate a vehiculului. Aceste aripi canalizează fluxul către curenții de aer care apasă mașina spre pământ - mai bine cunoscută sub numele de forță în jos. Acest lucru maximizează viteza de viraj, dar trebuie să fie echilibrat cu grijă pentru a permite, de asemenea, mașinii cantitatea corespunzătoare de viteză liniară [sursa: Smith].

O mulțime de mașini de producție includ suplimente aerodinamice pentru a genera forță. În timp ce supercarul Nissan GT-R a fost criticat într-o oarecare măsură în presa auto pentru aspectul său, întregul corp este proiectat să canalizeze aerul peste mașină și înapoi prin spoilerul posterior, în formă ovală, generând multă forță. 599 GTB Fiorano de la Ferrari are stâlpii B cu spate zburători concepute pentru a canaliza aerul și în spate - acestea ajută la reducerea tragerii [sursa: Classic Driver].

Dar vezi o mulțime de spoilere și aripi pe mașinile de zi cu zi, cum ar fi sedanele Honda și Toyota. Acestea adaugă într-adevăr un avantaj aerodinamic la o mașină? În unele cazuri, poate adăuga un pic de stabilitate la viteză mare. De exemplu, Audi TT original nu avea un spoiler pe placa de punte din spate, dar Audi a adăugat unul după ce corpul său rotunjit a fost găsit să creeze prea mult ridicare și poate a fost un factor în câteva epave [sursa: Edgar].

În majoritatea cazurilor, însă, fixarea unui spoiler mare pe spatele unei mașini obișnuite nu va ajuta la performanță, viteză sau la manipularea unui lot întreg - dacă nu este deloc. În unele cazuri, s-ar putea crea chiar mai mult underseer, sau reticență la colț. Cu toate acestea, dacă credeți că spoilerul uriaș arată excelent pe portbagajul Honda Civic, nu lăsați pe nimeni să vă spună altfel.

Pentru mai multe informații despre aerodinamica auto și alte subiecte conexe, treceți peste pagina următoare și urmați linkurile.

Articole similare

• Cum funcționează aerodinamica auto auto
• Cum ajută downforce-ul unei mașini de curse NASCAR?
• Cum funcționează redactarea NASCAR
• Cum funcționează mașina de mâine a NASCAR
• Cum funcționează avioanele
• - Canalul fizicii

Mai multe legături grozave

• NASA - Ghidul începătorilor pentru aerodinamică
• NASA - Coeficientul de drag
• Divizia de Supercomputing Advanced (NAS) NASA - Aerodinamica în cursa auto
• Symscape - Formula 1 Aerodinamica

surse

• Sofer clasic. "Ferrari 599 GTB Fiorano." (9 martie 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Ziua, Dwayne A. "Tuneluri de vânt avansate." Comisia Centenarului de zbor din S.U.A. (9 martie 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. „Aerodinamica auto s-a oprit”. Viteza automata. (9 martie 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. "Îmbunătățirea aerodinamicii pentru a stimula economia de combustibil". Edmunds.com. 2 mai 2006. (9 martie 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Rețeaua de Formula 1 "Williams F1 - Istoria aerodinamicii: Evoluția aerodinamicii." (9 martie 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. „Ghidul începătorului pentru aerodinamică”. 11 iulie 2008. (9 martie 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. „Coeficientul de tragere.” 11 iulie 2008. (9 martie 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Preț, Ryan Lee. "Cheating Wind - Ghidul tehnicilor și cumpărătorilor aerodinamici: arta aerodinamicii și a automobilului." Revista Europeană de Mașini. (9 martie 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. "5 Fapte: aerodinamica vehiculului." GreenCar.com. 13 octombrie 2008. (9 martie 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, bogat. "Formula 1 Aerodinamica." Symscape. 21 mai 2007. (9 martie 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero