Конкурент ВЕТРА
Вот с каким противником автомобиль имеет дело. Приопустим стекло, подставим ладонь ветру - осязаемо давит? Если поменять угол, под которым ладонь штурмует ветер, можно найти и вертикальную силу - как на крыле самолета.
Силы вертикального и поперечного направлений, дестабилизирующие машину, важны не меньше сопротивления. Кому понравится автомобиль, на 250 км/ч выходящий из-под контроля! Он должен быть устойчивым, не рыскать, не "соскальзывать" в поворотах, при порывах бокового ветра, разъезде со встречной машиной, заезде в тоннель и т. п. Да еще иметь просторный салон при маленьких габаритах и при всем этом отвечать эстетическим требованиям дизайнеров! Стопроцентно высчитать его обтекаемость, заблаговременно все увязать, как досадно бы это не звучало, нереально. Машину доводят в аэродинамической трубе, затрачивая большие Энциклопедия грузовых автомобилей.
Меж тем, мода принуждает людей брать непонятные "прибамбасы", действующие на аэродинамику. Сечение псевдокрыла нередко совершенно не похоже на крыльевой профиль: нарисовавший его дизайнер задумывался только об изяществе линий! К счастью, большая часть "жертв рекламы" резвее 160-180 км/ч не ездит - и действие какого-либо малограмотного "антикрыла" не достаточно осязаемо. Если же автомобиль быстроходнее, неосмотрительные игры с аэродинамическими предметами чреваты грустными последствиями.
Даже суровые компании не застрахованы от ошибок. Помните 1-ые шаги " Audi ТТ"? Не сходу его "обучили" прочно держаться за дорогу. Но у таковой компании побольше способностей устранять промахи, чем у личного обладателя - у него в перечне "расходных материалов" возможно окажется жизнь.
Вычислить прижимную силу крыла не просто: не владея основами этой науки, автомобилисты, случается, спорят до третьих петухов. Потому приведем обычный пример из параллельной области техники. У бомбовоза В-1В площадь крыла 181 м2. Взлетный вес - 216 тонн. Самолет сверхзвуковой, но взлетает-то при скорости меньше 300 км/ч. Означает, каждый квадратный метр крыла несет груз в 1,2 тонны. Но некие Подвескаивные авто ездят и резвее, - так что их обтекатели, спойлеры, антикрылья инженеры "доводят" очень дотошно. Не плохое антикрыло площадью всего третья часть квадратного метра способно сделать прижимную силу в четыре центнера, а то и больше.
Но другой "гонщик" может приобрести высокоэффективное антикрыло, а поставить его некорректно - к примеру чрезвычайно вынесет вспять. На больших скоростях передняя ось машины разгружается, автомобиль может стать неуправляемым. Утешает, что часто "крыло" помещают в зону срыва ("аэро тень" кузова), где оно фактически не работает.
ЗАКОН "КВАДРАТА"
К счастью для таинственной российской души автомобилей, делающих 300 км/ч, у нас не достаточно. Зато хватает тех, которым по плечу 180-200. А идея о том, что "обвешанный" автомобиль на таковой скорости может не послушаться руля, другие головы никогда не посещает. Напрасно что ли Энциклопедия грузовых автомобилей уплачены на зависть соседям!
"Проколы" обтекаемости утверждают о для себя звучно только на больших скоростях. Силы сопротивления воздуха вырастают пропорционально квадрату скорости потока - V2. Ведь затормаживая поток (к примеру, плоским щитом, как на рис. 2), мы переводим его кинетическую энергию в дополнительное статическое давление. При плотности воздуха 1,3 кг/мз увеличение давления от торможения потока ("высокоскоростной напор") составит 1,3.V2/2=0,65V2 Н/м2.
Чтоб найти силу давления потока на щит (другими словами аэродинамическое сопротивление), остается только помножить приобретенное давление на площадь щита S.
Допустим, S=1,8 м2 (лобовая площадь сопротивления "Жигулей"). Тогда скоростям 50, 100, 150 и 200 км/ч соответствуют силы сопротивления 226, 903, 2031 и 3611 Н - закон "квадрата". Удвоив скорость,учетверяем силу.
Кстати, определение величины S (рис. 1) - не самая обычная задачка. Делают это с очень высочайшей точностью на лазерном щите.
Квадратичная зависимость аэродинамической силы от скорости потока иногда вводит нас в заблуждение. К примеру, проехав по маршруту туда и назад со скоростью 90 км/ч, вы запамятовали о слабеньком (20 км/ч) ветре, дующем повдоль трассы. Но в одном случае поток лупит в лоб машине со скоростью 70 км/ч, а в другом - 110 км/ч! Силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости, а мощность на ведущих колесах - кубу. В конечном итоге средний расход горючего больше, чем при скорости 90 км/ч в штиль. Ни дать ни взять - бензин, унесенный ветром!
Управляя автомобилем, беспристрастно оценить силу и направление ветра, дующего над дорогой, тяжело. Общепринятое правило: встречный ветер отбирает больше, чем "дает" попутный той же силы.
Не только лишь "ЦЕ-ИКС"
Только ли высокоскоростным напором определяется аэродинамическая сила? Оказывается, нет! Гигантскую роль играет форма тела, подставленного сгустку (рис. 2). Встретив щит, воздух не станет нескончаемо накапливаться перед ним (а) - он пойдет в обход препятствия, образуя за ним вихри (б). Дополнительные движения струй требуют издержек энергии, и аэродинамическое сопротивление плоского щита намного (приблизительно на 17%) больше того, что отдало полное торможение потока! Означает, для получения настоящих сил сопротивления следует помножить приобретенные ранее значения на 1,17. Вот этот коэффициент, учитывающий форму тела, именуют коэффициентом аэродинамического сопротивления - Сх. Одно из более удобообтекаемых тел - удлиненная "капля", для которой Сх=0,04.
Каковой же Сх реального автомобиля? Даже у самых беспритязательных начала ХХ века - около 0,8. У знака русской эры - "Жигулей" - лучше: 0,52-0,53. Для нынешнего денька много.
А вот результаты продувок в аэродинамической трубе НТЦ ВАЗа автомобилей "десятого" семейства: 2110 - 0,33, 2111 - 0,36, 2112 - 0,34. Это на уровне очень солидный забугорных машин данного класса. Правда, "обмылки" неким не нравятся. Но законы движения воздуха-то везде одни и те же! Считаясь с ними, тяжело сделать снаружи необычную машину. А если не очень считаться?
В Рф до сего времени популярны авто "самарского" семейства. После "традиционных" ВАЗов показалось, что быстрые "восьмерка" и "девятка" - большой шаг вперед. На самом деле революции не вышло. Хотя Сх=0,47 все таки меньше, чем 0,52, он еще выше, чем сейчас имеют маленькие машины "гольф-класса". Даже самая "накрученная" из "самар" - VAZ 2115 аэродинамически продвинулась неподалеку: Сх=0,435. Вобщем, техника развивается: больше возникает автомобилей, у каких хорошая аэродинамика смешивается с видной наружностью.
Если кому-то интересно, зачем мы вспомнили о Сх, заметим: фактическое сопротивление "10-ки" (даже с учетом большей, чем у "классики", лобовой площади) при схожих скоростях на 33-34% ниже, чем у "Жигулей". Отсюда улучшение высокоскоростных и динамических характеристик.
ПО КИРПИЧИКУ
А из чего складывается величина Сх?
1-ое - сопротивление давления либо формы. Время от времени это до 60% общих аэродинамических утрат. Поток, бьющий "в лоб" автомобиля, несколько уплотняется, потом струи расползаются. Сзади "соединятся" не сходу - тут видна зона общего срыва с маленькими завихрениями воздуха. Движению машины препятствует завышенное давление воздуха впереди и пониженное сзади.
В неких случаях по бокам скоса задней части кузова индуцируются массивные вихревые "трубки" (рис. 3): они еще более снижают статическое давление и значительно наращивают утраты. Сделать плавненько спускающуюся (в подражание крыльевому профилю) "корму" - нереально, в особенности для автомобилей малых классов. Один из методов борьбы с вредными вихрями - намеренный срыв потока, к примеру маленьким спойлером (как на фото 1, 2 и рис. 4). Шлейф срыва (черный "мешок" на фото) отбирает меньше энергии, чем массивные вихри. На маленьких автомобилях таковой прием употребляют в особенности нередко.
К сопротивлению формы можно отнести утраты при обтекании выступающих деталей - зеркал, брызговиков, приоткрытого лючка и т. д. Навешивая на машину престижные прибамбасы, обув ее в широкие шины и т. п., Сх недолго прирастить процентов на 15.
Владея некой вязкостью, воздух "прилипает" ко всем поверхностям машины - а этот узкий слой отчасти притормаживает примыкающие и т. д. В итоге утраты от трения воздуха способны достигать 20% общих. Это справедливо, по последней мере, для автомобилей с малым Сх - в особенности немытых. Но обладатели УАЗа, КамАЗа, либо "Хаммера" могут быть размеренны: эта техника к грязищи равнодушна.
В конце концов, есть внутренние утраты, вызванные необходимостью охлаждать движок, тормоза, вентилировать и отапливать кузов.
Специалисты-аэродинамики изучают и огромное количество других вопросов. К примеру, как ведет себя машина в критериях косого обдува (при боковом ветре): как устойчива, управляема и т. д. Принципиально также, какие силы действуют на кузов в вертикальном направлении, какие моменты относительно осей они делают. Ни на каких скоростях подъемная сила кузова не должна разгружать колеса - автомобиль не самолет, его задачка накрепко двигаться по дороге. Потому стремятся упорядочить воздушные потоки снизу автомобиля (от их зависит до 15% общего сопротивления). Не обойтись без аэродинамики при доводке машины исходя из убеждений экономичности, при выборе передаточных чисел коробки и т.д.. Не гнушается наука и маленькими вопросами вроде правильной работы "дворников", оптимального отвода дождевой воды, уменьшения шума от стоек, уплотнителей и т. п. Список задач можно продолжать...
Рис. 1. Площадь лобового сопротивления S - то же, что площадь проекции машины на поперечную плоскость.
Рис. 2. Полное торможение потока плоским щитом без учета других видов движения воздуха - "а", настоящая картина - "б".
Нрав обтекания современного кузова. За багажником - "организованный" шлейф срыва. Огромных вихрей нет.
Маленький спойлер над задним стеклом обеспечил незапятнанный, без излишних вихрей, срыв потока у универсала.
Рис. 3. Образование массивных вихрей - явление ненужное. Наращивает разрежение за "кормой" автомобиля и сопротивление воздуха, понижает нагруженность задней оси.
Продувка модели грузовика.
Рис. 4. Соответствующие аэродинамические элементы. Спойлер (интерцептор) - щиток той либо другой формы, выдвинутый в поток воздуха с целью его срыва. За спойлером, в шлейфе срыва, давление воздуха снижено. Спойлер под фронтальным бампером, ограничивая "продувку" кузова снизу, сразу наращивает нагрузку на переднюю ось. Очень логичен в паре с антикрылом над крышкой багажника, как у зеленоватой машины. Спойлер под задним бампером, срывая поток, может свести к минимуму образование массивных вихрей. Аналогично работает спойлер на перегибе крыши над задним стеклом красноватого автомобиля. А вот "мухобойка", срывая поток на капоте, понижает тут давление. Эффект - уменьшение нагрузки на переднюю ось.
Принципиально осознавать, что сочетание спойлера на задней кромке крыши и антикрыла над багажником лишено смысла. В шлейфе срыва антикрыло работает не лучше, чем парус в полный штиль. Отлично еще, что вреда от него нет. Так что и в "украшательстве" нужно знать меру!
Специалистам-аэродинамикам случается изучить законы обтекания и живых объектов.