З тих пір як перша людина зміцнив на кінці списа заточений камінь, люди завжди намагаються знайти найкращу форму предметів, що рухаються в повітряному середовищі. Але автомобіль виявився дуже складною аеродинамічній головоломкою.
Основи тягових розрахунків руху автомобілів по дорогах пропонують нам чотири основні сили, що діють на автомобіль під час руху: опір повітря, опір коченню, опір підйому і інерційні сили. При цьому наголошується, що основними є лише перші дві. Сила опору коченню автомобільного колеса в основному залежить від деформації шини і дороги в зоні контакту. Але вже при швидкості руху 50-60 км / ч сила опору повітря перевищує будь-яку іншу, а на швидкостях понад 70-100 км / год перевершує їх всі разом узяті. Для того щоб довести це твердження, необхідно навести таку наближену формулу: Px = Cx * F * v2, де: Px - сила опору повітря; v - швидкість автомобіля (м / сек); F - площа проекції автомобіля на площину, перпендикулярну поздовжньої осі автомобіля, або площа найбільшого поперечного перерізу автомобіля, т. Е. Лобова площа (м2); Cx - коефіцієнт опору повітря (коефіцієнт обтічності). Зверніть увагу. Швидкість у формулі стоїть в квадраті, і це означає, що при її збільшенні, наприклад, в два рази сила опору повітря збільшується в чотири рази.
При цьому витрати потужності, необхідні на її подолання, виростають у вісім разів! У гонках Nascar, де швидкості зашкалюють за позначку в 300 км / ч, експериментальним шляхом встановлено, що для збільшення максимальної швидкості всього на 8 км / год необхідно підвищити потужність двигуна на 62 кВт (83 л. С.) Або зменшити Cx на 15% . Є й інший шлях - зменшити лобову площу автомобіля. Багато швидкісні суперкари значно нижче звичайних автомобілів. Це як раз і є ознакою робіт по зниженню лобової площі. Однак виробляти цю процедуру можна до певних меж, інакше таким автомобілем буде неможливо користуватися. З цієї та інших причин обтічність є одним з основних питань, що виникають при проектуванні автомобіля. Звичайно, на силу опору впливають не тільки швидкість автомобіля і його геометричні показники. Наприклад, чим вище щільність повітряного потоку, тим більше опір. У свою чергу щільність повітря безпосередньо залежить від його температури і висоти над рівнем моря. При підвищенні температури щільність повітря (отже, і його в'язкість) збільшується, а високо в горах повітря більш розріджене, і щільність його нижче, і так далі. Таких нюансів безліч.
Але повернемося до форми автомобіля. Який предмет має найкращою обтічністю? Відповідь на це питання відомий практично кожному школяреві (хто не спав на уроках фізики). Падаюча вниз крапля води набуває форму, найбільш прийнятну з точки зору аеродинаміки. Тобто округла фронтальна поверхня і плавно звужується довга задня частина (краще співвідношення - довжина в 6 разів більше ширини). Коефіцієнт опору - величина експериментальна. Чисельно він дорівнює силі опору повітря в ньютонах, створюваної при його русі зі швидкістю 1 м / с на 1 м2 лобової площі. За одиницю відліку прийнято вважати Cx плоскої пластини = 1. Так от, у краплі води Cx = 0,04. А тепер уявіть собі автомобіль такої форми. Нонсенс, чи не так? Мало того що така штуковина на колесах буде виглядати дещо карикатурно, використовувати цей автомобіль за призначенням буде не дуже зручно. Тому конструктори змушені шукати компроміс між аеродинамікою автомобіля і зручністю його використання. Постійні спроби знизити коефіцієнт повітряного опору привели до того, що у деяких сучасних автомобілів Cx = 0,28-0,25. Ну а швидкісні рекордні автомобілі можуть похвалитися Cx = 0,2-0,15.
Тепер необхідно трохи розповісти про властивості повітря. Як відомо, будь-який газ складається з молекул. Вони знаходяться в постійному русі і взаємодії один з одним. Виникають так звані сили Ван-дер-Ваальса - сили взаємного тяжіння молекул, що перешкоджають їх переміщенню один щодо одного. Деякі з них починають сильніше прилипати до решти. А зі збільшенням хаотичного руху молекул зростає і ефективність впливу одного шару повітря на інший, зростає в'язкість. А відбувається це за рахунок підвищення температури повітря, причому це може бути викликано як прямим нагріванням від сонця, так і непрямим від тертя повітря про яку-небудь поверхню або просто його верств між собою. Ось тут якраз впливає швидкість переміщення. Для того щоб зрозуміти, як це відбивається на автомобілі, досить спробувати змахнути рукою з відкритою долонею. Якщо робити це повільно, нічого не відбувається, але якщо змахнути рукою сильніше, долоню вже явно сприймає деякий опір. Але це тільки одна складова.
Коли повітря рухається над певною нерухомою поверхнею (наприклад, кузовом автомобіля), ті ж сили Ван-дер-Ваальса сприяють тому, що найближчий шар молекул починає прилипати вже до неї. І цей "прилип" шар гальмує вже наступний. І так шар за шаром, і тим швидше рухаються молекули повітря, чим далі вони знаходяться від нерухомої поверхні. Врешті-решт їх швидкість зрівнюється зі швидкістю основного повітряного потоку. Шар, в якому частинки рухаються повільно, називається прикордонним, і з'являється він на будь-якій поверхні. Чим більше значення поверхневої енергії у матеріалу покриття автомобіля, тим сильніше його поверхню взаємодіє на молекулярному рівні з навколишнього повітряним середовищем і тим більше енергії необхідно затратити на руйнування цих сил. Тепер, спираючись на вищеописані теоретичні викладки, можна сказати, що опір повітря - це не просто вітер, що б'є в лобове скло. У цього процесу більше складових.
Це найзначніша частина - до 60% всіх аеродинамічних втрат. Часто вона називається опором тиску або лобовим опором. При русі автомобіль стискає набігає на нього потік повітря і долаєзусилля на те, щоб розсунути молекули повітря. В результаті виникає зона підвищеного тиску. Далі повітря обтікає поверхню автомобіля. В процесі чого відбувається зрив повітряних струменів з утворенням завихрень. Остаточний зрив повітряного потоку в задній частині автомобіля створює зону зниженого тиску. Опір спереду і всмоктує ефект ззаду автомобіля створюють дуже серйозну протидію. Цей факт зобов'язує дизайнерів і конструкторів шукати шляхи по наданню кузову. Розкласти по полицях.
Тепер необхідно розглянути форму автомобіля, що називається, "від бампера до бампера". Які з деталей і елементів надають більший вплив на загальну аеродинаміку машини. Передня частина кузова. Експериментами в аеродинамічній трубі було встановлено, що для кращої аеродинаміки передня частина кузова повинна бути низькою, широкою і не мати гострих кутів. У цьому випадку не відбувається відриву повітряного потоку, що дуже благотворно позначається на обтічності автомобіля. Решітка радіатора - елемент часто не тільки функціональний, але і декоративний. Адже радіатор і двигун повинні мати ефективний обдув, тому цей елемент має дуже велике значення. Деякі автоконцерни вивчають ергономіку і розподіл повітряних потоків в підкапотному просторі настільки ж серйозно, як і загальну аеродинаміку автомобіля. Нахил вітрового скла - дуже яскравий приклад компромісу обтічності, ергономіки та експлуатаційних якостей. Недостатній його нахил створює зайву опір, а надмірний - збільшує запиленість і масу самого скла, в сутінках різко падає оглядовість, потрібно збільшити розміри склоочисника і т. Д. Перехід від скла до боковини повинен здійснюватися плавно.
Але не можна захоплюватися зайвої кривизною скла - це може збільшити спотворення і погіршити видимість. Вплив стійки вітрового скла на аеродинамічний опір дуже сильно залежить від положення і форми вітрового скла, а також від форми передка. Але, працюючи над формою стійки, не можна забувати про захист передніх бокових стекол від попадання дощової води і бруду, здуває з вітрового скла, підтримці прийнятного рівня зовнішнього аеродинамічного шуму і ін. Дах. Збільшення опуклості даху може привести до зменшення коефіцієнта аеродинамічного опору. Але значне збільшення опуклості може конфліктувати із загальним дизайном автомобіля. Крім того, якщо збільшення опуклості супроводжується одночасним збільшенням площі лобового опору, то сила опору повітря зростає. А з іншого боку, якщо спробувати зберегти первісну висоту, то вітрове і заднє скла повинні будуть впроваджуватися в даху, оскільки оглядовість погіршуватися не повинна. Це призведе до подорожчання стекол, зменшення ж сили опору повітря в цьому випадку не настільки значно.
Бічні поверхні. З точки зору аеродинаміки автомобіля бічні поверхні надають невеликий вплив на створення безвихрового потоку. Але округляти їх занадто не можна. Інакше важко буде забиратися в такий автомобіль. Скло повинні по можливості складати єдине ціле з бічною поверхнею і розташовуватися на одній лінії із зовнішнім контуром автомобіля. Будь-які сходи і перемички створюють додаткові перешкоди для проходження повітря, з'являються небажані завихрення. Можна помітити, що ринви, які раніше були присутні практично на будь-якому автомобілі, вже не використовуються. З'явилися інші конструктивні рішення, що не роблять настільки великого впливу на аеродинаміку автомобіля.
Задня частина автомобіля надає, мабуть, найбільший вплив на коефіцієнт обтічності. Пояснюється це просто. У задній частині повітряний потік відривається і утворює завихрення. Задню частину автомобіля практично неможливо зробити такий же обтічної, як дирижабль (довжина в 6 разів більше ширини). Тому над її формою працюють більш ретельно. Один з основних параметрів - кут нахилу задньої частини автомобіля. Уже хрестоматійним став приклад російського автомобіля "Москвич-2141", де саме невдале рішення задньої частини значно погіршило загальну аеродинаміку автомобіля. Але, з іншого боку, заднє скло "москвича" завжди залишалося чистим. Знову компроміс. Саме тому так багато додаткових навісних елементів робиться саме на задню частину автомобіля: антикрила, спойлери і т. Д. Поряд з кутом нахилу задньої частини на коефіцієнт аеродинамічного опору сильно впливає оформлення і форма бічної кромки задньої частини автомобіля. Наприклад, якщо подивитися практично на будь-який сучасний автомобіль зверху, відразу видно, що кузов спереду ширше, ніж ззаду. Це теж аеродинаміка. Днище автомобіля.
Як може здатися спочатку, ця частина кузова не може вплинути на аеродинаміку. Але тут виникає такий аспект, як притискна сила. Від неї залежить стійкість автомобіля і то, наскільки правильно організований потік повітря під днищем автомобіля, залежить в результаті сила його "прилипання" до дороги. Тобто якщо повітря під автомобілем не затримується, а протікає швидко, то виникає там знижений тиск буде притискати автомобіль до дорожнього полотна. Особливо це важливо для звичайних автомобілів. Справа в тому, що у гоночних машин, які змагаються на якісних, рівних покриттях, можна встановити настільки малий кліренс, що почне проявлятися ефект "земної подушки", при якому притискна сила збільшується, а лобове опір зменшується. Для нормальних автомобілів низький дорожній просвіт неприйнятний. Тому конструктори останнім часом намагаються якомога більше згладити днище автомобіля, закрити щитками такі нерівні елементи, як вихлопні труби, важелі підвіски і т. Д. До речі, колісні ніші роблять дуже великий вплив на аеродинаміку автомобіля. Неправильно спроектовані ніші можуть створювати додаткову підйомну силу.
Немає необхідності говорити про те, що від обтічності автомобіля залежить необхідна потужність двигуна, отже, і витрата палива (т. Е. Гаманець). Однак аеродинаміка впливає не тільки на швидкість і економічність. Не останнє місце займають завдання щодо забезпечення гарної курсової стійкості, керованості автомобіля і зниження шумів при його русі. З шумами все ясно: чим краще обтічність автомобіля, якість поверхонь, чим менше величина зазорів і кількість виступаючих елементів і т. П. Тим менше шуми. Конструкторам доводиться думати і про такий аспект, як розвертає. Цей ефект добре відомий більшості водіїв. Хто хоч раз проїжджав на великій швидкості повз "фури" або просто їздив при сильному бічному вітрі, повинен був відчути поява крену або навіть невелике розгортання автомобіля. Немає сенсу пояснювати цей ефект, але це саме проблема аеродинаміки.