Зіткнення з повітрям: аеродинаміка автомобіля
Існує маса різних способів змусити автомобіль їхати швидше - підняти потужність мотора, залити бензин з більш високим октановим числом, включити "овердрайв" на автоматі або, нарешті, навчиться перемикати передачі на механіці в "спортивному" режимі. Хто б міг подумати, що установка якісного аеродинамічного обважування, видалення з кузова всіляких додаткових фар, дзеркал, "мухобойнік", і навіть банальне закриття вікон може надати не менший ефект.
Для початку, давайте розберемося з тим, яким чином діє набігає повітряний потік на автомобіль під час його руху. Всього існують два типи аеродинамічного опору - опір тертя повітря і опір тиску. У загальному випадку, на автомобіль діє в основному сила тертя тиску - саме вона надає левову частку впливу на результуючий коефіцієнт аеродинаміки автомобіля.
Не один супекомпьютер в світі не зможе порахувати вам точний коефіцієнт аеродинаміки автомобіля. Справа в тому, що область в якій виникає цікавить нас опір тиску - це зона відриву потоку, що набігає від площини і наступний за цим відривом вихровий слід. Порахувати опір тиску в такому турбулентному потоці на даний момент неможливо.
Так як аеродинамічний опір не піддається розрахунку, то були зроблені спроби каталогізувати його в залежності від основних параметрів форми. Можна сказати, що ці зусилля до сьогоднішнього дня безуспішні.
Саме тому, що поважають себе виробники змушені проводити дорогі випробування автомобілів в аеродинамічних трубах, причому тільки в натуральну величину. Повітряний потік обтікає автомобіль неминуче стикається з провалами, нерівностями і стиками поверхонь. У тому випадку, якщо слідом за відривом потік знову прилягає до поверхні, в проміжку виникають вихори.
Такі вихори можуть виникати в наступних місцях: на передній кромці капота; збоку на крилах; в зоні, утвореній перетином капота і вітрового скла; на передньому спойлері і, можливо, в зоні зламу при ступінчастою формі задньої частини автомобіля. Вихровий слід за задньою кромкою кузова є основним. Виникає циркуляція повітря в загальному випадку носить двомірний характер, іншими словами, вихори не хаотично "вирують", а рухаються навколо осі паралельної задній кромці автомобіля або перпендикулярно набігаючого потоку.Ніжній вихор обертається в напрямку проти годинникової стрілки; саме він переносить частинки бруду на зворотну сторону автомобіля. Верхній вихор обертається в протилежну сторону, тобто за годинниковою стрілкою.
З цієї причини, задні двері хетчбека або універсала забруднюється набагато більше задньої частини седана або купе - велика рівномірна площа за лінією відриву створює набагато сильніші вихрові потоки, які піднімають бруд з поверхні. Величина вихрових потоків результирует на загальну аеродинаміку автомобіля. Так як набігаючого повітрю доводиться проходити прямо над вихорами, освіченими нижнім шаром, це збільшує силу тертя і, відповідно, коефіцієнт аеродинамічного опору автомобіля.
Англійське слово спойлер можна було б дослівно перевести як "портітель". Будучи встановленим на верхню кромку п'ятої двері, він розділяє потік, що набігає на дві частини - велика частина йде в простір не ініціюючи вихорів, а менша "поднирівает" під спойлер, створюючи мінімальний рівень турбулентності і покращуючи аеродинаміку автомобіля.
Як вже говорилося раніше, в основному, аеродинамічний опір автомобіля - це опір тиску. Чим більше поверхонь автомобіля знаходяться перпендикулярно до напрямку набігаючого повітряного потоку - тим більше коефіцієнт лобового аеродинамічного опору - Cx.
Що роблять виробники автомобілів щоб зменшити Cx? Відповідь напрошується сам собою - вони зменшують поперечний переріз автомобіля настільки, наскільки дозволяють затверджені для конкретного автомобіля розміри і / або покращують його форму. Середньостатистичний коефіцієнт лобового опору для автомобіля дорівнює 0.37-0.34. За відправну точку в розрахунку береться опір тиску для круглої пластини, природно - перпендикулярної потоку, він дорівнює 1 (пізніше з'ясувалося, що через турбулентність потоків за кромкою і, відповідно, виникненням опору тертя він дорівнює 1.2).
Опрацювання аеродинаміки деяких моделей автомобілів настільки висока, що їх Cx може бути набагато менше - наприклад, для нинішньої моделі Audi A8 він становить всього 0.27, а у Lexus LS 460 і зовсім рекордний для серійних чотирьохдверних седанів - 0.26.
Логічно припустити, що аеродинаміка суперкарів ще більш досконала. Однак це не зовсім так. Як наочний приклад можна взяти останній Porsche 911 Turbo серії 997. Його коефіцієнт дорівнює 0.31. Багато? Інженери компанії просто щасливі що їм вдалося добитися таких низьких показників і пишаються етім.Все справа в тому, що на відміну від звичайних автомобілів двигун середньостатистичний суперкара потрібно охолоджувати набагато більшими обсягами повітря. Однак ці обсяги, як це не дивно не беруться з ... да, да його самого. Додаткові кубометри надходять в моторний відсік з великих додаткових радіаторів, які (правильно!) Має велике значення збільшують поперечний переріз автомобіля і як результат - Cx. Той же ефект роблять і широкі крила укупі з величезними шинами і заднє антикрило. У кращих зразків суперкаростроенія коефіцієнт Cx доходить до 0.40-0.42 (!) Саме такі цифри демонструє відомий всім Bugatti Veyron.
Однак, бувають і винятки. Наприклад фахівцям, які працювали над аеродинамікою нового Nissan GT-R вдалося домогтися коефіцієнта 0.27 - і це при тому, що навіть на високій швидкості автомобіль притискається до дороги і передньою і задньою віссю, а інтеркулер турбіни досить охолоджується набігаючим повітряним потоком. Іменнл завдяки оптимізації аеродинаміки, за заявами конструкторів, їм вдалося добитися тих приголомшливих результатів на трасі Нюбургрінг - всесвітньо відомому "бенчамарке" для спортивних машин.
А що дає маленьке поперечний переріз і пророблена форма звичайним автомобілям, що не ставлять рекорди? Відповідь проста і очевидна - паливну економічність. Інженери провідних автомобільних фірм б'ються над створенням рекордно економічних автомобілів, які без праці вписується в посилюються екологічні норми і залучити сотні тисяч покупців не бажають викидати гроші в трубу. Наприклад, розроблений компанією Volkswagen для підкорення "літрового" рубежу витрати на 100 км прототип VW 1-L володіє Cx рівним 0.153. В майбутньому, такі автомобілі отримають широке поширення, а поки можна скористатися більш "народними" методами поліпшення аеродинаміки.
Скористаємося наведеними виші базовими принципами аеродинамічній інженерії. По-перше, можна спробувати зменшити поперечний переріз. Додаткові дзеркала, "мухобойнік", корпусні противотуманки, численні антени, бризковики - прибираємо все це і гарантовано отримуємо зайвий літр на 100 км / шляху при швидкості в 150 км / ч. Не завадить і помірне відкриття вікон, адже забігати в салон на великій швидкості повітряні потоки створюють зайві вихори, на які наштовхуються подальша "порція" потоку.
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.
І знову вітер
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. Ось чому коефіцієнт Cx не єдиний. Адже повітря може впливати на автомобіль не тільки «в лоб», а й під різними кутами і в різних напрямках. І все це впливає на керованість і безпеку. Це лише кілька основних аспектів, що впливають на загальну силу опору повітря. Прорахувати всі параметри неможливо. Існуючі формули не дають повної картини. Тому конструктори досліджують аеродинаміку автомобіля і коректують його форму за допомогою такого дорогого інструменту, як аеродинамічна труба. Західні фірми не шкодують грошей на їх будівництво. Вартість таких дослідницьких центрів може обчислюватися мільйонами доларів. Наприклад: концерн Daimler-Chrysler вклав $ 37,5 млн. У створення спеціалізованого комплексу щодо вдосконалення аеродинаміки своїх автомобілів. В даний час аеродинамічна труба - найбільш значимий інструмент дослідження сил опору повітря, що впливають на автомобіль.