Az aerodinamika a levegő és más gázok mozgásának vizsgálata a folyadékmechanikán belül, és hogyan hatnak egymással a mozgásban lévő testekkel. De a szóban forgó területen, az autóiparban az érdekes dolog az aerodinamikai ellenállásról beszélni. Aerodinamikai ellenállás ez egy olyan erő, amely ellentétes bármely, a levegőben mozgó tárgy (például autó) mozgásával. Ma elhozzuk magyarázat és egyszerű képlet ez segít sokkal jobban megérteni, hogy pontosan hogyan működik ez az erő, oly sokszor említették és ritkán értették meg. Ha jól érted ezt az egyszerű magyarázatot, egy kis idő múlva akkor több elképzelésed lesz az aerodinamikai ellenállásról, mint a világ népességének 99,9% -a. Igért.
Mi az aerodinamika: videó magyarázat
Mi és mi okozza az aerodinamikai ellenállást?
Középpontban az adott úton haladó autó konkrét esete, Az aerodinamikai ellenállást az okozza, hogy elölről át kell mozgatni a nagy légmennyiséget, és az autó mögé kell helyezni. Amikor egy autó előrelép, jelentős nyomáskülönbség van az autó eleje, ahol a levegőnek ütközünk, és a kocsi hátulja között, ahol olyan szívóhatás jön létre, amely annál erősebb, minél gyorsabban haladunk.
Az aerodinamikai húzási képlet: a működésének megértése
Senki ne ijedjen meg, amikor a képletet látja, mert nagyon könnyű és 4 tényezőből áll, amelyek megsokszorozódnak, semmi több. Ezeket a tényezőket nagyon könnyű megérteni, amint azt az alábbiakban láthatjuk, és együttesen megadják nekünk azt az alapvető autókultúrát, hogy megbeszélhessük az előttük állóval az aerodinamikát, vagy legalábbis ne mondjuk az atrocitásokat, ami nem kevés .
Aerodinamikai ellenállás (R) = ½ d S Cx v 2
* d = Légsűrűség
* S = Elülső felület
* Cx = Aerodinamikai ellenállás együtthatója
* v 2 = A sebesség négyzete (a levegő, nem a föld vonatkozásában mérve)
Figyelembe véve, hogy a levegő sűrűsége (d, amelyet kg/m3-ben mérünk) többé-kevésbé állandó, és nem tudjuk ellenőrizni, csak jól meg kell értenünk az egyenlet utolsó három tagját és valódi repedések leszünk az aerodinamikai ellenállásban.
Elülső felület
Elülső felület (S) az autó által elfoglalt terület elölről nézve és m 2 -ben mérik . Így megérthetjük, hogy egy magas és széles, nagy tükrökkel és gumikkal ellátott autó nagyobb ellenállást kínál, mint egy alacsony, keskeny, kicsi tükrökkel és vékony gumikkal ellátott autó. Kettős elülső felülete kettős ellenállást jelent (Ha az összes többi tényező egyenlő), ezért egy SUV többet fogyaszt és kevesebbet fut, mint egy kompakt, még akkor is, ha ugyanaz a motorja van, még akkor is, ha hasonló alakúak, és bár egyforma lehet a súlya: a SUV-nak többet kell mozognia levegő áthalad a levegőből.
Az elülső felület akkora, mint a légfront, amelynek mozognia kell, hogy az autó elhaladjon. Minél kevesebb, annál jobb. Az autó elülső felülete általában 2 m 2 és 2,5 m 2 között van és ebben figyelembe kell venni mindazt, ami közvetlenül a levegő felé néz: az első, a szélvédő, a tükrök, a gumiabroncsok része, amely a test alól jön ki. ha hozzáadunk egy tetőcsomagtartót vagy egy dobozt a tetőn, növeljük az elülső felületet (és annak aerodinamikai ellenállási együtthatóját is, amelyet alább láthatunk).
Érdekes részlet, hogy ez a maximális szakasz síkja (az a sík, amellyel kivághatjuk az autó legnagyobb "szeletét") szintén az a sík, amelytől kezdve a légáramlás elválik a testtől, és a nyomás csökken. Ez a sík lenne a határ a levegőt, amely fékezi az autót "elöl tolja", és a levegőt, amely fékezi az autót "hátulról húzza".
Cx aerodinamikai ellenállási együttható
A Cx együttható dimenzió nélküli, nincs egysége, és a jármű szél ellenállását reprezentálja egy olyan elméleti tárgy vontatásához képest, amely képes megállítani az elülső levegőt (valami falhoz hasonló), amelynek együtthatója = 1. A a Cx = 0 elméleti érték az ellenállás teljes hiányát jelentené, és e két véglet között minden autó (amelyek mögött nincs nyitott ejtőernyő).
A Cx aerodinamikai ellenállás együtthatójaaz "x" -t hordozza, mert vannak Cy és Cz is, melyek lennének az oldalirányú és a függőleges aerodinamikai ellenállás együtthatói, de ebben az esetben az X tengely irányába eső együtthatóra leszünk kíváncsiak, amely az autó mozgásiránya, annak hossztengelye.
A húzási együttható ötletének alkalmazása valódi autókra, a "doboz" forma, amely a belső tér szempontjából a leghatékonyabb, aerodinamikai ellenállása lenne a leghatékonyabb.
Tehát, a tervezőknek kompromisszumra kell jutniuk mindkét tényező között, mennyire akarnak beilleszkedni egy autóba vs. mekkora ellenállást hajlandók vállalni. Ezért a kisteherautók és teherautók inkább dobozokhoz hasonlítanak (elsőbbséget élveznek a térben, nem mennek túl gyorsan), a sportautók pedig nagyon alacsonyak és élesek (elsőbbséget élveznek az aerodinamikának, valamint az alacsonyabb súlypontnak), bár nem sok minden illik belül.
Érdekes részlet ez az autó hátulja fontosabb, mint az eleje. A jármű alakjának célja, hogy a levegő elölről mozogjon, és hátul a lehető leggyorsabban és folyékonyabban átrendeződjön, az ún. a "lamináris áramlás".
Lamináris áramlás esetén az autó körüli különböző rétegek vagy "lepedők" különböző sebességet kapnak, amikor körülveszik.. Az autó felszínéhez legközelebb eső rétegeket az autó jobban "meghúzza", mint a távolabbi, mint ahogy egy folyómederben a partok mentén lefolyó víz lassabban megy le, mint a központi csatornában. Ha a lamináris áramlás fenntartva van, és a levegő szépen csúszik, az autó kevés ellenállást kínál.
Ha a levegő elrendezése lepedőkben megtörik, és ezek a rétegek összekeverednek, a lamináris áramlástól a "turbulens áramlásig" mennénk és az uralkodó rend helyett káosz uralkodott, általában a kocsi hátuljában. A turbulencia a helyes aerodinamika legrosszabb ellensége, ezért szűkítik az autókat és a tetőket leeresztik az autó vége felé, hogy megkönnyítsék ezt a rendezett lamináris áramlást és gyorsan kitöltsék a levegőt az autó mögött.
Ez az oka annak, hogy az első ülések magasságmérése mindig laza (kb. Egybeesik a maximális elülső felület és a maximális magasság síkjában), de a hátsó üléseken nem nehéz a tetőt megérinteni a fejével, különösen a sportmodellekben. Nem azért, mert a gyerekek utaztak, vagy ilyesmi, hanem azért, mert a hátsó ülések magasságában az autó már a lehető legalacsonyabbra van állítva, hogy a levegőt könnyen a hátsó részébe juttassa.
A sebesség négyzetben: az igazi kulcsa mindennek
A képlet utolsó tényezője v 2, a légsebesség négyzete. Tekintettel egy autó alakjára és méretére, az aerodinamikai ellenállás nem a sebességgel, hanem a sebesség négyzetével növekszik. Ezt nevezik exponenciális növekedésnek, és ebben az esetben ezt jelenti kis sebességnövekedés az ellenállás nagymértékű növekedéséhez vezet.
Ennek egyik módja az, hogy kétszeres sebességgel két hatás van: a levegő elöl kétszer olyan erősen üt, és időegységenként kétszer akkora tömeget is üt. Mindkét effektus verem, tehát v 2 .
Ez az exponenciális növekedés magyarázza miért fogyasztja sokkal többet az autója 120 km/h sebességgel, mint 100 km/h sebességgel. A sebesség növekedése 20%, de az aerodinamikai ellenállás 44% -kal nő (és a szükséges teljesítmény 73% -kal, amint alább részletesen látni fogjuk). Bizonyos sebességtől, minden egyes további növekedés nagyon drága a leküzdés ellenállásában, az alkalmazási erőben és ezért a fogyasztásban. Nem szabad elfelejteni.
Az aerodinamikai ellenállás, sebesség és teljesítmény kapcsolata
Eljutottam a számomra legérdekesebb részhez, és ahhoz, amely a legjobban megért bennünket az autókról és az autókra alkalmazott fizikáról: az aerodinamikai ellenállás és a gyorsabb haladáshoz szükséges teljesítmény kapcsolata. Ez a kapcsolat nem olyan, mint amilyennek első pillantásra tűnik, amint azt alább láthatjuk.
Ellentétben azzal, amit intuíciónk jelezhet, mindig hajlamosak vagyunk egy "lineáris" világot látni, az aerodinamikai ellenállás leküzdéséhez szükséges teljesítmény arányos a sebesség kockájával (v 3). Ennek az az oka, hogy ha megduplázzuk a sebességet, az ellenállást meg kell szorozni x4-rel (előző szakasz), és az ellenállási erőt a távolság kétszeresére kell alkalmazni minden időegységre: A 2x sebesség 8x teljesítményt jelent!. Ha még nem értette ezt az érvelést, nem számít, nézze meg a képletet:
Teljesítmény = R v = ½ d S Cx v 3
Ugyanez a képlet az aerodinamikai ellenálláshoz, szorozva a sebességgel. A képlet teljesítményegysége az lenne Watts, ha a nemzetközi rendszer egységeit vesszük: a légsűrűség kg/m 3 -ben, az elülső felület m 2 -ben és a sebesség m/s-ban.
Konkrét példát fogunk mutatni arra a teljesítményre, amelyre szükség van ahhoz, hogy egy valódi autó bizonyos sebességet elérjen csak az aerodinamikai ellenállást veszi figyelembe. Elhanyagoljuk a gördülési ellenállás, a kinematikus lánc belső súrlódásának leküzdéséhez szükséges kiegészítő energiát, az autó bármely más rendszerének energiához való ellátását és a motor hűtését, és ez utóbbi nagyon fontos a nagy teljesítményű motorok számára teljes mértékben teljesítmény (1).
Példa: Porsche 911 (992) Carrera S (2019)
d = 1225 kg/m3 (légsűrűség)
S = 2,07 m 2 (elülső felület)
Cx = 0,29 (aerodinamikai ellenállási együttható)
| 50 km/h sebességgel | 71 N (7 kg) | 1,4 LE |
| 100 km/h | 284 N (29 kg) | 11 LE |
| 200 km/h | 1 135 N (115 kg) | 86 LE |
| 300 km/h | 2553 N (260 kg) | 290 LE |
| 400 km/h | 4539 N (463 kg) | 685 LE |
A táblázatban feltüntetett hatáskörök csak a levegő mozgatásához szükségesek szükséges ahhoz, hogy a Porsche 911 Carrera S minden sebességgel keringjen. Csak a levegő. Az aerodinamikai ellenállás kis sebességnél nagyon kicsi, de ha exponenciális növekedésen megy keresztül, akkor gyorsan nagyon fontossá válik.
Az aerodinamikai húzás oszlopának értelmezéséhez, amely erő és Newtonban mérhető, "fordítást" készíthetünk egy ismertebb egységbe, amely lehetővé teszi számunkra, hogy jobban megértsük. Referenciaként vesszük az ellenállást 200 km/h sebességnél (1 135 N) ez az erő megegyezik egy 115 kg-os tárgy tömegével (2), ez az erő vonja vissza az autót. 300 km/h sebességnél erőről beszélünk (2 533 N) 260 kg tömegnek felel meg és 400 km/h sebességgel (4539 É) 463 kg tömegű. jó fék.
A sebességhez szükséges teljesítménynek ez a köbös növekedése azt is megmagyarázza, miért tűnik számunkra mindig a váltó utolsó sebességfokozata, mindig azt az érzetet kelti, hogy ha be tudna tenni még egy sebességfokozatot, az autó gyorsabban járna. Ez az érzés hamis, és a legnormálisabb dolog az, hogy az autó nem tudta mozgatni ezt a további fejlődést.
Azt is megmagyarázzák 120 lóerős autóval elérhetjük a 200 km/h-t és mégis a 400 km/h eléréséhez több mint 1000 LE szükséges (kérdezze meg Bugattit), bár a sebesség csak megduplázódik.
Emelőerő és leszorító erő
A levegő autóra gyakorolt hatása nemcsak az előrelépésnek ellentétes. Az autó alatt áthaladó levegő ezt egyenes vonalban, keskeny csatornán keresztül teszi korlátozott az autó feneke és az aszfalt között, míg az autó felett áthaladó levegő szabadon mozog és sokkal hosszabb utat halad. Ez a fel-le aszimmetria nyomáskülönbséget eredményez: az autó alatt nagy a nyomás, az autó felett pedig kisebb a nyomás, generáló a emel mint amilyet repülőgépek használnak repüléshez.
Ez azt jelenti az autók hajlamosak felemelkedni a földről, annál gyorsabban vezetnek. Ez az angol "lift" kifejezésnek nevezett hatás nagyon kicsi az autó tömegéhez képest (ezért nem repülnek az autók), de befolyásolhatja az autó viselkedését nagy sebességgel.
Ennek a hatásnak a semlegesítése érdekében felszerelhetjük az autót különféle bemutató elemekkel leszorítóerő, negatív emelőerő, amely lenyomja az autót, hogy ellensúlyozza emelkedési hajlandóságát. A leggyakoribb és legkönnyebben érthető elem az lenne spoiler a kocsi hátulján, amely alapvetően egy fordított szárny, amely a mozgó levegővel érintkezve nyomja le.
Az emelőerő csillapításának másik módja az amennyire csak lehetséges, ragassza az autót a földre, hogy az alatta keringő levegő lap minimális legyen. Ez nagyon jól látható a pályán versenyző autóknál, ahol az aszfalt gyakorlatilag tökéletes és a határig leereszthető, de ez az oka annak is, hogy néhány aktív felfüggesztésű autó nagy sebességgel néhány milliméterrel süllyed. Ez a magasságcsökkenés hozzájárul az elülső felület csökkentéséhez is, mivel a gumiabroncsok kisebb felületét hagyja szélnek kitéve.
Az aerodinamikai ellenállás csökkentése és az emelőerő csillapítása érdekében, egyre több autó hordozza a háttérképet. Az ezt a részt vezető fényképen egy 1984-es Audi Quattro A2 "lapos" hátterét láthatjuk fekete és krém színben, amelynek megjelenése gondos aerodinamikai munkára gondolna, bár valójában a kavics védőlapjairól van szó., kövek és még sziklák is, amelyek minden szakaszon az autó alsó oldalához csapódtak, az aerodinamika javításának legkisebb szándéka nélkül.
Az utolsó ábrán azt látjuk az Audi e-tron lapos feneke kék, amelyben az aerodinamikai munka kimerítő volt.
A leszorítóerő messze meghaladhatja az emelőerő kompenzálását, úgy ragaszkodva a földhöz, mintha sokkal többet nyomna, de anélkül, hogy növelné a tömegét, ami nagyban kedvez a kanyarsebességnek. A sorozatgyártású autókban szokatlan, hogy a leszorító erő meghaladja a néhány tíz kilót, de például egy Forma-1-es sokkal nagyobb leszorítóerőt képes előállítani, mint a saját súlya, és ezért mondják, hogy bizonyos sebességgel képesek lennének az alagút tetején átfordítva keringenek, leesés nélkül.
Mi az aerodinamika: videó magyarázat
Pontosítás
(1) A Bugatti Chiron, kb. 1500 LE, teljes teljesítmény mellett több mint 3000 LE hőelvezetést generál (motorjának teljes hőteljesítménye alig 30% körüli). Ennek a hőnek a legnagyobb része a kipufogórendszerből származik, de még mindig van benne 10 radiátor és 49 liter hűtőfolyadék (37 liter a magas hőmérsékletű körben és további 12 liter az alacsony hőmérsékletű körben) folyadék, amelyet szédületesen kell pumpálni sebességet, hogy a motor ne olvadjon meg. Ez a hűtés önmagában is sok energiát igényel a működéséhez.
(2) A kilogramm tömegegység, nem erő, és helytelen kg-ban súlyról beszélni. Egy tárgy súlyát Newton-ban (N) mérik, de a föld felszínén a tömeg és a tömeg közötti ekvivalencia olyan állandó, hogy mindkét fogalmat általában összekeverik a köznyelvben. 1 kg-os tömeget körülbelül 9,81 N-os erővel (tömeg) vonzanak a tengerszintre, és ez a tömeg észrevehetetlenül változik a magasságtól.