Что такое аэродинамика автомобиля и как это работает?
Рассказываем о том, что такое аэродинамика, как встречные потоки воздуха могут вмешаться в управление автомобилем, и как работают спойлеры.
Спойлеры, сплиттеры, воздухозаборники, обвесы… Это лишь малая часть тех «украшений», которые наводнили наши улицы в нулевых годах. Пожалуй, тогда в России настала «золотая» эпоха народного автомобильного тюнинга, и безумные антикрылья вырастали даже там, где им, кажется, совсем не место. Об их истинном предназначении догадывались единицы, а просчитать и установить аэродинамические элементы так, чтобы они выполняли свою прямую функцию, было под силу лишь самым заумным инженерам сопроматчикам.
Сейчас технологии, позволяющие «просчитать» машину в несколько кликов, стали доступнее. Появилось достаточно точное компьютерное моделирование, а аэродинамические трубы больше не ассоциируются только с космической промышленностью. Первопроходцами в области автомобильных аэродинамических изысканий, как всегда, стали спортивные команды, но очень скоро и производители серийных авто присмотрелись к результатам исследований и переняли опыт просветлённых товарищей. Фигурное прорезание воздуха — целое искусство и речь здесь не только о приятных глазу формах, но и о том, что можно ощутить только в движении.
Оказывается, аэродинамика может повлиять и на шум в машине, и на пресловутый разгон 0-100 км/ч, и даже на расход горючего. Как это работает? Давайте разберёмся вместе.
Коэффициент лобового сопротивления
Оказывается, воздух — субстанция капризная и непредсказуемая. В безветренную погоду о его существовании можно даже забыть, но всё меняется, когда вы начинаете двигаться. Невесомый газ будет превращаться практически в кисель по мере того, как вы будете ускоряться. Автомобиль лицом к лицу сталкивается со встречным потоком, и для того, чтобы понять, насколько эффективно машина преодолевает бесконечную воздушную преграду, придумали достаточно эфемерную, но прижившуюся величину — коэффициент лобового сопротивления. Этот показатель относительный и его нужно с чем-то сравнивать, поэтому господа учёные выбрали «эталон». И это не какая-то хитроумная фигура, а самый обычный цилиндр. Он должен быть такого же диаметра, как и самая широкая часть машины и сопротивление которое он встречает при движении принято считать равным 1. И вот когда сопротивление металлической «колбасы» известно, в такие же условия помещают тестируемый автомобиль. И если машина встречает вдвое меньшее сопротивление воздуха, то коэффициент её лобового сопротивления будет равен 0,5. Но сейчас такой показатель считается практически «провальным». Хотя многие представители «кирпичной» аэродинамики любимы и уважаемы на дорогах. Коэффициент лобового сопротивления брутального Gelandewagen, например, составляет целых 0,54. Для сравнения, самый аэродинамичный на сегодняшний день автомобиль может похвастаться значением 0,189. Это футуристичное творение концерна VAG — Volkswagen XL1.
От чего зависят аэродинамические показатели?
На самом деле, факторов может набраться на пару полноценных книг. Но выделить основные категории все таки можно:
- геометрия передней части;
- геометрия боков;
- геометрия задней части;
- геометрия днища;
- шероховатость поверхностей.
Для того, чтобы машина встречала меньшее сопротивление воздуха, важно, чтобы его потоки обтекали автомобиль максимально плавно. При встрече с препятствием воздушный поток сначала сопротивляется, а потом всё же разделяется. Одна его часть минует преграду сверху, другая — снизу, а третья и четвёртая части — сбоку. Представьте, что воздух вокруг машины — это горизонтальные ниточки с пружинами по всей длине. Когда автомобиль въезжает в это полосатое пространство происходит вот что: сначала нужно заставить преграду расступиться. Чем больше площадь участка который первым встретился с эластичным препятствием, тем большее пружин придётся сжать одновременно для того, чтобы продолжить движение. Когда это случилось, нитки начинают постепенно распределяться по кузову и днищу.
Пружины начинают сжиматься дальше, и за счёт этого нити поднимаются по решётке радиатора пока не доберутся до капота. Там обычно есть вполне себе внушительная ступенька, поэтому пружине надо резко сжаться ещё. Затем настаёт очередь ветрового стекла, которое заставляет витки напрячься ещё больше. Так продолжается до тех пор, пока кузов не начнёт сглаживаться и у пружины не появится место для того, чтобы разжаться до нормального состояния. Если линия крыши постепенно заваливается и перетекает в багажник, воображаемая пружина будет разжиматься постепенно, а не менее воображаемая нить будет спокойно очерчивать контур. А вот если сжатая пружина внезапно потеряет опору, то она сначала резко разожмётся, а потом будет колебаться до тех пор, пока не израсходует всю накопленную энергию. Такие хаотичные движения в момент внезапной потери опоры отлично визуализируют турбулентность. В момент её возникновения образуются потоки так называемого возмущённого воздуха, которые завихряются и, тем самым, создают область пониженного давления. Самый простой пример зоны повышенной турбулентности — конец прицепа фуры. Можно физически ощутить, как туда «затягивает», если проехать мимо. Ещё из курса школьной физики известно, что любой предмет стремиться двигаться туда, где давление меньше. Этим и обусловлен такой неприятный эффект. Но если с соседями по потоку всё понятно, то о собственноручно генерируемом «вакууме» многие забывают. Если воздушный поток внезапно оборвался позади вашей машины, то возникшая турбулентность будет буквально засасывать вас обратно, препятствуя движению вперёд.
А ещё стоит учесть, что современные автомобили по своей геометрии отдалённо напоминают форму крыла самолёта.
Днище вашего автомобиля достаточно плоское, и поэтому турбулентных потоков возникает относительно немного, чего не сказать о верхней части кузова. Это значит, что над крышей давление воздуха меньше, чем под колёсами. От этого автомобиль немного приподнимается над дорогой и чем дорожный просвет больше, тем сильнее этот эффект. Самолёты похожим образом опираются на воздух и генерируют подъёмную силу из разницы давлений. На машине вы, конечно, не взлетите, но о таких шутках воздуха лучше не забывать, особенно когда вы едете быстро.
Как аэродинамика влияет на поведение автомобиля
Аэродинамика начинает работать тогда, когда автомобиль сдвигается с места, но на низких скоростях ощутить это практически невозможно. Но чем быстрее вы будете двигаться, тем большее влияние на машину будет оказывать окружающая среда.
Шум
Чем быстрее вы едете, тем шумнее становится в салоне. И гудят не только покрышки. Ко всем сопутствующим ежедневной езде звукам добавляются ещё и аэродинамические шумы. Всё гудение и кряхтение, раздающееся вокруг — это звук, с которым воздух «срывается» с кузова автомобиля, а потом «бьётся» в стёкла и двери. Чем быстрее вы будете ехать, тем большее количество воздуха будет с шумом «утекать» со стоек, зеркал и других излишне выступающих частей экстерьера, отсюда и нарастающий шум.
Разгон
Неспроста я успела обозвать воздушную массу киселём. Ведь воздух правда всеми силами сопротивляется передвижению в нём. Работает это примерно так: сила сопротивления воздуха увеличивается пропорционально квадрату скорости, а это значит, что, при прочих равных, если вы ускоритесь с 60 до 70 км/ч, сила сопротивления вырастет примерно на 35%, а если разогнаться до 100 км/ч — на 180%. Получается, что чем быстрее вы едете, тем больше машине требуется мощности на преодоление воздушной преграды. Соответственно, на высоких скоростях может значительно вырасти потребление горючего, а разгон при этом серьёзно «просядет», даже если номинальный запас мощности мотора не исчерпан.
Управляемость
На управляемость сильно влияет подъёмная сила, которая возникает под днищем вашей машины. На маленьких скоростях вес автомобиля больше, чем воздействие воздуха снизу, но на скоростях выше городских вы можете почувствовать, что машина начала по-другому управляться и очень уж нервно реагировать, например, на боковые порывы ветра. Это происходит потому, что кузов чуть приподнялся над дорогой, и часть веса машины приняла на себя своеобразную воздушную подушку. Поэтому пятно контакта колёс с дорогой стало чуть меньше, от этого и неприятная нестабильность в управлении. У всех автомобилей эта «критическая» скорость разная. Кто-то «взлетает» на 100 км/ч, а кому-то и скорость 210 не страшна. Это зависит и от геометрии кузова, веса самой машины и от того, что автомобиль может противопоставить подъёмной силе.
Зачем нужны спойлеры
Если уж мы никуда не можем деться от воздуха и его капризов, то стоит попробовать обратить его способности во благо. Так думали автомобилестроители раньше и продолжают думать сейчас. Главными новаторами и идейными вдохновителями как всегда являются спортивные подразделения автомобильных концернов. Там и с формой днища изощряются, и специальные обвесы изготавливают, и выхлопную системы в технике кружев Ришелье изобретают. Но все эти эффективные инновации вместить в одну серийную гражданскую машину не получится — больно уж дорого и сложно. Приходится выбирать самый простой, надёжный и действенный способ скорректировать поведение машины в воздушном потоке. И если лобовое сопротивление и повышенные шумы можно побороть только полной перестройкой кузова, то со «взлётами» бороться можно иначе. Для этого подойдут передние сплиттеры и задние антикрылья (спойлеры). Сплиттер помогает уменьшить дорожный просвет и буквально отсечь часть воздуха, попадающего под машину на скорости. Это помогает снизить подъёмную силу.
Спойлер же сглаживает поток воздуха, срывающийся с крыши и заднего стекла автомобиля. Но помимо «спрямления» потока, правильно подобранное антикрыло преобразует сопротивление воздуха в прижимную силу. Получается, что воздух встречается с поверхностью антикрыла под таким углом, что часть силы сопротивления направлена в сторону дорожного полотна. Благодаря жёсткому креплению спойлера к кузову, задней части автомобиля не остаётся ничего, кроме как прижаться к земле под воздействием потока воздуха. Это помогает сохранить управляемость, а на заднем приводе ещё и помогает реализовать мощность на ведущих колёсах. Кстати, передние антикрылья тоже есть, но только в мире профессионального автоспорта.
Как видите, аэродинамика — вещь сложная. И подружиться с ней бывает непросто, даже имея почти безграничные ресурсы. Ведь даже крошечная ошибка в расчётах может привести к эффекту, который будет строго противоположен ожидаемому. Да, есть талантливые механики, которые могут преобразить автомобиль, приладив буквально пару планочек, но, по большей части, все незаводские навесные элементы скорее облагораживают внешность машины, а не её повадки. Давайте будем честными: все же мы любим глазами, а все атрибуты настоящего спорткара уж точно заставят проводить их обладателя взглядом.
Контакты
Как работает автомобильная аэродинамика?
С какими законами аэродинамики ежедневно приходиться сталкиваться автомобилю
Ни одна машина не пройдет сквозь кирпичную стену, но ежедневно проходит через стены из воздуха у которого тоже есть плотность.
Никто не воспринимает воздух или ветер как стену. На низких скоростях, в безветренную погоду, сложно заметить, как поток воздуха взаимодействует с транспортным средством. Но на высокой скорости, при сильном ветре, сопротивление воздуха (сила, воздействующая на движущийся по воздуху объект – также определяемая как сопротивление) сильно влияет на то, как машина ускоряется, насколько управляема, как расходует топливо.
Здесь в игру вступает наука аэродинамика, изучающая силы, образующиеся в результате движения объектов в воздухе. Современные автомобили разрабатываются с учетом аэродинамики. Автомобиль с хорошей аэродинамикой проходит сквозь стену воздуха как нож по маслу.
За счет низкого сопротивления воздушному потоку, такой автомобиль лучше ускоряется и лучше расходует топливо, так как двигателю не приходится тратить лишние силы на то, чтобы «протолкнуть» машину сквозь воздушную стену.
Чтобы улучшить аэродинамику автомобиля, форму кузова закругляют, чтобы воздушный канал обтекал авто с наименьшим сопротивлением. У спорткаров форма кузова спроектирована так, чтобы направлять поток воздуха преимущественно по нижней части, далее поймете почему. Еще на багажник машины ставят антикрыло или спойлер. Антикрыло прижимает заднюю часть автомобиля предотвращая подъем задних колес, из-за сильного потока воздуха, когда тот движется на большой скорости, что делает машину устойчивей. Не все антикрылья одинаковы и не все применяют по назначению, некоторые служат только элементом автомобильного декора не выполняющей прямую функцию аэродинамики.
Наука аэродинамика
Прежде чем говорить об автомобильной аэродинамике, пройдемся по основам физики.
При движении объекта через атмосферу, он вытесняет окружающий воздух. Объект также подвержен силе притяжения и сопротивлению. Сопротивление генерируется, когда твердый объект движется в жидкой среде — воде или воздуху. Сопротивление увеличивается вместе со скоростью объекта – чем быстрее он перемещается в пространстве, тем большее сопротивление испытывает.
Мы измеряем движение объекта факторами, описанными в законах Ньютона — масса, скорость, вес, внешняя сила, и ускорение.
Сопротивление прямо влияет на ускорение. Ускорение (а) объекта = его вес (W) минус сопротивление (D), деленное на массу (m). Напомним, что вес – это произведение массы тела на ускорение свободного падения. Например, на Луне вес человека изменится из-за отсутствия силы притяжения, но масса останется прежней. Проще говоря:
Когда объект ускоряется, скорость и сопротивление растут до конечной точки, в которой сопротивление становится равным весу – больше объект не ускориться. Давайте представим, что наш объект в уравнении — автомобиль. Когда автомобиль движется все быстрее и быстрее, все больше и больше воздуха сопротивляется его движению, ограничивая машину предельным ускорением при определенной скорости.
Подходим к самому важному числу – коэффициенту аэродинамического сопротивления. Это один из основных факторов, который определяет, как легко объект движется сквозь воздух. Коэффициент лобового сопротивления (Cd) рассчитывается по следующей формуле:
Cd = D / (A * r * V/2)
Где D – это сопротивление, A – площадь, r – плотность, V – скорость.
Коэффициент аэродинамического сопротивления в автомобиле
Разобрались в том, что коэффициент лобового сопротивления (Cd) это величина, которая измеряет силу сопротивления воздуха, примененную к объекту, например, к автомобилю. Теперь представьте, что сила воздуха давит на автомобиль по мере его передвижения по дороге. На скорости в 110 км/ч на него воздействует сила в четыре раза большая, чем на скорости в 55 км/ч.
Аэродинамические способности автомобиля измеряются коэффициентом аэродинамического сопротивления. Чем меньше показатель Cd, тем лучше аэродинамика автомобиля, и тем легче он пройдет сквозь стену воздуха, которая давит на него с разных сторон.
Рассмотрим показатели Cd. Помните угловатые квадратные Volvo из 1970-х, 80-х годов? У старого седана Volvo 960 коэффициент лобового сопротивления 0.36. У новых Volvo кузова плавные и гладкие, благодаря этому коэффициент седана S80 достигает 0.28. Более плавные и обтекаемые формы показывают лучшую аэродинамику, чем угловатые и квадратные.
Причины, по которым аэродинамика любит гладкие формы
Вспомним самую аэродинамическую вещь в природе – слезу. Слеза круглая и гладкая со всех сторон, а в верхней части сужается. Когда слеза капает вниз, воздух легко и плавно ее обтекает. Также с автомобилями – по гладкой, округлой поверхности воздух течет свободно, сокращая сопротивление воздуха движению объекта.
Сегодня у большинства моделей средний коэффициент сопротивления 0.30. У внедорожников коэффициент лобового сопротивления от 0.30 до 0.40 и более. Причина высокого коэффициента в габаритах. Ленд Крузеры и Гелендвагены вмещают больше пассажиров, у них больше грузового места, большие радиаторные решетки, чтобы охладить двигатель, отсюда и квадратно-подобный дизайн. У пикапов, дизайн которых целенаправленно квадратный Cd больше, чем 0.40.
Дизайн кузова Toyota Prius спорный, но у машины показательно аэродинамическая форма. Коэффициент лобового сопротивления Toyota Prius 0.24, поэтому показатель расхода топлива у машины низкий не только из-за гибридной силовой установки. Запомните, каждые минус 0,01 в коэффициенте сокращают расход топлива на 0,1 л на 100 км пути.
Модели с плохим показателем аэродинамического сопротивления:
Lada 4×4 / ВАЗ-21213 «Нива»
Jeep Wrangler (поколение TJ)
УАЗ «Хантер» / УАЗ-469
Модели с хорошим показателем аэродинамического сопротивления:
BMW 3-й серии (E90), BMW i8, Jaguar XE, Lexus LS, Mazda 3, Mercedes B-класса, Mercedes C-класса Coupe, Mercedes E-класса, Infiniti Q50, Nissan GT-R
Alfa Romeo Giulia, Honda Insight, Audi A2, Peugeot 508
Tesla Model S, Tesla Model X, Hyundai Sonata Hybrid, Mercedes C-класса, Toyota Prius
Audi A4, Mercedes CLA, Mercedes S 300 h
General Motors EV1
Методы улучшения аэродинамики известны давно, но потребовалось много времени, чтобы автопроизводители начали пользоваться ими при создании новых транспортных средств.
У моделей первых появившихся автомобилей нет ничего общего с понятием аэродинамики. Взгляните на Модель T компании Ford – машина больше похожа на лошадиную повозку без лошади – победитель в конкурсе квадратного дизайна. Правду сказать, большинство моделей — первопроходцев и не нуждались в аэродинамическом дизайне, так как ездили медленно, с такой скоростью нечему было сопротивляться. Однако гоночные машины начала 1900-х годов начали понемногу сужаться, чтобы за счет аэродинамики побеждать в соревнованиях.
В 1921 году немецкий изобретатель Эдмунд Румплер создал Rumpler-Tropfen Auto, что в переводе с немецкого означает «автомобиль — слеза». Созданный по образу самой аэродинамической формы в природе, формы слезы, у этой модели коэффициент лобового сопротивления был 0.27. Дизайн Rumpler-Tropfenauto так и не нашел признания. Румплер успел создать только 100 единиц Rumpler-Tropfenauto.
В Америке скачок в аэродинамическом дизайне совершили в 1930 году, когда вышла модель Chrysler Airflow. Вдохновленные полетом птиц, инженеры сделали Airflow с учетом аэродинамики. Для улучшения управляемости вес машины равномерно распределили между передней и задней осями — 50/50. Уставшее от Великой депрессии общество так и не приняло нетрадиционную внешность Chrysler Airflow. Модель посчитали провальной, хотя обтекаемый дизайн Chrysler Airflow был далеко впереди своего времени.
В 1950-х и 60-х годах произошли самые большие достижения в области автомобильной аэродинамики, которые пришли из гоночного мира. Инженеры начали экспериментировать с разными формами кузова, зная, что обтекаемая форма ускорит автомобили. Так родилась форма гоночного болида, сохранившаяся по сей день. Передние и задние спойлеры, носы в форме лопаты, и аэрокомплекты служили одной цели, направить поток воздуха через крышу и создать необходимую прижимную силу на передние и задние колеса.
Успеху экспериментов поспособствовала аэродинамическая труба. В следующей части нашей статьи расскажем зачем она нужна и почему важна в проектировании дизайна автомобиля.
Измерение сопротивления в аэродинамической трубе
Для измерения аэродинамической эффективности автомобиля, инженеры позаимствовали инструмент из авиационной промышленности – аэродинамическую трубу.
Аэродинамическая труба — это туннель с мощными вентиляторами, которые создают воздушный поток над объектом, находящимся внутри. Автомобиль, самолет, или что-то еще, чье сопротивление воздуху измеряют инженеры. Из помещения за туннелем, научные сотрудники наблюдают за тем, как воздух взаимодействует с объектом и как ведут себя воздушные потоки на разных поверхностях.
Автомобиль или самолет внутри аэродинамической трубы не двигается, но для имитации реальных условий вентиляторы подают поток воздуха с разной скоростью. Иногда реальные авто даже не загоняют в трубу – дизайнеры часто полагаются на точные модели, создаваемые из глины или другого сырья. Ветер обдувает автомобиль в аэродинамической трубе, а компьютеры рассчитывают коэффициент аэродинамического сопротивления.
Аэродинамические трубы используют еще с конца 1800-х годов, когда пытались создать самолет и измеряли в трубах воздействие воздушного потока. Даже у братьев Райт была такая труба. После Второй мировой войны, инженеры гоночных автомобилей, в поисках преимущества над конкурентами, стали применять аэродинамические трубы для оценки эффективности аэродинамических элементов разрабатываемых моделей. Позже эта технология проложила себе путь в мир пассажирских авто и грузовиков.
За последние 10 лет, большие аэродинамические трубы стоимостью в несколько миллионов долларов США применяют все реже и реже. Компьютерное моделирование понемногу вытесняет этот способ тестирования аэродинамики автомобиля (подробнее здесь). Аэродинамические трубы запускают только, чтобы убедиться, что в компьютерном моделировании нет никаких просчетов.
В аэродинамике больше понятий, чем одно только сопротивление воздуха – есть еще факторы подъемной и прижимной силы. Подъемная сила (или лифт) – это сила, работающая против веса объекта, поднимающая и удерживающая объект в воздухе. Прижимная сила противоположность лифта – это сила, которая прижимает объект к земле.
Тот, кто думает, что коэффициент аэродинамического сопротивления гоночных автомобилей Формулы 1, развивающих 320 км/ч, низкий, заблуждается. У типичного гоночного болида Формулы 1 коэффициент аэродинамического сопротивления около 0.70.
Причина завышенного коэффициента сопротивления воздуху гоночных болидов Формулы 1 в том, что эти машины спроектированы так, чтобы создавать как можно больше прижимной силы. С той скоростью, с которой болиды передвигаются, с их чрезвычайно легким весом, они начинают испытывать лифт на больших скоростях – физика заставляет их подниматься в воздух как самолет. Автомобили не созданы, чтобы летать (хотя статья Transition Terrafugia – летающий автомобиль-трансформер утверждает обратное), и если транспортное средство начинает подниматься в воздух, то ожидать можно только одного – разрушительной аварии. Поэтому, прижимная сила должна быть максимальной, чтобы удержать автомобиль на земле при высоких скоростях, а значит коэффициент аэродинамического сопротивления должен быть большим.
Высокой прижимной силы болиды Формулы 1 добиваются при помощи крыльев или спойлеров на передней и задней частях транспортного средства. Эти крылья направляют потоки воздуха так, что прижимают автомобиль к земле – та самая прижимная сила. Теперь можно спокойно увеличивать скорость и не терять ее на поворотах. При этом, прижимная сила должна быть тщательно сбалансирована с лифтом, чтобы автомобиль набирал нужную прямолинейную скорость.
Многие серийные автомобили имеют аэродинамические дополнения для создания прижимной силы. Суперкар Nissan GT-R пресса критиковала за внешность. Спорный дизайн. А все потому, что весь кузов GT-R спроектирован так, чтобы направить поток воздуха над автомобилем и обратно через овальный задний спойлер, создавая большую прижимную силу. О красоте машины никто не подумал.
Вне трассы Формулы 1, антикрылья часто встречаются на серийных автомобилях, например, на седанах компаний Toyota и Honda. Иногда эти элементы дизайна добавляют немного устойчивости на высоких скоростях. Например, на первом Audi TT изначально не было спойлера, но компании Audi пришлось его добавить, когда выяснилось, что округлые формы TT и легкий вес, создавали слишком много подъемной силы, что делало машину неустойчивой на скорости выше 150 км/ч.
Но если машина не Audi TT, не спортивный болид, не спорткар, а обычный семейный седан или хетчбек, установка спойлера не к чему. Управляемости на таком автомобиле спойлер не улучшит, так как у «семейника» итак высокая прижимная сила из-за высокого Cx, а скорости выше 180 на нем не выжмешь. Спойлер на обычном авто может стать причиной избыточной поворачиваемости или наоборот, нежелания входить в повороты. Однако если вам тоже кажется, что гигантский спойлер Honda Civic стоит на своем месте, не позволяйте никому переубедить вас в этом.
Источник https://somanyhorses.ru/chto-takoe-aerodinamika-avtomobilya-i-kak-eto-rabotaet
Источник https://zap-online.ru/info/avtonovosti/kak-rabotaet-avtomobilnaya-aerodinamika