Jak funguje aerodynamika

Vozidla s aerodynamickým designem mají tendenci být stabilnější při vyšších rychlostech. Prohlédněte si další obrázky sportovních aut. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Je nepříjemné přemýšlet, ale představte si, co by se stalo, kdybyste řídili auto do cihlové zdi rychlostí 104,6 km / h. Metal se krouží a roztrhá. Sklo by se rozbilo. Airbagy by vyrazily, aby vás ochránily. Ale i se všemi pokroky v bezpečnosti, které máme na našich moderních automobilech, by to pravděpodobně byla těžká nehoda, odkud se dá odejít. Auto prostě není navrženo tak, aby prošlo cihlovou zdí.

Existuje však i jiný typ „stěny“, do které jsou automobily navrženy tak, aby se pohybovaly a byly již dlouhou dobu - vzduchová zeď, která tlačí proti vozidlu při vysokých rychlostech.

Většina z nás nemyslí vzduch nebo vítr jako zeď. Při nízkých rychlostech a ve dnech, kdy není venku příliš větrno, je těžké si všimnout, jak vzduch ovlivňuje naše vozidla. Ale při vysokých rychlostech a za mimořádně větrných dnů, odpor vzduchu (síly působily na pohybující se objekt vzduchem - také definované jako táhnout) má obrovský vliv na to, jak auto zrychluje, zpracovává a dosahuje ujetých kilometrů.

Zde přichází do hry věda o aerodynamice. Aerodynamika je studium sil a výsledného pohybu objektů vzduchem [zdroj: NASA]. Již několik desetiletí jsou automobily konstruovány s ohledem na aerodynamiku a výrobci automobilů přicházejí s řadou inovací, které usnadňují proříznutí této „stěny“ vzduchu a menší dopad na každodenní řízení..

-V zásadě má automobil navržený s ohledem na proudění vzduchu menší obtíže při zrychlení a může dosáhnout lepších čísel spotřeby paliva, protože motor nemusí pracovat tak tvrdě, aby mohl tlačit auto stěnou vzduchu.

Inženýři vyvinuli několik způsobů, jak toho dosáhnout. Například, více zaoblené designy a tvary na vnější straně vozidla jsou vytvořeny tak, aby směřovaly vzduch tak, aby teče kolem automobilu s co možná nejmenším odporem. Některé vysoce výkonné automobily mají dokonce díly, které se pohybují hladce vzduchem po spodní straně vozu. Mnoho také zahrnuje rušič vztlaku -- také známý jako zadní křídlo -- aby vzduch nezvedal kola automobilu a nestál je při vysokých rychlostech. Ačkoli, jak budete číst později, většina spoilerů, které vidíte na autech, je pouze pro dekoraci víc než cokoli jiného.

V tomto článku se podíváme na fyziku aerodynamiky a odporu vzduchu, historii toho, jak byly automobily navrženy s ohledem na tyto faktory, a jak je s trendem směrem k „zelenějším“ automobilům dnes aerodynamika důležitější než kdykoli předtím.

Obsah

1. Věda o aerodynamice
2. Koeficient tažení
3. Historie designu aerodynamického automobilu
4. Měření tažení pomocí větrných tunelů
5. Aerodynamické doplňky

Než se podíváme na to, jak je aerodynamika aplikována na automobily, zde je malý obnovovací kurz fyziky, abyste pochopili základní myšlenku.

Jak se objekt pohybuje atmosférou, vytlačuje vzduch, který jej obklopuje. Objekt je také vystaven gravitaci a tažení. Táhnout se vytváří, když se pevný předmět pohybuje tekutým médiem, jako je voda nebo vzduch. Tažení se zvyšuje s rychlostí - čím rychleji se objekt pohybuje, tím více tažení zažívá.

Měříme pohyb objektu pomocí faktorů popsaných v Newtonových zákonech. Patří mezi ně hmotnost, rychlost, hmotnost, vnější síla a zrychlení.

Přetažení má přímý vliv na zrychlení. Zrychlení (a) objektu je jeho hmotnost (W) mínus odpor (D) dělená hmotností (m). Pamatujte, že hmotnost je hmota objektu krát gravitační síla, která na ni působí. Vaše hmotnost se na Měsíci změní kvůli menší gravitaci, ale vaše hmotnost zůstává stejná. Jednoduše řečeno:

a = (W - D) / m

(zdroj: NASA)

Jak objekt zrychluje, jeho rychlost a táhnout se zvětšit, nakonec k bodu kde táhnout se se rovná hmotnosti - v tomto případě žádné další zrychlení nemůže nastat. Řekněme, že náš objekt v této rovnici je auto. To znamená, že jak auto jede rychleji a rychleji, stále více vzduchu tlačí proti němu, což omezuje, o kolik více ho může zrychlit a omezit na určitou rychlost.

Jak to všechno platí pro design auta? Je to užitečné pro zjištění důležitého čísla - koeficientu odporu. Toto je jeden z primárních faktorů, které určují, jak snadno se objekt pohybuje vzduchem. Koeficient tažení (Cd) je roven tažení (D), děleno množstvím hustoty (r), krát polovinou rychlosti (V) na druhou a plochou (A). Aby to bylo čitelnější:

Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)

[zdroj: NASA]

Realisticky tedy, jak velký koeficient odporu má konstruktér automobilů v úmyslu vytvořit, když dělá auto s aerodynamickým záměrem? Zjistěte více na následující stránce.

Jedinečný tvar Toyota Prius je jedním z faktorů, které mu pomáhají dosáhnout neuvěřitelné úspory paliva. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Právě jsme se dozvěděli, že koeficient odporu vzduchu (Cd) je číslo, které měří sílu odporu vzduchu na předmětu, jako je například auto. Nyní si představte sílu vzduchu tlačícího proti autu, když se pohybuje po silnici. Při rychlosti 70 km / h (112,7 km / h) působí proti vozidlu čtyřikrát více síly než při rychlosti 35 km / h (56,3 km / h) [zdroj: Elliott-Sink].

Aerodynamické schopnosti automobilu se měří pomocí koeficientu odporu vozidla. V podstatě platí, že čím nižší je Cd, tím aerodynamičtější je auto a tím snazší je pohybovat se vzduchovou stěnou tlačící proti němu.

Pojďme se podívat na několik Cd čísel. Vzpomínáte na staré vozy Volvo z 70. a 80. let? Starý sedan Volvo 960 dosahuje Cd 0,36. Novější Volvos jsou mnohem elegantnější a křivější a sedan S80 dosahuje Cd 0,28 [zdroj: Elliott-Sink]. To dokazuje něco, co jste už možná mohli uhodnout - plynulejší a efektivnější tvary jsou aerodynamičtější než tvary boxy. Proč je to přesně tak?

Podívejme se na nejaerodynamičtější věc v přírodě - slzu. Slza je ze všech stran hladká a kulatá a nahoře se zužuje. Vzduch kolem něj hladce proudí, když padá na zem. Stejné je to u automobilů - hladké zaoblené povrchy umožňují vzduchu proudit v proudu přes vozidlo, čímž se snižuje „tlačení“ vzduchu proti karoserii.

Dnes, většina aut dosáhne Cd asi 0,30. SUV, které mají tendenci být více boxy než auta, protože jsou větší, pojmou více lidí a často potřebují větší mřížky, aby pomohly ochladit motor, mají Cd kdekoli od 0,30 do 0,40 nebo více. Pick-upy - záměrně boxy design - obvykle obejdou 0,40 [zdroj: Siuru].

Mnoho zpochybnilo „jedinečný“ vzhled hybridního vozu Toyota Prius, ale má z dobrého důvodu extrémně aerodynamický tvar. Kromě dalších efektivních charakteristik jeho Cd 0,26 pomáhá dosáhnout velmi vysokého počtu najetých kilometrů. Ve skutečnosti může snížení Cd automobilu pouze o 0,01 vést ke zvýšení spotřeby paliva o 0,2 mil na galon (0,9 km na litr) [zdroj: Siuru].

Na další stránce prozkoumáme historii aerodynamického designu.

Tyto starožitnosti ukazují, jak málo bylo o aerodynamice vozidel známo na začátku 20. století. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Zatímco vědci si byli více či méně vědomi toho, co je potřeba k vytvoření aerodynamických tvarů po dlouhou dobu, trvalo nějakou dobu, než se tyto principy aplikovaly na automobilový design..

Na nejstarších autech nebylo nic aerodynamického. Podívejte se na klíčový model T modelu Ford - vypadá to spíš jako koňský kočár mínus koně - opravdu velmi propracovaný design. Mnoho z těchto raných automobilů se nemuselo starat o aerodynamiku, protože byly relativně pomalé. Nicméně, některé závodní automobily časných 1900s včlenily zužující se a aerodynamické rysy k jednomu stupni nebo jiný.

V roce 1921 německý vynálezce Edmund Rumpler vytvořil Rumpler-Tropfenauto, což se promítá do „auto s roztržením“. Na základě nejautodynamičtějšího tvaru přírody, slzy, měl Cd pouhých 0,27, ale jeho jedinečný vzhled nikdy nebyl veřejností zachycen. Bylo vyrobeno pouze asi 100 [zdroj: Cena].

Na americké straně přišel jeden z největších skoků v aerodynamickém designu ve 30. letech s Chrysler Airflow. Airflow, inspirovaný ptáky za letu, byl jedním z prvních automobilů navržených s ohledem na aerodynamiku. Ačkoli to používalo některé unikátní stavební techniky a mělo téměř 50-50-váhové rozdělení (stejné rozložení hmotnosti mezi přední a zadní nápravy pro lepší ovladatelnost), Velká deprese - opotřebovaná veřejnost nikdy se zamilovala do jeho nekonvenčního vzhledu, a auto byl považován za flop. Její racionální design však stále ještě předběhl svůj čas.

Jak padesátá a šedesátá léta přišly, některé z největších pokroků v automobilové aerodynamice pocházely ze závodů. Původně technici experimentovali s různými designy, protože věděli, že zjednodušené tvary mohou pomoci jejich vozidlům jet rychleji a lépe zvládat při vysokých rychlostech. To se nakonec vyvinulo ve velmi přesnou vědu o tvorbě co nejvíce aerodynamického závodního automobilu. Přední a zadní spoilery, lopatkovité nosy a letecké soupravy se staly stále běžnějšími, aby udržovaly vzduch tekoucí přes horní část vozu a vytvářely potřebný přítlak na přední a zadní kola [zdroj: Síť formule 1].

Co se týče spotřebitelů, společnosti jako Lotus, Citroën a Porsche vyvinuly některé velmi racionální návrhy, ale ty byly většinou aplikovány na vysoce výkonná sportovní vozidla a ne na běžná vozidla pro běžného řidiče. To se začalo měnit v 80. letech s Audi 100, sedanem pro cestující s tehdy neslýchaným Cd 0,30. Dnes jsou téměř všechna auta nějakým způsobem navržena s ohledem na aerodynamiku [zdroj: Edgar].

Co pomohlo, že k této změně došlo? Odpověď: Větrný tunel. Na další stránce prozkoumáme, jak se větrný tunel stal životně důležitým pro automobilový design.

Auta (a letadla) mají aerodynamiku vyzkoušenou aerodynamickými tunely. - - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

-

Pro měření aerodynamické účinnosti automobilu v reálném čase si technici půjčili nástroj z leteckého průmyslu - větrný tunel.

Větrný tunel je v podstatě masivní trubice s ventilátory, které vytvářejí proudění vzduchu přes objekt uvnitř. Může to být auto, letadlo nebo cokoli jiného, ​​co inženýři potřebují měřit na odpor vzduchu. Z místnosti za tunelem inženýři studují, jak vzduch interaguje s objektem, jak proudí vzduchové proudy přes různé povrchy.

Auto nebo letadlo uvnitř se nikdy nepohybuje, ale fanoušci vytvářejí vítr různými rychlostmi, aby simulovali skutečné podmínky. Někdy se skutečné auto nebude ani používat - konstruktéři často měří odpor větru proti přesným měřítkům svých vozidel. Jak se vítr pohybuje v autě v tunelu, používají se počítače k ​​výpočtu koeficientu odporu (Cd).

Větrné tunely nejsou ve skutečnosti nic nového. Byli tu od konce 18. století, aby změřili proudění vzduchu během mnoha časných pokusů o letadlo. Dokonce i Wright Brothers ho měli. Po druhé světové válce začali inženýři závodních aut hledat náskok před konkurencí a používat je k měření účinnosti aerodynamického vybavení svých aut. Tato technologie se později dostala do osobních a nákladních automobilů.

V posledních letech se však stále více používají velké větrné tunely s více miliony dolarů. Počítačové simulace začínají nahrazovat větrné tunely jako nejlepší způsob měření aerodynamiky automobilu nebo letadla. V mnoha případech jsou větrné tunely většinou jen vyzvány, aby se ujistil, že počítačové simulace jsou přesné [zdroj: Den].

Mnozí si myslí, že přidání spoileru na zadní část automobilu je skvělý způsob, jak zvýšit aerodynamičnost. V další části prozkoumáme různé typy aerodynamických doplňků k vozidlům a prozkoumáme jejich úlohu ve výkonu a poskytujeme lepší kilometrový výkon paliva..

Vozy Formule 1 jsou aerodynamicky navrženy tak, aby vytvářely maximální přítlak. - © - iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

-

Aerodynamika má víc než jen táhnout - existují i ​​další faktory zvané zdvih a přítlak. Výtah je síla, která se staví proti hmotnosti předmětu a zvedá ho do vzduchu a udržuje ho tam. Přítlak je opakem výtahu - síla, která tlačí na objekt ve směru země [zdroj: NASA].

Možná si myslíte, že součinitel odporu u závodního vozu Formule 1 by byl velmi nízký - super aerodynamický vůz je rychlejší, že? V tomto případě ne. Typické auto F1 má Cd asi 0,70.

Proč je tento typ závodního vozu schopen jezdit rychlostí více než 200 mil za hodinu (321,9 km / h), ale není tak aerodynamický, jak jste si asi mysleli? Je to proto, že automobily Formule 1 jsou konstruovány tak, aby vytvářely co nejvíce přítlaku. Při rychlosti, kterou cestují, a díky své extrémně nízké hmotnosti tyto vozy skutečně začínají při určitých rychlostech zvedat - fyzika je nutí vzlétnout jako letadlo. Je zřejmé, že auta nejsou určena k letu vzduchem, a pokud auto jede ve vzduchu, mohlo by to znamenat zničující havárii. Z tohoto důvodu musí být maximalizován přítlak, aby se vozidlo udržovalo na zemi při vysokých rychlostech, což znamená, že je vyžadován vysoký Cd.

Vozy Formule 1 to dosahují pomocí křídel nebo spojlerů namontovaných na přední a zadní části vozidla. Tato křídla směrují tok do proudů vzduchu, které tlačí auto k zemi - lépe známé jako přítlak. To maximalizuje rychlost v zatáčkách, ale musí být pečlivě vyváženo pomocí zdvihu, aby se vozu také umožnilo odpovídající množství přímočaré rychlosti [zdroj: Smith].

Spousta výrobních automobilů zahrnuje aerodynamické doplňky pro generování přítlaku. Zatímco supersportovní automobil Nissan GT-R byl v automobilovém lisu poněkud kritizován za svůj vzhled, celé tělo je navrženo tak, aby směřovalo vzduch přes auto a zpět přes oválný zadní spoiler, čímž se generovalo velké množství přítlaku. Ferrari má 599 GTB Fiorano s létajícími sloupky B, které jsou navrženy tak, aby směřovaly vzduch dozadu - to pomáhá snižovat odpor [zdroj: Classic Driver].

Na každodenních autech, jako je sedan Honda a Toyota, však vidíte spoustu spoilerů a křídel. Opravdu ti přidají aerodynamický přínos pro auto? V některých případech to může přidat trochu vysokorychlostní stability. Například, originální Audi TT neměla spojler na jeho zadní deck deck, ale Audi přidal jeden poté, co jeho zaoblené tělo bylo shledáno, že vytvoří příliš mnoho zvedání a smět byli faktor v několika troskách [zdroj: Edgar].

Ve většině případů však přišroubování velkého spojleru na zadní stranu běžného automobilu nepomůže při výkonu, rychlosti nebo manipulaci s celou šarží - pokud vůbec. V některých případech to může dokonce způsobit další nedotáčivost nebo neochotu zatlačit. Pokud si však myslíte, že obří spoiler vypadá skvěle na kufru vašeho Honda Civic, nenechte nikoho říct jinak.

Chcete-li získat další informace o automobilové aerodynamice a dalších souvisejících tématech, přejděte na další stránku a postupujte podle odkazů.

Související články

• Jak funguje aerodynamika vozového parku
• Jak pomáhá přítlak závodnímu vozu NASCAR?
• Jak funguje NASCAR Drafting
• Jak funguje NASCAR's Car of Tomorrow
• Jak letadla fungují
• - Fyzikální kanál

Další skvělé odkazy

• NASA - Průvodce začátečníky k aerodynamice
• NASA - koeficient součinnosti
• Divize NASA Advanced Supercomputing (NAS) - Aerodynamics In Car Racing
• Symscape - Aerodynamika Formule 1

Prameny

• Klasický řidič. "Ferrari 599 GTB Fiorano." (9. března 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Den, Dwayne A. "Pokročilé větrné tunely." US sté výročí letové komise. (9. března 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Juliane. "Aerodynamika automobilu se zastavila." Automatická rychlost. (9. března 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. "Zlepšení aerodynamiky pro zvýšení spotřeby paliva." Edmunds.com. 2. května 2006. (9. března 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Síť formule 1. "Williams F1 - Historie aerodynamiky: Vývoj aerodynamiky." (9. března 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. „Průvodce aerodynamikou pro začátečníky.“ 11. července 2008 (9. března 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. "Koeficient tažení." 11. července 2008 (9. března 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Cena, Ryan Lee. "Podvádění větru - Aerodynamická technika a průvodce pro kupující: Umění aerodynamiky a automobilu." Evropský časopis o automobilech. (9. března 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bille. "5 fakta: Aerodynamika vozidla." GreenCar.com. 13. října 2008 (9. března 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, Rich. "Aerodynamika formule 1." Symscape. 21. května 2007. (9. března 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero