Аэродинамика автомобиля
Всем привет!
Хотел бы сегодня поговорить о аэродинамике автомобиля!
Так что же такое само понятие — аэродинамика автомобиля?!
Сейчас, мы разберёмся, товарищи!
Понятие «аэродинамика автомобиля» включает в себя много аспектов, важнейшими из которых являются:
— обеспечение минимальной силы сопротивления воздуха при движении автомобиля с целью уменьшения расхода топлива или повышения скорости движения;
— уменьшение аэродинамической подъемной силы, стремящейся оторвать автомобиль от дороги и снижающей сцепление колес с дорожным покрытием;
— снижение загрязнения стекол, ручек дверей и других поверхностей автомобиля;
— обеспечение оптимальных воздушных потоков для снабжения двигателя воздухом, его охлаждения, вентиляции салона;
— снижение аэродинамического шума.
Снижение коэффициента Сх легковых автомобилей в конце XX века
Изменение аэродинамических свойств кузова автомобилей ВАЗ
Этот эффект достигнут за счет выбора оптимальных углов наклона панелей кузова (ветрового и заднего стекол, капота, крышки багажника и т. д.), удалении с поверхности кузова мелких выступающих деталей (водосливных желобков на крыше, ободков фар, размещении щеток стеклоочистителей в нише под капотом), придание оставшимся выступающим деталям, например зеркалам, аэродинамических форм, сглаживания острых углов кузова.
Кузов современного легкового автомобиля
Кузов современного легкового автомобиля в профиль напоминает самолетное крыло. Поэтому при движении на автомобиль действует аэродинамическая подъемная сила, которая ухудшает управляемость, устойчивость и безопасность движения.
Схема установки аэродинамических элементов на гоночном автомобиле:
При грамотном проектировании формы кузова подъемная сила может быть существенно снижена, более того, может быть обеспечена сила, прижимающая автомобиль к дороге. Иногда для увеличения прижимающей силы применяют дополнительные кузовные элементы — спойлеры и антикрылья (профиль перевернутого самолетного крыла). Величина аэродинамической прижимающей силы для гоночного автомобиля при движении на большой скорости может в несколько раз превышать его вес.
Кабина грузового автомобиля Volvo FH
Аэродинамика грузовых автомобилей и автобусов хуже, чем у легковых, что объясняется невозможностью принципиально поменять форму кузова: для оптимального размещения грузов и пассажиров основа кузова должна приближаться к прямоугольному параллелепипеду. Правда, и влияние аэродинамики на эксплуатационные свойства таких автомобилей меньше, что связано с более низкими скоростями движения грузовиков и автобусов. Тем не менее в последние годы кабины и кузовы названных транспортных средств проектируются с учетом аэродинамических требований. Это проявляется в придании кабинам более округлых форм, увеличении угла наклона ветрового стекла, установке между кабиной и кузовом аэродинамических обтекателей и закрылков.
Противогрязевые обтекатели автомобиля КамАЗ
Загрязняемость поверхностей кузова определяется его формой, расположением выступающих деталей и учитывается конструктором при проектировании кузова. Иногда для снижения загрязняемости боковых или задних стекол на кузове устанавливают дополнительные аэродинамические устройства, воздушный поток от которых отбрасывает летящую грязь.
На этом пока всё, друзья!
Благодарю за внимание=)
Аэродинамика автомобиля
Зачем это нужно
Для чего нужна аэродинамика автомобилю, знают все. Чем обтекаемее его кузов, тем меньше сопротивление движению и расход топлива. Такой автомобиль не только сбережет ваши деньги, но и в окружающую среду выбросит меньше всякой дряни. Ответ простой, но далеко не полный. Специалисты по аэродинамике, доводя кузов новой модели, еще и:
Причем решение одной задачи зачастую противоречит выполнению другой. Например, снижение коэффициента лобового сопротивления улучшает обтекаемость, но одновременно ухудшает устойчивость автомобиля к порывам бокового ветра. Поэтому специалисты должны искать разумный компромисс.
Снижение лобового сопротивления
От чего зависит сила лобового сопротивления? Решающее влияние на нее оказывают два параметра – коэффициент аэродинамического сопротивления Сх и площадь поперечного сечения автомобиля (мидель). Уменьшить мидель можно, сделав кузов ниже и уже, но вряд ли на такой автомобиль найдется много покупателей. Поэтому основным направлением улучшения аэродинамики автомобиля является оптимизация обтекания кузова, другими словами – уменьшение Сх. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх – это безразмерная величина, которая определяется экспериментальным путем. Для современных автомобилей она лежит в пределах 0,26-0,38. В зарубежных источниках коэффициент аэродинамического сопротивления иногда обозначают Cd (drag coefficient – коэффициент сопротивления). Идеальной обтекаемостью обладает каплевидное тело, Сх которого равен 0,04. При движении оно плавно рассекает воздушные потоки, которые затем беспрепятственно, без разрывов, смыкаются в его «хвосте».
Иначе ведут себя воздушные массы при движении автомобиля. Здесь сопротивление воздуха складывается из трех составляющих:
Третья составляющая оказывает наибольшее влияние на аэродинамику автомобиля. Двигаясь, автомобиль сжимает находящиеся перед ним воздушные массы, создавая область повышенного давления. Потоки воздуха обтекают кузов, а там, где он заканчивается, происходит отрыв воздушного потока, создаются завихрения и область пониженного давления. Таким образом, область высокого давления спереди мешает автомобилю двигаться вперед, а область пониженного давления сзади «засасывает» его назад. Сила завихрений и величина области пониженного давления определяется формой задней части кузова.
А вот с задней частью кузова все гораздо сложнее. Как нетрудно догадаться, наименее аэродинамичными являются универсалы – их форма меньше всего напоминает идеальную «каплю». За их обширным «задком» образуется внушительная зона разряжения, которая не только снижает Сх, но и «засасывает» пыль и грязь, оседающую на заднем стекле. Немного уменьшить ее вредное воздействие можно с помощью установки дефлектора на верху пятой двери. Он направляет часть воздушного потока вниз, снижая разряжение и уменьшая загрязнение.
Не все просто и с хэтчбеками, хотя, на первый взгляд, их форма кажется наиболее обтекаемой. Впечатление обманчиво – яркий пример непредсказуемости аэродинамики. Сх хэтчбеков зависит от угла наклона задней части. При большом угле наклона (а таких моделей большинство) процесс обтекания практически не отличается от универсалов – воздушный поток отрывается от верхней кромки крыши и создает значительную зону разряжения.
С уменьшением угла наклона до 30-35 градусов точка отрыва потока перемещается на нижнюю кромку задней части. Казалось бы, зона разряжения и, соответственно, Сх должны уменьшиться. Но, как это на первый взгляд ни парадоксально, происходит все наоборот. Дело в том, что в этом случае воздушные потоки с боков кузова, попадая на наклонную поверхность, образуют кромочные вихри, которые, закручиваясь по спирали, создают за автомобилем еще большую зону разряжения. Борются с этим явлением с помощью спойлера, устанавливаемого на кромке крыши. При этом точка отрыва потока перемещается с нижней кромки задней части на верхнюю, что предотвращает образование кромочных вихрей и несколько улучшает общую аэродинамику.
А вот если уменьшить наклон «задка» до 20-23 градусов, воздушный поток с крыши почти идеально обтекает автомобиль, отрываясь от нижней кромки. При этом кромочные вихри уже не образуются, и зона разряжения получается минимальной. Но такие автомобили теряют в практичности и поэтому среди серийных моделей их совсем немного.
Наилучшие показатели обтекаемости демонстрируют автомобили со ступенчатой формой задней части – седаны и купе. Объяснение простое – сорвавшийся с крыши поток воздуха тут же попадает на крышку багажника, где нормализуется и затем окончательно срывается с его кромки. Боковые потоки тоже попадают на багажник, который не дает возникать вредным вихрям за автомобилем. Поэтому чем выше и длиннее крышка багажника, тем лучше аэродинамические показатели. На больших седанах и купе иногда даже удается достичь безотрывного обтекания кузова. Небольшое сужение задней части также помогает снизить Сх. Кромку багажника делают острой или в виде небольшого выступа – это обеспечивает отрыв воздушного потока без завихрений. В результате область разряжения за автомобилем получается небольшой.
Днище автомобиля также оказывает влияние на его аэродинамику. Выступающие детали подвески и выхлопной системы увеличивают сопротивление. Для его уменьшения стараются максимально сгладить днище или прикрыть щитками все, что «торчит» ниже бампера. Иногда устанавливают небольшой передний спойлер. Спойлер снижает поток воздуха под автомобилем. Но тут важно знать меру. Большой спойлер существенно увеличит сопротивление, но зато автомобиль будет лучше «прижиматься» к дороге. Но об этом – в следующем разделе.
Прижимная сила
Каких-либо специальных мер для борьбы с этим явлением конструкторам обычных серийных автомобилей выдумывать не приходится, так как то, что делается для улучшения обтекаемости, одновременно увеличивает прижимную силу. Например, оптимизация задней части уменьшает зону разряжения за автомобилем, а значит и снижает подъемную силу. Выравнивание днища не только уменьшает сопротивление движению воздуха, но и повышает скорость потока и, следовательно, снижает давление под автомобилем. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению подъемной силы. Точно так же две задачи выполняет и задний спойлер. Он не только уменьшает вихреобразование, улучшая Сх, но и одновременно прижимает автомобиль к дороге за счет отталкивающегося от него потока воздуха. Иногда задний спойлер предназначают исключительно для увеличения прижимной силы. В этом случае он имеет большие размеры и наклон или делается выдвижным, вступая в работу только на высоких скоростях.
Практическая аэродинамика
Выполнение нескольких несложных правил позволит вам получить экономию из воздуха, снизив расход топлива. Однако эти советы будут полезны только тем, кто часто и много ездит по трассе.
При движении значительная часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления воздуха. Чем выше скорость, тем выше и сопротивление (а значит и расход топлива). Поэтому если вы снизите скорость даже на 10 км/ч, сэкономите до 1 л на 100 км. При этом потеря времени будет несущественной. Впрочем, эта истина известна большинству водителей. А вот другие «аэродинамические» тонкости известны далеко не всем.
Расход топлива зависит от коэффициента лобового сопротивления и площади поперечного сечения автомобиля. Если вы думаете, что эти параметры заложены на заводе, и автовладельцу изменить их не под силу, то вы ошибаетесь! Изменить их совсем несложно, причем можно добиться как положительного, так и отрицательного эффекта.
Что увеличивает расход? Непомерно «съедает» топливо груз на крыше. И даже бокс обтекаемой формы будет отнимать не менее литра на сотню. Нерационально сжигают топливо открытые во время движения окна и люк. Если перевозите длинномерный груз с приоткрытым багажником — тоже получите перерасход. Различные декоративные элементы типа обтекателя на капоте («мухобойки»), «кенгурятника», антикрыла и других элементов доморощенного тюнинга хоть и принесут эстетическое наслаждение, но заставят вас дополнительно раскошелиться. Загляните под днище — за все, что провисает и выглядывает ниже линии порога, придется доплачивать. Даже такая мелочь, как отсутствие пластиковых колпаков на стальных дисках, повышает расход. Каждый перечисленный фактор или деталь по отдельности увеличивают расход не на много — от 50 до 500 г на 100 км. Но если все суммировать, «набежит» опять же около литра на сотню. Эти расчеты справедливы для малолитражных автомобилей при скорости 90 км/ч. Владельцы больших автомобилей и любители блльших скоростей делайте поправку в сторону увеличения расхода.
Если выполнить все вышеперечисленные условия, мы сможем избежать излишних трат. А можно ли еще снизить потери? Можно! Но это потребует проведения небольшого внешнего тюнинга (речь идет, конечно, о профессионально выполненных элементах). Передний аэродинамический обвес не дает воздушному потоку «врываться» под днище автомобиля, накладки порогов прикрывают выступающую часть колес, спойлер препятствует образованию завихрений за «кормой» автомобиля. Хотя спойлер, как правило, уже включен в конструкцию кузова современного автомобиля.
Так что получать экономию из воздуха – вполне реально.
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:
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.
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.
Аэродинамика. Часть 1. Прижимная и подъемная силы.
Аэродинамика. Часть 1. Подъемная сила
Итак, продолжу серию постов про аэродинамику и ее использование в автомобиле.
Каждый когда-нибудь видел, как болиды формулы 1, проносясь мимо оператора с камерой, во время дождевых гонок поднимают за собой красивые шлейфы водяного тумана. Как один болид «вешается на хвост» другому, а потом совершает резкий маневр и через несколько секунд оказывается впереди него. Как без всякой видимой причины во время ралли отрываются спойлеры и антикрылья — в эти моменты все вспоминают про аэродинамику.
Аэродинамика, как магия, наука о воздухе — о том, что скрыто от человеческого глаза, но в тоже время таит в себе большую силу. Она многолика, так как воздух окружает нас повсюду. Благодаря аэродинамике летают самолеты, а лыжники с максимальной скоростью несутся по склону горы, приняв наилучшее положение для обтекания. Но в контексте драйв2 область наших интересов в аэродинамике ограничивается автомобилями — о них и поговорим)
Все слышали про Джереми Кларксона, (в прошлом одного из ведущих TopGear`а и на мой взгляд лучшего автомобильного журналиста), но мало кто слышал про Эдриана Ньюи, который учился в старших классах вместе с Джереми. А между тем, Эдриан Ньюи — гениальный инженер-конструктор, один из самых успешных в истории мирового автоспорта! Болиды, сконструированные под его руководством для разных команд, три раза побеждали в знаменитой гонке Индианаполис-500, в гонках Формулы-1 принесли победу в 150 Гран-при, 10 чемпионских титулов и 10 Кубков Конструкторов. Его по праву считают гением аэродинамики, практически волшебником. Посмотрите на любое из его творений и представьте, как оно врезается в стену воздуха, как своими грациозными обводами направляет поток именно туда, куда нужно.
Работа аэродинамика в чем-то напоминает работу скульптора — нужно убрать все лишнее и оставить самую суть. Посмотрите на простую каплю дождя. Это и есть идеальная форма, созданная самим воздухом. Именно так он хочет обтекать движущееся в нем тело.
Задача специалистов по аэродинамике создать такую форму, которую воздуху будет удобно обтекать, и, обтекая которую, он принесет максимум пользы. Давайте вернемся к кузову автомобиля и разберемся в том, как на него воздействует набегающий поток воздуха. Хотя по своей сути набегающий поток, это своего рода условность. Потому что на самом деле автомобиль «набегает» на неподвижный воздух. Но такую систему координат неудобно рассматривать и анализировать, поэтому свяжем ее с автомобилем. В этом случае воздух будет двигаться относительно неподвижного автомобиля.
Прежде чем рассматривать взаимодействие автомобиля с потоком, необходимо ознакомиться с некоторыми основами аэродинамики, которые понадобятся нам в дальнейшем.
В аэродинамике великое множество различных формул, уравнений/зависимостей и законов. Целью данного повествования является общее ознакомление с аэродинамикой, поэтому я не буду вдаваться в это поражающее своим разнообразием обилие символов и чисел, рассмотрим только два из основных законов.
Первый мы видим каждый день. Представьте себе кран. Обыкновенный кран в ванной комнате или на кухне, из которого спокойно вытекает струя воды. Давайте взглянем на нее повнимательнее. Что мы видим? Она сужается! На самом деле все очень просто — каждая «частичка» воды, находится под действием гравитации. Значит на каждую частицу действует ускорение свободного падения, и каждая частица по мере удаления от крана падает все быстрее. Если взять и мысленно рассечь струю у самого крана и на некотором удалении от него, то мы увидим, что через полученные сечения будут двигаться частицы воды: у крана — с малой скоростью, а на отдалении — с большей. Если площадь сечений будет постоянной, то через более удаленное сечение в единицу времени будет проходить больше жидкости, чем через менее удаленное. Но откуда она возьмется, если кран у нас один и напор воды в нем постоянный? Поэтому площадь поперечного сечения струи уменьшается с ростом скорости течения и через каждое сечение проходит одно и то же количество жидкости.
Этот простой пример отражает смысл уравнения неразрывности: чем меньше площадь сечения, через которое течет жидкость, тем больше ее скорость. А причем здесь воздух, спросите вы? Оказывается, у жидкостей и газов много общего, и поведение газа при небольших скоростях во многом повторяет поведение жидкости. Поэтому уравнение неразрывности распространяется и для газовых течений. Главное, чтобы скорости не были очень большими, поскольку в этом случае газ можно считать почти несжимаемым. При больших скоростях газ начинает сжиматься. Например, на сверхзвуке уменьшение площади сечения приведет к появлению пульсаций уплотнения и снижению скорости. Но поскольку мы не рассматриваем автомобили-ракеты, пронзающие воздух на соляных озерах в погоне за очередным земным рекордом скорости, поскольку даже безумно быстрый Bugatti Veyron в два с лишним раза медленнее скорости звука, мы смело можем брать на вооружение уравнение неразрывности.
Второе уравнение называется уравнением Бернулли и говорит о законе сохранения энергии, выраженном через давления. Давление бывает полным, статическим и динамическим. Полное давление как раз и складывается из статического и динамического давлений:
Статическое давление не зависит от скорости. То есть в движущемся с некоторой скоростью потоке для того, чтобы замерить статическое давление, необходимо двигаться со скоростью потока. В этом случае скорость потока относительно измерительного устройства (манометра) будет равно нулю.
Динамическое давление, напротив, зависит от скорости. Причем, что очень важно, не просто от скорости, а от квадрата скорости. Представьте себе неподвижный газ, находящийся в некотором объеме. Элементарные частицы газа хаотично перемещаются на микроуровне (броуновское движение). При этом они сталкиваются друг с другом и со стенками резервуара, в котором газ находится. Вот эти вот удары о стенки сосуда и создают давление. В данном случае это будет статическое давление, которое равно полному. Другими словами – динамическая составляющая давления отсутствует. Теперь если заставить этот же газ течь по трубе с какой-либо отличной от нуля скоростью, то часть энергии элементарных частиц уйдет на движение газа на макроуровне (перемещение больших объемов). А на удары о стенки трубы, по которой движется газ, у элементарных частиц останется меньше энергии. Поэтому статическое давление уменьшится по сравнению с первым случаем на величину динамической составляющей. В принципе этот пример и иллюстрирует уравнение Бернулли.
Воздействие набегающего на автомобиль потока воздуха сводят к аэродинамическим силам. В контексте этого поста нас будут интересовать сила лобового сопротивления, направленная в сторону, противоположную движению автомобиля, и подъемная сила, перпендикулярная плоскости, в которой движется автомобиль, снизу вверх (отрицательная подъемная сила называется прижимной и направлена сверху вниз).
Аэродинамические силы вычисляются по формулам:
Всем, кто учился в школе, известно из курса физики, что сила – это произведение давления на площадь. Но форма автомобиля достаточно сложна и на практике довольно трудно определить, на какую именно площадь какое давление действует. Поэтому берут уже знакомую нам динамическую составляющую давления (которая на вышеприведенных формулах выделена фиолетовым цветом, её еще называют скоростным напором) и умножают на некоторую характерную площадь, например на площадь поперечного сечения — так называемое миделевое сечение — (от нидерл. middel, буквально — средний, середина). А все особенности и нюансы учитывает одно число — аэродинамический коэффициент, который обозначается Сх или Су. Другими словами — это коэффициент незнания. Вычислить его теоретически очень сложно, а единственный достоверный метод определения — продувки в аэродинамической трубе или компьютерное моделирование.
Итак, вернёмся к кузову автомобиля и рассмотрим, каким образом формируется подъемная (или прижимная) сила.
Встретившись с автомобилем, набегающий поток воздуха разделяется. Одна часть потока уходит вниз, под днище автомобиля, а другая обтекает его сверху. Рассмотрим сначала поток, устремившийся под автомобиль. Все, что связано с движением потока под автомобилем так или иначе связано с английским словосочетанием «граунд-эффект» (эффект земли). А смысл граунд-эффекта объясняется при помощи уравнения Бернулли. Представьте себе крыло дозвукового самолета. Основная его особенность заключается в том, что профиль (сечение) этого крыла несимметричен, и поток над крылом должен пройти больший путь, чем поток под крылом. Таким образом, поток над крылом разгоняется, а это, согласно уравнению Бернулли, приводит к уменьшению статического давления. Разница между давлением под крылом и над крылом приводит к появлению подъемной силы. Но если взять и перевернуть это крыло, то подъемная сила превратится в прижимную.
В этом и заключается граунд-эффект: если спрофилировать днище особым образом, то поток под автомобилем будет разгоняться, что приведет к формированию зоны с пониженным давлением.Сделать днище такой формы, чтобы оно повторяло профиль дозвукового крыла достаточно проблематично, поскольку при проектировании спортивного автомобиля все не сводится к одной аэродинамике: необходимо как можно ниже опустить центр масс, обеспечить наилучшую развесовку по осям, оптимально разместить элементы подвески, трансмиссии и т.д. Кроме того, появление зоны с низким давлением под днищем неминуемо вызовет эффект пылесоса: воздух из зоны с высоким давлением устремится в зону с низким давлением, поэтому для предотвращения этого необходимо использовать боковые юбки, мешающие подсосу воздуха по бокам. Кстати, на спортивных автомобилях разряжение от действия граунд-эффекта настолько велико, что способно открыть чугунный канализационный люк, над которым проносится автомобиль.
Как видно, граунд-эффект требует выполнения множества условий одновременно. Реализовать их все пытались в Формуле 1 в конце 70-х – начале 80-х. Для болидов тех времен характерны минимальный клиренс, профилированное дно, боковые юбки. Тогда же на этапе гран-при первый и последний раз появилось легендарное творение великого хитреца из ЮАР Гордона Мюррея — болид Brabham BT46B, прозванный гоночным пылесосом. На нем был установлен вентилятор в задний части, служащий якобы для охлаждения двигателя. Во всяком случае, так обосновывалось его наличие с точки зрения согласования с техническим регламентом. Но на самом деле этот вентилятор откачивал воздух из под болида. Это давало колоссальное преимущество и позволило пилоту Ники Лауде одержать уверенную победу в дебютной для этого гоночного пылесоса гонке. После этого на команду обрушилась лавина протестов и дальновидный Берни Эклстоун, руководивший Brabham в те времена, снял машину с соревнований, дабы не портить себе репутацию.
Вот как это выглядело сзади:
Кстати, на заре Формулы 1 было очень много интересных, а порой и абсурдных инженерных решений, пожалуй, они стоят упоминания в отдельном посте. В среду/четверг напишу об этом отдельную статью, первые шаги аэродинамики в автоспорте — это действительно очень забавно))
Так вот, благодаря граунд-эффекту болиды с одной стороны действительно стали чудесным образом «прилипать» к трассе. Но с другой – его применение оказалось небезопасным, поскольку стоило автомобилю подскочить на кочке, как под него сразу устремлялся воздух из областей с большим давлением, прижимная сила мгновенно падала, и болид терял устойчивость. А если происходил контакт или по каким-то другим причинам разрушались юбки, то эффективность граунд-эффекта падала на порядки. Опасность заключалась еще и в том, что значительно возросли скорости и перегрузки, особенно в поворотах, и любая потеря прижимной силы вела к опасной ситуации. Поэтому руководством Формулы 1 использование граунд-эффекта было запрещено. Но это совсем не означает, что о нем забыли. Запрет лишь положил начало новому раунду борьбы конструкторов с техрегламентом. А основной принцип граунд-эффекта: разгон потока под днищем и создание разряжения, — широко применяется в автоспорте и по сей день.
Если заглянуть под любой среднестатистический автомобиль, то первое, что попадает нам на глаза — это элементы двигателя и трансмиссии, выхлопной и топливной систем, а так же детали подвески. Все они своими выступающими частями тормозят поток, делают течение под днищем вихревым (турбулентным), что приводит к снижению скорости потока и росту статического давления. Поэтому, если заглянуть под спортивный автомобиль, то вы увидите ровное дно с пластиковыми накладками, скрывающими отверстия и выступающие элементы.
Вспоминаем уравнение неразрывности: чтобы увеличить скорость надо уменьшить площадь канала, по которому течет газ. Область между днищем и дорожным полотном является своего рода каналом. Значит надо уменьшить клиренс. У спортивных автомобилей он настолько мал, что зачастую мы видим, как из под дна вырываются искры, образующиеся при соприкосновении его с асфальтом. Кроме того, под автомобиль стараются пускать как можно меньше воздуха. Чем меньше воздуха попадет под дно, тем меньшее давление он сможет создать. Поэтому передний бампер спорткаров украшают массивные спойлеры, отсекающие часть воздуха, стремящегося ворваться под днище автомобиля. Цель ограничить количество воздуха, проникающего под автомобиль, преследуют и юбки по бокам, о которых уже упоминалось выше.
Неотъемлемой частью современных гоночных автомобилей стал диффузор. Диффузор – это вариация на тему профилированного дна. Спрофилировать все дно проблематично, а в ряде гоночных серий это просто запрещено регламентом. Например, в Формуле-1 дно плоское и ступенчатое (дно в области боковых понтонов выше, чем дно в центральной части, где расположена доска скольжения). Казалось бы, реализовать хоть какое-то подобие граунд-эффекта в данной ситуации невозможно. Оказывается, возможно, благодаря использованию диффузора.
Рассмотрим, что происходит в области задней части днища при отсутствии диффузора.
За автомобилем находится зона разряжения. Когда поток, вырывающийся из под днища, начинает взаимодействовать с этой зоной, он резко замедляется. Это можно проиллюстрировать, рассмотрев данный процесс на упрощенном микроуровне элементарных частиц. Когда частицы газа движутся под днищем, они сталкиваются, отскакивают от днища и вновь сталкиваются, передавая тем самым энергию друг другу. Одна частица может потерять энергию, подтолкнув другую, но тут же получит энергию от третьей, та от четвертой и так далее. Таким образом, скорость потока поддерживается на определенном уровне. Когда же днище кончается, частицы не могут отталкиваться от него и часть из них устремляется в зону разряжения за автомобилем. Там взаимодействие между частицами уже не столь интенсивное, как это было под днищем. Поэтому энергия рассеивается, а скорость частиц падает. В том месте, где днище заканчивается, образуется вихревая зона. В этой области поведение потока непредсказуемо, он «не знает», куда ему двигаться: то ли в прежнем направлении, толи в зону с пониженным давлением. В вихревой зоне давление и скорость падают. В результате разгоняемый под днищем поток упирается в вихревую зону и теряет часть своей скорости, ну а последствия уже описывались: падение динамической составляющей давления, рост статической.
Диффузор представляет собой расширяющийся к концу болида участок днища. За счет того, что объем диффузора увеличивается, образуется зона разряжения. А вихри, которые образовывались без диффузора, уменьшаются. То есть диффузор как бы засасывает воздух из под днища и оптимизирует потоки в задней части. У диффузора кроме горизонтальных иногда имеются и вертикальные элементы, «причесывающие» поток и тем самым стабилизирующие его. У современных болидов Формулы 1 порядка 40 % прижимной силы создаётся благодаря работе диффузора.
С тем, что происходит под автомобилем, мы разобрались. Теперь проследим за другим потоком, который огибает кузов автомобиля сверху. Если представить, что автомобиль движется в некоем канале, то окажется, что площадь этого канала уменьшается. Поэтому скользя по капоту, проносясь над лобовым стеклом, поток ускоряется, а статическое давление падает. Проходя над крышей, поток движется с постоянной скоростью, после чего замедляется в области заднего стекла и багажника. Но, даже несмотря на замедление, скорость потока сверху все равно может оказаться выше, чем скорость потока под автомобилем. Получается некоторое подобие авиационного крыла — за счет разности давлений возникает подъемная сила, и автомобиль «пытается взлететь». Для гражданских автомобилей хорошим результатом является сведение подъемной силы к нулю. Перед конструкторами гоночных болидов стоит более сложная задача: нужно прижать автомобиль к земле, создав прижимную силу. Посмотрим, что для этого придумали инженеры-конструкторы.
Во-первых, не стоит забывать о динамической составляющей давления.
Рассмотрим простой пример: Возьмем тонкую пластинку и направим поток воздуха параллельно плоскости этой пластинки. В этом случае влияние динамической составляющей на поверхность пластинки минимально. Теперь придадим пластинке некоторый угол атаки – угол между потоком и плоскостью пластинки. В авиации принято считать положительным угол атаки, образуемый вращением аэродинамической поверхности по часовой стрелке. Мы же повернем нашу пластинку против часовой стрелки, на отрицательный угол атаки (так называемый угол контратаки). С одной стороны площадь воображаемого канала уменьшится, а скорость потока возрастет. Это приведет к падению статического давления. Но наша пластина не полетит вверх, поскольку кроме ударов элементарных частиц газа на микроуровне (статическое давление) на пластинку будут оказывать влияние массы воздуха, движущиеся со скоростью потока (динамическая составляющая). Поэтому пластинка будет прижиматься вниз. То же самое происходит в области капота и лобового стекла. Придав им правильную форму, можно скомпенсировать падение статического давления увеличением влияния динамической составляющей. Но ничего не проходит бесследно. Посмотрим на нашу пластинку под углом атаки повнимательнее. Кроме того, что она прижимается вниз, она стремится сдвинуться назад. Именно так проявляется лобовое сопротивление (о котором речь пойдет в следующем посте). Поэтому необходимо искать компромисс между прижимной силой и лобовым сопротивлением.
Другой способ создать прижимную силу пришел прямиком из авиации. Если развернуть крыло, то вместо подъемной силы оно будет создавать прижимную. Эта идея перевернула гоночный мир с ног на голову в конце 60х годов, когда нелепые антикрылья стали появляться на болидах Формулы-1. С тех пор конфигурация и строение антикрыльев сильно изменилась, но основная идея осталась неизменной: ускорить поток под крылом и тем самым уменьшить статическое давление. У формульных болидов антикрылья вообще играют особую роль. Аэродинамика болидов с открытыми колесами значительно отличается от аэродинамики классических автомобилей: нет привычного капота, лобового и заднего стекла, багажника. Зато есть возможность установить массивные антикрылья спереди и сзади. Они создают свыше 50 % прижимной силы современных болидов Формулы 1. Формульные антикрылья состоят из нескольких плоскостей. Это обусловлено тем, что таким образом в ограниченные габариты можно уместить больше плоскостей, создающих прижимную силу. Но есть еще одна особенность, стимулирующая применение составных антикрыльев.
Если взять обычный авиационный дозвуковой профиль и перевернуть его, то окажется, что для его эффективной работы нужны достаточно большие по автомобильным меркам скорости. Современные пассажирские самолеты взлетают на скорости 250 км/ч, а средняя скорость на гран-при Монако, где прижимная сила нужна как воздух, 150 км/ч. Плюс надо учитывать, что больше всего прижимная сила нужна в поворотах, где скорость как раз таки падает. Антикрылья можно установить под некоторым углом атаки. Но угол этот можно менять в достаточно узком диапазоне, поскольку при больших углах атаки за крылом образуется вихревая зона и значительно возрастает лобовое сопротивление. Поэтому инженеры придумали изгибать профиль. В этом случае поток, разворачиваясь, движется по дуге с некоторым радиусом и в нем возникают центробежные силы, дополнительно прижимающие антикрыло. Но гнуть крылья тоже можно в определенных пределах, поскольку при большой кривизне за ними возникает зона разряжения, способствующая вихреобразованию. Если же антикрыло сделать составным, то в щели между планками будет проникать воздух. Это позволяет уменьшить разряжение и исключить вихри. У автомобилей классической схемы антикрыло устанавливается только сзади. Наверняка вы обращали внимание, что часто антикрылья на спортивных автомобилях расположены достаточно высоко и отнесены назад. Это обусловлено тем, что наилучшим образом крыло работает в чистом, невозмущенном, ламинарном потоке.
Говоря об антикрыльях, следует упомянуть про торцевые пластины. Место окончания антикрыла — его торцы — является источником вихрей, поскольку воздух, разрезаемый крылом имеет одну скорость, а воздух, не попавший на крыло – другую. При взаимодействии этих потоков, частицы газа начинают перемешиваться, что приводит к возникновению вихрей. Если же установить торцевые пластины, то эти потоки будут разделены.
Часто можно услышать мнение, что антикрыло и спойлер – это одно и то же. На самом деле, это совершенно разные аэродинамические элементы.
Антикрыло создает разность скоростей за счет того, что разделяет поток на две части, и эти две части потока проходят разные пути с разной скоростью.
Спойлер же изменяет направление потока, но не разделяет его. Он может создавать прижимную силу за счет использования динамической составляющей давления (вспоминаем пластинку, установленную под углом атаки).
Очень важным аспектом в создании прижимной силы является баланс — соотношение между прижимной силой, действующей на переднюю и заднюю оси. Можно добиться большой прижимной силы за счет большого диффузора и массивного антикрыла. Но оба эти элемента располагаются сзади, а значит и львиная доля полученной прижимной силы придется на заднюю ось. Если автомобиль заднеприводный да еще и заднемоторный, то это приведет к избыточной поворачиваемости и склонности к заносу. Если автомобиль переднеприводный, то это добавит ему стабильности в поворотах. И таких комбинаций множество. Поэтому баланс — это очень тонкое искусство. Иногда инженерам-конструкторам приходится даже специально уменьшать прижимную силу, а то и создавать подъемную, чтобы обеспечить наилучший баланс.
Подведем промежуточные итоги:
Автомобили «хотят летать», и перед инженерами стоит непростая задача заставить их прилипать к дороге. Для этого поток воздуха под автомобилем всеми силами стараются ускорить и удержать в стабильном, ламинарном (безвихревом) состоянии. Над автомобилем поток ускоряется и без помощи конструкторов. Его нужно обуздать и заставить работать так, как надо, при помощи правильных обводов кузова, обтекателей, спойлеров и антикрыльев. В этой борьбе важна каждая мелочь, даже такая, как зеркало заднего вида. Аэродинамика – это своего рода искусство. Это не просто наука с сухими формулами, таблицами и графиками. За ними скрываются красивейшие процессы, которые человек издавна пытается понять и подчинить.
Вот красивое видео, которое показывает важность аэродинамики в современном автоспорте:
На этом в принципе хотелось бы закончить рассказ о подъемной и прижимной силах)
Вторая часть статьи находится ТУТ
Третья часть ЗДЕСЬ
