Що таке аеродинаміка автомобіля?

Розглядаючи історичні фотографії легендарних моделей автомобілів, будь-яка людина відразу помітить, що з наближенням до наших днів кузов транспортного засобу стає все менш незграбним.

Це пояснюється аеродинамікою. Розглянемо, в чому особливість цього ефекту, чому важливо враховувати аеродинамічні закони, а також які машини мають поганий коефіцієнт обтічності, і які - хороший.

Що таке аеродинаміка автомобіля

Як би дивно це не звучало, ніж з більшою швидкістю автомобіль рухається по дорозі, тим сильніше він буде прагнути відірватися від землі. Причина в тому, що потік повітря, з яким стикається транспортний засіб, розрізається кузовом авто на дві частини. Одна проходить між днищем і дорожнім покриттям, а друга - над дахом, і огинає контур машини.

Якщо подивитися на кузов автомобіля збоку, то візуально він буде віддалено нагадувати крило літака. Особливість цього елемента літального апарату полягає в тому, що повітряний потік над вигином проходить більше шляху, ніж під прямий частиною деталі. Через це над крилом створюється розрядження, або вакуум. Зі збільшенням швидкості ця сила сильніше піднімає корпус.

Подібний підйомний ефект створюється і у автомобіля. Верхній потік огинає капот, дах і багажник, а нижній - тільки днище. Ще один елемент, який створює додатковий опір, це наближені до вертикалі деталі кузова (радіаторна решітка або лобове скло).

Швидкість транспорту безпосередньо впливає на підйомний ефект. Причому форма кузова з вертикальними панелями створює додаткове завихрення, яке знижує зчеплення транспорту з дорогою. З цієї причини власники багатьох класичних автомобілів з незграбними формами при тюнінгу обов'язково кріплять до кузова спойлер і інші елементи, що дозволяють збільшувати притискну силу машини.

Навіщо це потрібно

Обтічність дозволяє повітрю швидше проходити вздовж кузова без непотрібних вихорів. Коли рух машини ускладнюється збільшеним опором повітря, мотор буде витрачати паливо в більшій кількості, як ніби машина перевозить додатковий вантаж. Це вплине не тільки на економічність авто, але і на те, скільки шкідливих речовин буде викидатися через вихлопну трубу в навколишнє середовище.

Створюючи автомобілі з поліпшеною аеродинамікою, інженери провідних автовиробників розраховують такі показники:

• Яка кількість повітря повинне потрапити в підкапотний простір, щоб мотор отримував належне природне охолодження;
• У яких частинах кузова буде проводитися забір свіжого повітря для салону машини, а також куди він буде відводитися;
• Що можна зробити, щоб повітря створював менше шуму в салоні авто;
• Підйомна сила повинна розподілятися на кожну вісь відповідно до особливостей форми кузова транспорту.

Всі ці фактори враховуються при розробці нових моделей машин. Причому якщо раніше кузовні елементи могли змінюватися кардинально, то на сьогоднішній день вченими вже розроблені самі ідеальні форми, які забезпечують знижений коефіцієнт лобової підйомної сили. З цієї причини багато моделей останнього покоління зовні можуть відрізнятися лише незначними змінами в формі дифузорів або антикрила в порівнянні з попередньою генерацією.

Крім стійкості на дорозі аеродинаміка може сприяти меншою загрязняемости деяких деталей кузова. Так, при зіткненні з лобовим поривом вітру вертикально розташовані фари, бампер і вітрове скло швидше забрудняться від розбилися дрібних комах.

Щоб знизити негативний ефект, який створює підйомна сила, автовиробники прагнуть знижувати кліренс до максимально допустимого значення. Однак лобовій ефект це не єдина негативна сила, яка впливає на стійкість машини. Інженери завжди «балансують» між фронтальною і бічний обтічністю. Досягти ідеального параметра в кожній зоні неможливо, тому при виготовленні нового типу кузова фахівці завжди йдуть на певний компроміс.

Основні факти аеродинаміки

Звідки береться цей опір? Все дуже просто. Навколо нашої планети є атмосфера, що складається з газових з'єднань. В середньому щільність твердих шарів атмосфери (простір від землі і до висоти пташиного польоту) становить близько 1,2 кг / квадратний метр. Коли предмет знаходиться в русі, він стикається з молекулами газів, що входять до складу повітря. Чим вище швидкість, тим з більшою силою ці елементи будуть битися в предмет. З цієї причини, входячи в земну атмосферу, космічний апарат починає сильно нагріватися від сили тертя.

Найперше завдання, з якою намагаються впоратися розробники нового дизайну моделі, це як знизити лобове опір. Цей параметр збільшується в 4 рази, якщо транспорт прискориться в межах від 60км / год до 120 км / ч. Щоб зрозуміти, наскільки це істотна величина, розглянемо невеликий приклад.

Вага транспорту становить 2 тисячі кг. Транспорт розганяється до 36 км / ч. При цьому витрачається всього 600 Ватт потужності на подолання цієї сили. Все решта витрачається на розгін. Але вже на швидкості в 108 км / ч. на подолання фронтального опору вже використовується 16 кВт потужності. При русі на швидкості в 250 км / ч. автомобіль витрачає вже цілих 180 кінських сил на силу опору. Якщо водій захоче розігнати авто ще сильніше, до 300 км / год, крім потужності для збільшення швидкості мотору потрібно буде витрачати вже 310 коней, щоб впоратися з фронтальним потоком повітря. Ось навіщо спорткару потрібно настільки потужний силовий агрегат.

Щоб розробити максимально обтічний, але разом з тим і досить комфортний транспорт, інженери розраховують коефіцієнт Сх. Цей параметр в описі моделі є найважливішим, що стосується ідеальної форми кузова. Ідеальною величиною в цій області має крапля води. У неї цей коефіцієнт становить 0,04. Жоден автовиробник не погодиться на такий оригінальний дизайн своєї нової моделі машини, хоча раніше зустрічалися варіанти в такому дизайні.

Зменшувати опір вітру можна двома методами:

1. Змінити форму кузова настільки, щоб потік повітря максимально обтікав машину;
2. Зробити автомобіль нешироким.

Під час руху машини на неї діє вертикальна сила. Вона може мати притискної ефект, що позитивно позначається на зчепленні з дорогою. Якщо не збільшити тиск на машину, що утворився вихор буде забезпечувати відрив транспорту від землі (цей ефект кожен виробник намагається максимально усунути).

З іншого боку під час руху авто на нього діє і третя сила - бічна. Ця область ще менше піддається контролю, так як на неї впливає багато непостійних величин, наприклад, бічний вітер при прямолінійній русі або на повороті. Силу цього фактора неможливо передбачити, тому інженери не ризикують, і створюють корпусу з шириною, яка дозволяє піти на певний компроміс в коефіцієнті Сх.

Щоб визначити, до якої міри можна врахувати параметри вертикальних, фронтальних і бічних сил, провідні виробники автотранспорту створюють спеціалізовані лабораторії, в яких проводяться аеродинамічні випробування. Залежно від матеріальних можливостей, ця лабораторія може включати аеродинамічну трубу, в якій під великим потоком повітря перевіряється ефективність обтічності транспорту.

В ідеалі виробники нових моделей авто прагнуть або довести свою продукцію до коефіцієнта в 0,18 (на сьогоднішній день це ідеал), або перевищити його. Але друге поки нікому ще не вдається, тому що неможливо усунути інші сили, які впливають на машину.

Притискна і підйомна сили

Ось ще один нюанс, який впливає на керованість транспорту. У деяких випадках лобове опір не вдається знизити до мінімуму. Приклад тому - боліди F1. Хоча їх кузов ідеально обтічний, колеса в них відкриті. Ця зона створює найбільше проблем для виробників. У такого транспорту Сх знаходиться в межах від 1,0 до 0,75.

Якщо задній вихор в цьому випадку не вдасться усунути, то потоком можна скористатися, щоб збільшити зчеплення з треком. Для цього на кузов встановлюють додаткові деталі, які створюють притискну силу. Наприклад, передній бампер оснащують спойлером, який перешкоджає відриву від землі, що вкрай важливо для спорткара. Подібне антикрило закріплюється і на задній частині боліда.

Переднє антикрило направляє потік не під машину, а на верхню частину кузова. Через це ніс транспорту завжди прямує в бік дороги. Знизу утворюється вакуум, і машина ніби прилипає до траси. Задній спойлер перешкоджає утворенню вихору позаду авто - деталь зриває потік, перш ніж він почне всмоктуватися в зону розрідження за транспортом.

На зменшення лобового опору також впливають дрібні елементи. Наприклад, кромка капота практично всіх сучасних автомобілів закриває щітки двірників. Так як передня частина машини найбільше стикається із зустрічним потоком, то увага приділяється навіть таким дрібним елементам, як дефлектори повітрязабірників.

Встановлюючи спортивні обважування, потрібно врахувати, що додаткова притискна сила робить машину більш впевненою на дорозі, але при цьому спрямований потік збільшує лобове опір. Через це пікова швидкість такого транспорту буде нижче, ніж без аеродинамічних елементів. Ще один негативний ефект - автомобіль стає більш ненажерливим. Правда, ефект від спортивного комплекту обважень буде відчуватися при швидкості від 120 кілометрів на годину, тому в більшості ситуацій на дорогах громадського користування такі деталі.

Моделі з поганим показником аеродинамічного опору:

Ш 0,7 - Катерхем 7

Cx 0,6 - УАЗ (469, Хантер)

Cx 0,58 - Jeep Wrangler (TJ)

Cx 0,57 - Hummer (H2)

Cx 0,56 - ВАЗ «класика» (01, 03, 05, 06, 07)

Вага 0,54-Mercedes-Benz (клас G)

Cx 0,53 - ВАЗ 2121

Моделі з хорошим показником аеродинамічного опору:

Ш 0,18 - VW XL1

Cx 0,19 - GM EV1

Cx 0,21 - Тесла (модель3)

Cx 0,23 - Audi A4

Cx 0,23 - Mercedes-Benz CLA

Cx 0,23 - Mercedes-Benz (S 300h)

Cx 0,24 - Тесла Модель S

Cx 0,24 - Тесла (модель X)

Cx 0,24 - Hyundai Sonata

Cx 0,24 - Toyota Prius

Cx 0,24 - Mercedes-Benz C клас

Cx 0,25 - Audi A2

Cx 0,25 - Alfa Romeo (Джулія)

Cx 0,25 - Peugeot 508

Cx 0,25 - Honda Insight

Cx 0,26 - BMW (3-series в кузові E90)

Cx 0,26 - BMW i8

Cx 0,26 - Mercedes-Benz (B)

Cx 0,26 - Mercedes-Benz (E-Class)

Cx 0,26 - Jaguar XE

Cx 0,26-Nissan GT-R

Cx 0,26 - Infiniti Q50

Додатково подивіться невелике відео про аеродинаміку автомобіля:

Аеродинаміка автомобіля, що це таке? Як поліпшити аеродинаміку? Як НЕ зробити з авто літак?