Аэродинамика

Текст: Даниил Шургальский

АЭРОДИНАМИКА.Силы небесные

С тех пор как первый человек укрепил на конце копья заточенный камень, люди всегда пытаются найти наилучшую форму предметам, двигающимся в воздушной среде. Но автомобиль оказался очень сложной аэродинамической головоломкой.

Основы тяговых расчетов движения автомобилей по дорогам предлагают нам четыре основные силы, действующие на автомобиль во время движения: сопротивление воздуха, сопротивление качению, сопротивление подъему и инерционные силы. При этом отмечается, что основными являются лишь первые две. Сила сопротивления качению автомобильного колеса в основном зависит от деформации шины и дороги в зоне контакта. Но уже при скорости движения 50-60 км/ч сила сопротивления воздуха превышает любую другую, а на скоростях свыше 70-100 км/ч превосходит их все вместе взятые. Для того чтобы доказать это утверждение, необходимо привести следующую приближенную формулу: Px=Cx*F*v2, где: Px – сила сопротивления воздуха; v – скорость автомобиля (м/сек); F – площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную продольной оси автомобиля, или площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля, т. е. лобовая площадь (м2); Cx – коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости). Обратите внимание. Скорость в формуле стоит в квадрате, и это означает, что при ее увеличении, например, в два раза сила сопротивления воздуха увеличивается в четыре раза. При этом затраты мощности, необходимые на ее преодоление, вырастают в восемь раз! В гонках Nascar, где скорости зашкаливают за отметку в 300 км/ч, экспериментальным путем установлено, что для увеличения максимальной скорости всего на 8 км/ч необходимо повысить мощность двигателя на 62 кВт (83 л. с.) или уменьшить Cx на 15%. Есть и иной путь – уменьшить лобовую площадь автомобиля. Многие скоростные суперкары значительно ниже обычных автомобилей. Это как раз и является признаком работ по снижению лобовой площади. Однако производить эту процедуру можно до определенных пределов, иначе таким автомобилем будет невозможно пользоваться. По этой и другим причинам обтекаемость является одним из основных вопросов, возникающих при проектировании автомобиля. Конечно, на силу сопротивления влияют не только скорость автомобиля и его геометрические показатели. К примеру, чем выше плотность воздушного потока, тем больше сопротивление. В свою очередь плотность воздуха напрямую зависит от его температуры и высоты над уровнем моря. При повышении температуры плотность воздуха (следовательно, и его вязкость) увеличивается, а высоко в горах воздух более разрежен, и плотность его ниже, и так далее. Таких нюансов великое множество.

Но вернемся к форме автомобиля. Какой предмет обладает самой хорошей обтекаемостью? Ответ на этот вопрос известен практически любому школьнику (кто не спал на уроках физики). Падающая вниз капля воды приобретает форму, наиболее приемлемую с точки зрения аэродинамики. То есть округлая фронтальная поверхность и плавно сужающаяся длинная задняя часть (лучшее соотношение – длина в 6 раз больше ширины). Коэффициент сопротивления – величина экспериментальная. Численно он равен силе сопротивления воздуха в ньютонах, создаваемой при его движении со скоростью 1 м/с на 1 м2 лобовой площади. За единицу отсчета принято считать Cx плоской пластины = 1. Так вот, у капли воды Cx = 0,04. А теперь представьте себе автомобиль такой формы. Нонсенс, не правда ли? Мало того что такая штуковина на колесах будет смотреться несколько карикатурно, использовать этот автомобиль по назначению будет не очень удобно. Поэтому конструкторы вынуждены искать компромисс между аэродинамикой автомобиля и удобством его использования. Постоянные попытки снизить коэффициент воздушного сопротивления привели к тому, что у некоторых современных автомобилей Cx = 0,28-0,25. Ну а скоростные рекордные автомобили могут похвастаться Cx = 0,2-0,15.

Силы сопротивления
Теперь необходимо немного рассказать о свойствах воздуха. Как известно, любой газ состоит из молекул. Они находятся в постоянном движении и взаимодействии друг с другом. Возникают так называемые силы Ван-дер-Ваальса – силы взаимного притяжения молекул, препятствующие их перемещению друг относительно друга. Некоторые из них начинают сильнее прилипать к остальным. А с увеличением хаотического движения молекул возрастает и эффективность воздействия одного слоя воздуха на другой, растет вязкость. А происходит это за счет повышения температуры воздуха, причем это может быть вызвано как прямым нагревом от солнца, так и косвенным от трения воздуха о какую-либо поверхность или просто его слоев между собой. Вот тут как раз влияет скорость перемещения. Для того чтобы понять, как это отражается на автомобиле, достаточно попробовать взмахнуть рукой с открытой ладонью. Если делать это медленно, ничего не происходит, но если взмахнуть рукой сильнее, ладонь уже явно воспринимает некоторое сопротивление. Но это только одна составляющая. Когда воздух двигается над некоторой неподвижной поверхностью (например, кузовом автомобиля), те же силы Ван-дер-Ваальса способствуют тому, что ближайший слой молекул начинает прилипать уже к ней. И этот «прилипший» слой тормозит уже следующий. И так слой за слоем, и тем быстрее движутся молекулы воздуха, чем дальше они находятся от неподвижной поверхности. В конце концов их скорость уравнивается со скоростью основного воздушного потока. Слой, в котором частички движутся замедленно, называется приграничным, и появляется он на любой поверхности. Чем больше значение поверхностной энергии у материала покрытия автомобиля, тем сильнее его поверхность взаимодействует на молекулярном уровне с окружающей воздушной средой и тем больше энергии необходимо затратить на разрушение этих сил. Теперь, опираясь на вышеописанные теоретические выкладки, можно сказать, что сопротивление воздуха – это не просто ветер, бьющий в лобовое стекло. У этого процесса больше составляющих.

Сопротивление формы. Это самая значительная часть – до 60% всех аэродинамических потерь. Часто она называется сопротивлением давления или лобовым сопротивлением. При движении автомобиль сжимает набегающий на него поток воздуха и преодолевает усилие на то, чтобы раздвинуть молекулы воздуха. В результате возникает зона повышенного давления. Далее воздух обтекает поверхность автомобиля. В процессе чего происходит срыв воздушных струй с образованием завихрений. Окончательный срыв воздушного потока в задней части автомобиля создает зону пониженного давления. Сопротивление спереди и всасывающий эффект сзади автомобиля создают очень серьезное противодействие. Этот факт обязывает дизайнеров и конструкторов искать пути по приданию кузову особой формы.