Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобилей таблица

Сила перетаскивания (или результат)

Обозначается или , выражается в ньютонах и является зависимой силой от других аэродинамических факторов, упомянутых выше. Это можно выразить следующей формулой:
FИкс{\ displaystyle F_ {x}}рИкс{\ displaystyle R_ {x}}ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}}

FИксзнак равно12ρSПРОТИВИксv2{\ displaystyle F_ {x} = {\ frac {1} {2}} \, \ rho \, S \, C_ {x} \, v ^ {2}}

где — плотность жидкости, в которой происходит вытеснение (в кг / м³), эталонная поверхность была выбрана во время определения (в м 2 ), упомянутого коэффициента сопротивления (безразмерного) и относительной скорости мобильного по сравнению с жидкостью (в м / с).
ρ{\ displaystyle \ rho}S{\ displaystyle S}ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}}ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}}v{\ displaystyle v}

Это уравнение основано на предположении, что сила сопротивления любого объекта пропорциональна плотности и квадрату относительной скорости. На самом деле, за исключением нескольких конкретных тел, величина не является постоянной, а незначительно изменяется в зависимости от скорости жидкости, размера объекта, а также плотности и вязкости жидкости. К счастью, скорость, кинематическая вязкость и характерная длина объекта могут быть объединены в один безразмерный параметр: число Рейнольдса . Затем появляется в зависимости от этого единственного числа Рейнольдса . Однако в случае высокоскоростной сжимаемой жидкости также зависит от числа Маха .
ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}} ре{\ displaystyle Re}ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}}ре{\ displaystyle Re}ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}} M{\ displaystyle M}

Распределение скоростей жидкости вокруг препятствия зависит от его формы.

Физическое значение коэффициента лобового сопротивления

Фронтальный схват полных или полых двугранных углов по Хёрнеру

Коэффициент сопротивления учитывает возмущение, которое тело оказывает на жидкость во время его относительного движения в этой жидкости.
ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}}

Один из возможных методов определения — это наблюдение за уменьшением движения воздушного потока воздуходувки, вызванным присутствием тела. Оказывается, это уменьшение для крутых тел, вызывающих отрыв потока , связано с углом, под которым потоки жидкости покидают тело. На графике напротив (после Хёрнера) показано значение фронтальной поверхности крутых 2D тел (относительно их поверхности, видимой потоком) в соответствии с половинным углом, при котором происходит разделение потока, которое эти тела индуцируют (мы могли бы назовем этот угол углом отрыва или углом проекции потока ). Когда этот половинный угол достигает °, двумерный диэдр становится бесконечной палитрой, и Хёрнер продолжает график, считая, что ° рисует полые диэдры.
ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}}ПРОТИВИкс{\ displaystyle C_ {x}}ε{\ Displaystyle \ varepsilon}ε{\ Displaystyle \ varepsilon}90{\ displaystyle 90}ε≥90{\ displaystyle \ varepsilon \ geq 90}

Аэродинамическое сопротивление автомобиля

В процессе проектирования и создания конструкторами очень тщательно прорабатывается аэродинамика автомобиля, поскольку она оказывает значительное влияние на технические показатели модели. При движении автомобиля большая часть мощности силовой установки уходит на преодоление сопротивления, создаваемого воздухом. И правильно созданная аэродинамика автомобиля позволяет уменьшить это сопротивление, а значит на борьбу с противодействием находящего воздушного потока потребуется затратить меньше мощности, и соответственно – топлива.

Измерение аэродинамики автомобиля проводится для изучения сил, создаваемых воздушным потоком и воздействующих на транспортное средство. И таких сил несколько – подъемные и боковые, а также лобовое сопротивление.

Типы аэродинамики

Область исследования может быть разделена на несжимаемую и сжимаемую аэродинамику в соответствии с числом Маха , то есть в соответствии с соотношением между скоростью потока и скоростью звука .

  • Несжимаемая аэродинамика касается потоков, для которых число Маха меньше примерно 0,2, что позволяет сделать некоторые упрощающие предположения.
  • Сжимаемая аэродинамика подразделяется на аэродинамику:
    • дозвуковой при Маха <1 и критическом Маха , что соответствует скорости потока, локально превышающей скорость звука  ;
    • околозвуковой при Маха между критическим Маха и 1;
    • сверхзвуковой со скоростью от 1 до 5 Маха и гиперзвуковой выше.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх)  — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2  и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

  • Формой кузова;
  • Трением потока о поверхности при обтекании;
  • Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

Основные действующие силы

Если вспомнить законы физики, то можно констатировать – во время движения на машину действует две основные силы – прижимная и подъемная.

При этом многое зависит от формы объекта, сталкиваясь с которым воздух поднимается или опускается к земле.

Сегодня есть множество моделей машин, у которых из-за неправильной формы кузова проявляется дополнительная подъемная сила. Последняя всеми силами пытается оторвать переднюю часть от земли. И чем выше скорость движение, тем мощнее данная сила.

Когда автомобиль сталкивается с потоком воздуха, у последнего есть всего два пути – уйти вверх или отправиться под днище транспортного средства.

Самое интересное, что во время езды давление воздуха под авто зачастую гораздо выше, чем над ним. Здесь проявляется так называемый «эффект Бернулли».

Молекулы воздуха быстрее перемещаются над верхним кузовом авто, поэтому там давление ниже. Под машиной плотность воздуха много больше, поэтому выше и давление.

Какой можно сделать вывод? На большой скорости потоки воздуха стараются оторвать переднюю часть от земли, но этому явлению сопротивляется сила тяжести.

Короли аэродинамики в автомире.

Аэродинамика – это загадка мироздания, которую, конечно, уже давно разгадали ученые, конструкторы и инженеры автопромышленности. С самого начала появления автомобилей в нашем мире аэродинамика идет с ними бок о бок

Да, было время, когда автопроизводители забыли про важность аэродинамики. Особенно когда топливо стоило дешевле, чем алкоголь

Но сегодня, когда бензин и дизельное топливо не радуют своими ценниками на АЗС многих стран, физика твердого тела, движущегося в воздухе, имеет фундаментальное значение для ускорения и повышения эффективности автомобилей.

Напомним, что коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха влияет на то, как автомобиль потребляет топливо на скорости. Это же касается и электрических автомобилей, для которых аэродинамика играет первостепенную роль, поскольку чем меньше сопротивление воздуха, тем меньше расходуется электричество для питания электромотора. 

Благодаря развитию аэродинамики в автопромышленности многие автомобили стали обтекаемы по сравнению со своими предшественниками. Но в истории автомира было немало примеров, когда автомобильные компании пытались экспериментировать с необычными аэродинамическими формами. К сожалению, в большинстве случаев потребители не оценили то, что получалось, по причине того, что форма не соответствовала духу времени. 

Мы собрали для вас самые интересные и необычные автомобили, имеющие странные аэродинамические кузова. Некоторые проекты неудачны, некоторые вполне удивляют даже сегодня. 

На какой высоте устанавливать антикрыло

Малоопытные водители часто удивляются высокому расположению элементов, считая это решение глупым и бессмысленным. На самом деле при движении на треке подобный тип установки является оправданным.

Крыло в этом случае располагается в зоне «чистого воздуха», то есть на пути следования потока над крышей авто.

Во время движения в задней части машины давление воздуха разрежено и прижимной силы практически нет.

Антикрыло ставится таким образом, чтобы через него проходил «чистый воздух» и выполнял свою функцию. Если поставить девайс ниже, то от него попросту не будет толка.

Но, исходя из вышесказанного, возникает вопрос по поводу оптимальной высоты для установки антикрыла.

Здесь есть несколько вариантов (в зависимости от типа кузова).

Седан.

Практически на всех авто такого типа угол «скоса» заднего стекла очень большой. Следовательно, разреженность воздуха над багажником проявляется намного больше.

Ставить спойлер на низких «ножках» в таком авто бессмысленно. Лучший выход – монтаж аэродетали на максимально допустимую высоту.

Лифт-, фастбэк или купе.

У таких авто заднее стекло довольно «покатое», угол небольшой. Следовательно, разрежение воздуха над задней частью машины не так заметно. В этом случае антикрылья должны ставиться на среднюю высоту.

Универсал, хэтчбек.

Все авто такого класса имеют одну общую особенность – у них нет багажников в том виде, в каком мы привыкли их видеть.

В этом случае спойлер должен устанавливаться как раз на краю крыши, чтобы через аэродеталь проходили потоки «чистого воздуха».

3.3. Аэродинамическое сопротивление

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле

где S — площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v — скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ — плотность воздуха, кг/м3; сх — коэффициент аэродинамического сопротивления (1).

Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:

где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.

Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из табл. 3, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.

Таблица 3. Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей

Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

На рис. 4 показано КЩ изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv в зависимости от скорости v для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и аэродинамического сопротивления, равны, что характерно для данного вида автомобилей

По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важном значении аэродинамического сопротивления. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля

Рис. 4. Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению. Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции автомобиля S = 2 м2, коэффициент сопротивления качению f = 0,015, коэффициент аэродинамического сопротивления сх = 0,456

При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:

где N2 — требуемая мощность, кВт; N1 — достигнутая максимальная мощность, кВт; v2 — требуемая скорость, км/ч; v1 — достигнутая максимальная скорость, км/ч.

Через точку X — максимальная мощность N1 при максимальной скорости v1 — проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.

Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.

Подъемная и прижимная сила

В результате неравномерного обтекания потоком воздуха автомобиля с разных сторон возникает разница в скорости его движения.


Действующие подъемная и прижимная силы

Автомобиль движется и рассекает поток воздуха, при этом часть этого потока уходит под авто и проходит под днищем, то есть движется практически по прямой. А вот верхней части потока приходится повторять форму кузова, и ей приходится проходить большее расстояние. Из-за этого возникает разница в скорости воздуха – верхняя часть движется быстрее нижней, проходящей под авто. А поскольку увеличение скорости сопровождается снижением давления, то под днищем образуется зона повышенного давления, которая приподнимает машину.

Проблем добавляет и лобовое сопротивление. Область повышенного давления воздушной массы перед машиной прижимает передок к дороге, в то время как разрежение и завихрения позади наоборот – способствуют приподнятию кузова. Подъемная сила, как и лобовое сопротивление, возрастает при увеличении скорости движения.

Негативным фактором от воздействия такой силы является ухудшение устойчивости авто при увеличении скорости и повышение вероятности ухода в занос.

Но эта сила может оказывать и положительное действие. При внесении корректив в конструкцию авто возможно преобразование подъемной силы в прижимную, которая будет обеспечивать лучшее сцепление с дорогой, устойчивость авто, его управляемость на высоких скоростях.

При этом для получения прижимной силы не требуется каких-либо отдельных решений. Все разработки, направленные на снижение коэффициента Сх также сказываются и на прижиме. К примеру, оптимизация формы задней части приводит к уменьшению завихрений и разрежения, из-за чего подъемная сила тоже снижается, а прижимная — повышается. Установка заднего спойлера действует таким же образом.


Уменьшение завихрений при установке спойлера

Боковые же силы при установлении аэродинамики автомобиля, особо в расчет не берутся, в силу того, что они не постоянны, а также значительного влияния на показатели авто не оказывают.

Но это все теория аэродинамики автомобиля. На практике все можно пояснить одним предложением — чем хуже аэродинамика, тем выше расход топлива.

EV1 General Motors

Хотя компания General Motors официально и не продавала свою модель EV1, а только сдавала в аренду, этот автомобиль написал в автопромышленности свою историю. Этот автомобиль вместил в себя как и разочарования (проект был сырой, и машина была ненадежна), так и позитив. Этот автомобиль, начиная с 1996 года, стал первым электромобилем в автопромышленности. Всего было произведено 1000 автомобилей.

Машина оснащалась простыми свинцовыми или никель-металлогидридными батареями. Но, несмотря на это, запас хода у электрического транспортного средства был потрясающим – 230 км. И все это благодаря конструкции кузова, который имел невероятный коэффициент сопротивления воздуха, составляющий всего 0,19 cd.

Что такое аэродинамика автомобиля

Как бы странно это ни звучало, чем с большей скоростью автомобиль движется по дороге, тем сильнее он будет стремиться оторваться от земли. Причина в том, что поток воздуха, с которым сталкивается транспортное средство, разрезается кузовом авто на две части. Одна проходит между днищем и дорожным покрытием, а вторая – над крышей, и огибает контур машины.

Если посмотреть на кузов автомобиля сбоку, то визуально он будет отдаленно напоминать крыло самолета. Особенность этого элемента летательного аппарата заключается в том, что воздушный поток над изгибом проходит больше пути, чем под прямой частью детали. Из-за этого над крылом создается разряжение, или вакуум. С увеличением скорости эта сила сильнее приподнимает корпус.

Подобный подъемный эффект создается и у автомобиля. Верхний поток огибает капот, крышу и багажник, а нижний – только днище. Еще один элемент, который создает дополнительное сопротивление, это приближенные к вертикали детали кузова (радиаторная решетка или лобовое стекло).

Скорость транспорта напрямую влияет на подъемный эффект. Причем форма кузова с вертикальными панелями создает дополнительное завихрение, которое снижает сцепление транспорта с дорогой. По этой причине владельцы многих классических автомобилей с угловатыми формами при тюнинге обязательно крепят к кузову спойлер и другие элементы, позволяющие увеличивать прижимную силу машины.

Основные факты аэродинамики

Откуда берется это сопротивление? Все очень просто. Вокруг нашей планеты имеется атмосфера, состоящая из газовых соединений. В среднем плотность твердых слоев атмосферы (пространство от земли и до высоты птичьего полета) составляет около 1,2кг/квадратный метр. Когда предмет находится в движении, он сталкивается с молекулами газов, входящих в состав воздуха. Чем выше скорость, тем с большей силой эти элементы будут ударяться о предмет. По этой причине, входя в земную атмосферу, космический аппарат начинает сильно нагреваться от силы трения.

Самая первая задача, с которой пытаются справиться разработчики нового дизайна модели, это как снизить лобовое сопротивление. Этот параметр увеличивается в 4 раза, если транспорт ускорится в пределах от 60км/ч до 120км/ч. Чтобы понять, насколько это существенная величина, рассмотрим небольшой пример.

Вес транспорта составляет 2 тысячи кг. Транспорт разгоняется до 36 км/ч. При этом затрачивается всего 600 Ватт мощности на преодоление этой силы. Все остальное тратится на разгон. Но уже на скорости в 108 км/ч. на преодоление фронтального сопротивления уже используется 16 кВт мощности. При движении на скорости в 250км/ч. автомобиль тратит уже целых 180 лошадиных сил на силу сопротивления. Если водитель захочет разогнать авто еще сильнее, до 300 километров/час, помимо мощности для увеличения скорости мотору нужно будет расходовать уже 310 лошадей, чтобы справиться с фронтальным потоком воздуха. Вот зачем спортивному автомобилю требуется настолько мощный силовой агрегат.

Чтобы разработать максимально обтекаемый, но вместе с тем и достаточно комфортный транспорт, инженеры рассчитывают коэффициент Сх. Этот параметр в описании модели является самым важным, что касается идеальной формы кузова. Идеальной величиной в этой области обладает капля воды. У нее этот коэффициент составляет 0,04. Ни один автопроизводитель не согласится на столь оригинальный дизайн своей новой модели машины, хотя раньше встречались варианты в таком дизайне.

Уменьшать сопротивление ветра можно двумя методами:

  1. Изменить форму кузова настолько, чтобы поток воздуха максимально обтекал машину;
  2. Сделать автомобиль нешироким.

Во время движения машины на нее действует вертикальная сила. Она может иметь прижимный эффект, что положительно сказывается на сцеплении с дорогой. Если не увеличить давление на машину, образовавшийся вихрь будет обеспечивать отрыв транспорта от земли (этот эффект каждый производитель старается максимально устранить).

С другой стороны во время движения авто на него действует и третья сила – боковая. Эта область еще меньше поддается контролю, так как на нее влияет много непостоянных величин, например, боковой ветер при прямолинейном движении или на повороте. Силу этого фактора невозможно предугадать, поэтому инженеры не рискуют, и создают корпуса с шириной, которая позволяет пойти на определенный компромисс в коэффициенте Сх.

Чтобы определить, до какой степени можно учесть параметры вертикальных, фронтальных и боковых сил, ведущие производители автотранспорта создают специализированные лаборатории, в которых проводятся аэродинамические испытания. В зависимости от материальных возможностей, эта лаборатория может включать аэродинамическую трубу, в которой под большим потоком воздуха проверяется эффективность обтекаемости транспорта.

В идеале производители новых моделей авто стремятся либо довести свою продукцию до коэффициента в 0,18 (на сегодняшний день это идеал), либо превысить его. Но второе пока никому еще не удается, потому что невозможно устранить другие силы, воздействующие на машину.

Тупые и обтекаемые формы тела

Концепция

Сила между жидкостью и телом при относительном движении может передаваться только за счет нормального давления и касательных напряжений трения. Таким образом, для всего тела сила сопротивления, соответствующая приближающемуся движению жидкости, состоит из сопротивления трения (вязкое сопротивление) и сопротивления давления (сопротивление формы). Полное сопротивление и силы сопротивления компонента могут быть связаны следующим образом:

cdзнак равно2Fdρv2Азнак равноcп+cжзнак равно1ρv2А∫SdА(п-по)(п^⋅я^)⏟cп+1ρv2А∫SdА(т^⋅я^)Тш⏟cж{\ displaystyle {\ begin {align} c _ {\ mathrm {d}} & = {\ dfrac {2F _ {\ mathrm {d}}} {\ rho v ^ {2} A}} \\ & = c _ {\ mathrm {p}} + c _ {\ mathrm {f}} \\ & = \ underbrace {{\ dfrac {1} {\ rho v ^ {2} A}} \ displaystyle \ int \ limits _ {S} \ mathrm {d} A (p-p_ {o}) \ left ({\ hat {\ mathbf {n}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {i}}} \ right)} _ {c _ {\ mathrm { p}}} + \ underbrace {{\ dfrac {1} {\ rho v ^ {2} A}} \ displaystyle \ int \ limits _ {S} \ mathrm {d} A \ left ({\ hat {\ mathbf {t}}} \ cdot {\ hat {\ mathbf {i}}} \ right) T _ {\ rm {w}}} _ {c _ {\ mathrm {f}}} \ end {align}}}

куда:

cп{\ displaystyle c _ {\ mathrm {p}}}- коэффициент сопротивления давлению ,
cж{\ displaystyle c _ {\ mathrm {f}}}- коэффициент сопротивления трения ,
т^{\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {t}}}} = Тангенциальное направление к поверхности площадью dA,
п^{\ Displaystyle {\ шляпа {\ mathbf {п}}}} = Нормальное направление к поверхности с площадью dA,
Тш{\ Displaystyle Т _ {\ mathrm {w}}}- напряжение сдвига, действующее на поверхность dA,
по{\ displaystyle p _ {\ mathrm {o}}} — давление вдали от поверхности dA,
п{\ displaystyle p} — давление на поверхности dA,
я^{\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {i}}}} — единичный вектор в направлении набегающего потока

Следовательно, когда в сопротивлении преобладает фрикционная составляющая, тело называется обтекаемым телом ; тогда как в случае преобладающего сопротивления давлением тело называется тупым или обтекаемым телом . Таким образом, форма корпуса и угол атаки определяют тип сопротивления. Например, аэродинамический профиль рассматривается как тело с небольшим углом атаки текучей среды, протекающей через него. Это означает, что к нему прикреплены пограничные слои , которые создают гораздо меньшее сопротивление давлению.

Компромиссное соотношение между сопротивлением при нулевой подъемной силе и сопротивлением, вызванным подъемной силой

Бодрствование производится очень мало и сопротивление преобладают компоненты трения. Поэтому такое тело (здесь аэродинамический профиль) описывается как обтекаемое, тогда как для тел с потоком жидкости под большими углами атаки имеет место отрыв пограничного слоя. В основном это происходит из-за неблагоприятных градиентов давления в верхней и задней частях аэродинамического профиля .

Из-за этого происходит образование следа, что, следовательно, приводит к образованию завихрений и потере давления из-за сопротивления давления. В таких ситуациях аэродинамический профиль останавливается и имеет более высокое сопротивление давлению, чем сопротивление трения. В этом случае тело описывается как тупое тело.

Обтекаемое тело похоже на рыбу ( тунец ), оропесу и т. Д. Или на аэродинамический профиль с малым углом атаки, тогда как тупое тело похоже на кирпич, цилиндр или аэродинамический профиль с большим углом атаки. При заданной площади фронта и скорости обтекаемое тело будет иметь меньшее сопротивление, чем тупое тело. Цилиндры и сферы считаются затупленными телами, потому что в сопротивлении преобладает составляющая давления в области следа при высоком числе Рейнольдса .

Чтобы уменьшить это сопротивление, можно уменьшить отрыв потока или уменьшить площадь поверхности, контактирующей с жидкостью (для уменьшения сопротивления трения). Это снижение необходимо в таких устройствах, как автомобили, велосипеды и т. Д., Чтобы избежать вибрации и шума.

Практический пример

Аэродинамический дизайн автомобилей развивался с 1920 — х до конца 20 — го века. Это изменение конструкции от тупого корпуса к более обтекаемому уменьшило коэффициент лобового сопротивления с 0,95 до 0,30.

Изменение во времени аэродинамического сопротивления автомобилей в сравнении с изменением геометрии обтекаемых кузовов (от тупого к обтекаемому).

Классификация транспортных средств в США

Фундаментальные определения автомоби­лей в 49 CFR Part 523 “Vehicle Classification” (CFR, Кодекс федеральных правил США ): че­тырехколесные автомобили с разрешенной полной массой до 10 000 фунтов, работаю­щие на углеводородном или альтернативном топливе, предназначенные для эксплуатации на дорогах общего пользования.

Дальнейшее подразделение на легковые автомобили для перевозки не более десяти человек и легкие грузовики, отвечающие одному из следующих требований:

  • Более 10 посадочных мест;
  • Открытая грузовая площадка (пикапы);
  • Грузовой отсек больше пассажирского;
  • Предназначены для внедорожной эксплуа­тации.

Основные понятия аэродинамики

Чтобы легче разобраться в аэродинамике, определимся с терминами, принятыми в этой науке.

Сила аэродинамического сопротивления (Рх) — сила, с которой поток воздуха «давит» на движущийся автомобиль. Всегда действует в сторону, противоположную движению. Чем больше, тем ниже максимальная скорость и динамика автомобиля при прочих равных условиях.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх). Безразмерная величина, обычно меньше единицы. Определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помочью расчетов. Физический смысл — отношение аэродинамической силы к скоростному напору и характерной площади. У современных автомобилей значение Сх в районе 0,30. Внедорожники имеют чуть больший коэффициент Сх из-за большей площади кузова.

Подробнее про коэффициент Сх в данной статье.

Подъемная сила (Рz) — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. При обтекании автомобиля частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, то есть более выпуклую поверхность. А согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.

Вискомуфта (вязкостная муфта). Принцип работы и устройство

Коэффициент подъемной силы (Су). Тоже безразмерный, определяется аналогично Сх. Зависит от форм автомобиля, его ориентации в пространстве, чисел Рейнольдса и Маха.

Мидель (от middel — средняя) – наибольшая площадь сечения автомобиля, перпендикулярная направлению движения.

Опрокидывающий момент (Му) — определяет перераспределение нагрузок между передними и задними осями автомобиля. Возникает из-за того, что Рх всегда действует под углом к продольной оси автомобиля. По Му можно судить о возможном изменении управляемости на высоких скоростях, а нулевое значение говорит о том, что независимо от скорости автомобиля тот будет управляться одинаково, а заложенный производителем баланс нагрузок на колеса не нарушится.

Момент крена (Мх) и разворачивающий момент (Мz) – характеризуют способность автомобиля противостоять порывам бокового ветра. Чем меньше абсолютные значения, тем меньше водитель чувствует влияние капризов природы.

Что такое сопротивление качению шины?

Давайте разберемся, что такое сопротивление качению шин. Когда вы нажимаете на педаль газа в вашем автомобиле, вы начинаете ускоряться. Но если посмотреть более детально на сам процесс ускорения автомобиля, то можно увидеть, что нажимая на педаль газа вы передаете энергию от сгорания топлива в моторе, или электрическую энергию (все зависит от того, какой тип двигателя вы используете) через другие системы прямиком на шины вашего автомобиля. Это приводит к тому, что ваши покрышки начинают оборачиваться и набирать достаточный импульс, чтобы ваш автомобиль начал двигаться. Но для того, чтобы колесо начало двигаться, ваши покрышки должны преодолеть очень много факторов, которые препятствуют началу движения. И одним из этих факторов является сопротивление качению шины.

Если говорить техническим языком, то сопротивление качению шины – это минимальная энергия, которую ваше транспортное средство должно передать на колеса, чтобы поддерживать постоянную скорость на ровном дорожном полотне. Другими словами, это усилие, которое нужно для того, чтобы колесо постоянно двигалось.

Главным источником сопротивлению качения является процесс, который называется гистерезис. С технической точки зрения, гистерезис – это, по сути, потеря энергии, которая возникает при прохождении шины по поверхности дорожного полотна. Из-за того, что двигатель автомобиля должен постоянно компенсировать гистерезис, он должен вырабатывать дополнительную энергию, что приводит к увеличению расхода топлива.