Улучшение аэродинамики автомобиля

Аэродинамическое сопротивление. Лобовое сопротивление. Аэродинамическая труба

Аэродинамическое сопротивление является силой, действующей противоположно относительного движения любого объекта. Оно может существовать между двумя слоями твердой поверхности. В отличие от других резистивных множеств, таких как сухое трение, которые почти не зависят от скорости, силы сопротивления подчиняются данному значению. Несмотря на то, что конечной причиной действия является вязкое трение, турбулентность не зависит от нее. Сила сопротивления пропорциональна скорости ламинарного потока.

Аэродинамическое сопротивление тел

Несмотря на то что прилегающий к поверхности пограничный слой имеет толщину несколько миллиметров, характер потока в этом пограничном слое, где проявляются силы вязкого трения жидкости, в значительной мере влияет на режим всего потока. Возникновение сопротивления в двухмерном несжимаемом потоке можно объяснить только с помощью трения жидкости.

Работа силы сопротивления воздуха формула. Сила сопротивления воздуха. Трение частиц воздуха

На сайте вы найдете материалы по механике, молекулярной физике, основам термодинамики, оптике и прочих областях физики. Новости физики, научные обзоры. Учебные материалы. Форум по физике.

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.

Понятие

Аэродинамическое сопротивление — это сила, которая действует на любом двигающемся твердом теле в направлении текучей среды набегающего потока. С точки зрения приближения ближнего поля, сопротивление является результатом сил из-за распределения давления по поверхности объекта, символизируемых D. Из-за трения кожи, которое является результатом вязкости, обозначается De. Альтернативно, рассчитанная, с точки зрения поля течения, сила сопротивления возникает в результате трех природных явлений: ударных волн, вихревого слоя и вязкости. Это все можно найти в таблице аэродинамических сопротивлений.

Определение силы трения

Силы трения определяются при помощи третьего закона Ньютона, в соответствии с которым сила сопротивления приравнивается силе, с которой необходимо воздействовать на тело, чтобы перемещать его равномерно по горизонтальной поверхности. Ее измеряют, используя динамометр.

Значение силы трения прямо пропорционально зависит от массы тела и материала, из которого оно состоит. Также следует учитывать коэффициент u, зависящий от материала поверхности опоры. Кроме того, для расчета силы трения используют ускорение свободного падения (g=9.8 м⁄с^2) .

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

При движении тела высоко над землей, силы сопротивления зависят от плотности воздуха, скорости перемещения тела. При небольшой скорости движения силу трения определяют по формуле:
(F=va) ,
где (v) – скорость перемещения тела;
(a) – коэффициент сопротивления воздуха.

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.

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.

Теломассой 1 кг бросили вертикально вниз с высоты 40 м с начальной скоростью 10 м/с.Определите среднее значение силы сопротивления воздуха при движении тела, еслиего скорость в момент падения на поверхность Земли 20 м/с.

Решение.

Численно: F= 6.3 H.

Источник: Физика. Полный курс подготовки к ЦТ. Под общей редакцией проф. В.А. Яковенко.

Разновидности силы трения

Силы сопротивления бывают разных видов:

• сила трения качения (P_f) . Зависит от вида и структуры поверхности опоры, скорости перемещения тела, давления окружающей среды и прочих факторов. Коэффициент сопротивления качению (f ) зависим от типа и состояние поверхности опоры, и обратно пропорционален температуре и давлению.
• сила трения воздуха (лобовое сопротивление) (P_вл) . Появляется из-за разности давлений. Этот показатель зависит от вихреобразований вокруг предмета движения, которые в свою очередь зависят от формы перемещающегося предмета.

Более значимо на сопротивление будет влиять перемещение передней части предмета. Таким образом, при формировании закругления в передней и задней части предмета можно снизить показатель сопротивления до 72%. Сила лобового сопротивления рассчитывается следующим образом:

где (c_x) – коэффициент обтекаемости или лобового сопротивления;
(p) – плотность среды;
(F_в) – площадь лобового сопротивления (миделевого сечения).
Сила трения воздуха направлена противоположно вектору скорости перемещения тела. Ее рассматривают как сконцентрированную силу, приложенную к центру парусности тела, которая может не совпадать с центром его тяжести.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

По второму закону ньютона сила сопротивления ускорению тела, совершающего поступательные движения, определяется так:

где (m) – масса объекта;
() – ускорение центра масс.

Как меняют аэродинамику автомобиля?

Задача специалистов по аэродинамике состоит в уменьшении паразитных сил и моментов (Рх, Рz, Му, Мх и Мz). Добиться можно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, что ведет к увеличению площади миделя и как следствие – к увеличению силы лобового сопротивления. Тупик? Нет, оказывается, грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы позволяют уменьшить Сх! Что это за устройства? Обычно при слове обвес речь идет о бамперах, порогах, спойлерах и антикрыльях.

Антикрыло. Создано для борьбы с подъемной силой. Первостепенная задача – создать прижимную силу, чтобы колеса не теряли контакт с дорогой ни при каких условиях. Взгляните на болиды Ф1. Вот где антикрылья – усилия работы специалистов по аэродинамике! Но перебарщивать с размерами нельзя – резко растет аэродинамическое сопротивление, а значит – падает скорость, увеличивается расход топлива. Практически на всех спортивных автомобилях рабочая часть крыла выполнена регулируемой для возможности изменения угла атаки и возможности настройки.

Спойлер (от spoil — портить). Аэродинамический элемент с одной рабочей поверхностью для изменения направления движения воздушного потока. Основная задача «правильного» спойлера – организация безотрывного и «плавного» обтекания воздушным потоком всей поверхности автомобиля, что повышает устойчивости при движении с высокими скоростями. Спойлер может бороться с подъемной силой, отсюда его сложные формы. Но эта деталь всегда примыкает к кузову автомобиля. По большому счету, бамперы и пороги это тоже большие спойлеры.

Диффузор. Дальше всех пошли спортсмены – они решили присосать автомобиль к трассе! Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила. Плодами этого открытия норовит воспользоваться каждый автопроизводитель: диффузоры, обеспечивающие ускорение потока, появляются в задней части гражданских машин.

Проблема, что для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны по возможности плоское днище и минимальный дорожный просвет. Если строители спортивных машин могут это позволить, то, к примеру, на Evolution диффузор служит скорее украшением, чем полноценным аэродинамическим элементом.

История

Идея о том, что движущееся тело, проходящее через воздух (формула плотности) или другую жидкость, встречает сопротивление, была известна со времен Аристотеля. В статье Луи Чарльза Бреге, написанной в 1922 году, начались усилия по снижению сопротивления путем оптимизации. Автор продолжал воплощать свои идеи в жизнь, создав несколько рекордных самолетов в 1920 и 1930 годах. Теория пограничного слоя Людвига Прандтля в 1920 году дала стимул минимизировать трение.

Еще один важный призыв к упорядочению был сделан сэром Мелвиллом Джонсом, который представил теоретические концепции, чтобы убедительно продемонстрировать важность упорядочения в конструкции самолета. В 1929 году его работа «Обтекаемый аэроплан», представленная Королевскому авиационному обществу, была плодотворной. Он предложил идеальный самолет, который имел бы минимальное сопротивление, что привело бы к концепции «чистого» моноплана и убирающейся ходовой части.

Одним из аспектов работы Джонса, которая больше всего шокировала дизайнеров того времени, был его график зависимости мощности лошади от скорости для реальной и идеальной плоскости. Если посмотреть на точку данных для самолета и экстраполировать ее горизонтально до идеальной кривой, можно увидеть выигрыш вскорости для той же мощности. Когда Джонс закончил свою презентацию, один из слушателей назвал результаты того уровня важности, что и цикл Карно в термодинамике.

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.

Силы трения при высоких скоростях перемещения тел

При небольших скоростях перемещения тел силы сопротивления зависят от скорости такого перемещения, вязкости среды и размеров тела. А вот при высоких скоростях все обстоит немного по-другому.
В воздухе и воде законы вязкости в данном случае не дают полную картину. Даже при скорости в (1 см/с) эти законы действуют только для небольших тел.

Если движение тела медленное, то жидкость плавно обтекает тело, и в данном случае силу сопротивления можно приравнять к силе вязкого трения.

При высокой скорости движения тела за ним возникает сложное движение среды. Здесь появляются и исчезают различные струи, потоки, формирующие необычные фигуры завихрений. Данное движение называется турбулентным.

Сила турбулентного сопротивления зависит немного по-другому от скорости и размеров объекта, нежели при вязком трении. Данная величина будет пропорциональна квадратам скорости и размеров тела. Вязкостью среды пренебрегают, а вот ее плотность имеет значение. Силу турбулентного сопротивления определяют так:

(F=pv^2 L^2,) где (v) – скорость перемещения тела;
(L) – размеры тела;
(p) – плотность среды.

Сила сопротивления подъему

F п =G а sinα.

В дорожной практикевеличину уклона обычно оцениваютвеличиной подъема полотна дороги,отнесенную к величине горизонтальнойпроекции дороги, т.е. тангенсом угла, иобозначают i, выражая полученное значение в процентах.При относительно небольшой величинеуклона допустимо в расчетных формулахпри определении силы сопротивленияподъему использовать не sinα., а величину iв относительныхзначениях. При больших значенияхвеличины уклона замена sinα величиной тангенса (i/100)недопустима.

Паразитное перетаскивание

Это сопротивление, вызванное перемещением твердого объекта через жидкость. Паразитное перетаскивание состоит из нескольких компонентов, включая перемещение при вязком давлении и из-за шероховатости поверхности (трением обшивки). Кроме того, присутствие нескольких тел в относительной близости может вызывать так называемое интерференционное сопротивление, которое иногда описывается как компонент данного термина.

В авиации индуцированный отпор имеет тенденцию быть мощнее на более низких скоростях, потому что для поддержания подъемной силы требуется большой угол атаки. Однако с увеличением скорости он может быть уменьшен, как и индуцированное сопротивление. Паразитный отпор, однако, становится больше, потому что жидкость течет быстрее вокруг выступающих объектов, усиливая трение.

На более высоких скоростях (трансзвуковых) волновое сопротивление выходит на новый уровень. Каждая из этих форм отпора изменяется пропорционально другим в зависимости от скорости. Таким образом, общая кривая сопротивления показывает минимум при некоторой воздушной стремительности — самолет будет иметь оптимальную эффективность или приближаться к ней. Пилоты будут использовать эту скорость, чтобы максимизировать выносливость (минимальный расход топлива) или дальность скольжения в случае отказа двигателя.

Поломка прибора помогла решить 60-летнюю квантовую загадку

Около 60 лет назад американский ученый-физик и лауреат Нобелевской премии Николас Бломберген (Nicolaas Bloembergen) предсказал возможность существования такого явления, как ядерный электрический резонанс. Однако, вплоть до последнего времени еще никому не удавалось продемонстрировать это явление вживую.

Кривая мощности в авиации

Взаимодействие паразитного и индуцированного сопротивления в зависимости от воздушной скорости можно представить в виде характеристической линии. В авиации это часто называют кривой мощностью. Она важна для пилотов, поскольку показывает, что ниже определенной воздушной скорости и для ее поддержания противоинтуитивно требуется больше тяги при уменьшении стремительности, а не меньше. Последствия того, что человек находится «за кулисами» в полете, важны и преподаются как часть обучения пилотов. На дозвуковых воздушных скоростях, где U-образная форма этой кривой значительна, волновое сопротивление еще не стало фактором. Именно поэтому оно не показывается на кривой.

Торможение в трансзвуковом и сверхзвуковом потоке

Волновое перетягиванием при сжатии — это перетаскивание, которое создается, когда тело движется в сжимаемой жидкости и со скоростями, близкими к стремительности звука в воде. В аэродинамике волновое сопротивление состоит из множества компонентов в зависимости от режима движения.

В трансзвуковой аэродинамике полета волновое сопротивление является результатом образования ударных валов в жидкости, образующихся при создании локальных областей сверхзвукового потока. На практике такое движение возникает на телах, движущихся значительно ниже стремительности сигнала, поскольку локальная быстрота воздуха увеличивается. Тем не менее полный сверхзвуковой поток над транспортным средством не будет развиваться до тех пор, пока значение не пройдет намного дальше. Самолеты, летящие на околозвуковой скорости, часто испытывают волновое состояние при нормальном ходе полета. В трансзвуковом полете такой отпор обычно называется трансзвуковым сопротивлением сжимаемости. Он значительно усиливается по мере увеличения скорости полета, доминируя над другими формами на этих скоростях.

В сверхзвуковом полете волновое сопротивление является результатом ударных валов, присутствующих в жидкости и прикрепленных к телу, образующихся на передней и задней его кромках. В сверхзвуковых потоках или в корпусах с достаточно большими углами поворота вместо этого будут образовываться незакрепленные ударные или изогнутые волны. Кроме того, локальные области трансзвукового потока могут возникать при более низких сверхзвуковых скоростях. Иногда они приводят к развитию дополнительных ударных валов, присутствующих на поверхностях других подъемных тел, аналогичных тем, которые обнаруживаются в трансзвуковых потоках. В мощных режимах течения волнового сопротивления обычно разделяются на две составляющие:

• Сверхзвуковой подъем в зависимости от значения.
• Объем, который также зависит от понятия.

Решение замкнутой формы для минимального волнового сопротивления тела вращения с фиксированной длиной было найдено Сирсом и Хааком и известно как “Распределение Сирса-Хаака”. Точно так же для фиксированного объема форма для минимального волнового сопротивления — “Von Karman Ogive”.

Биплан Буземана, в принципе, вообще не подвержен такому действию при работе на проектной скорости, но и не способен генерировать подъемную силу.

Сопротивление при нулевой подъёмной силе [ править | править код ]

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления. Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха, когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна характерной площади S, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

F = C F ρ V 2 2 S >>S> C F > — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике.

Определение характерной площади зависит от формы тела:

• в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
• для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
• для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
• для подводных объектов обтекаемой формы — площадь смачиваемой поверхности;
• для продолговатых тел вращения, ориентированных вдоль потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V2/3, где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости ( P = F ⋅ V = C F ρ V 3 2 S >>S> ).

Изделия

Аэродинамическая труба представляет собой инструмент, используемый в исследованиях для изучения влияния воздуха движущихся мимо твердых предметов. Такая конструкция состоит из трубчатого прохода с тестируемым объектом, установленным посередине. Воздух перемещается мимо предмета с помощью мощной системы вентиляторов или других средств. Испытательный объект, часто называемый моделью трубы, оснащен соответствующими датчиками для измерения воздушных сил, распределения давления или других аэродинамических характеристик. Это необходимо также для того чтобы вовремя заметить и исправить проблему в системе.

Какие бывают летательные аппараты

Давайте обратимся к истории сначала. Самые ранние аэродинамические трубы были изобретены в конце XIX века, в первые дни авиационных исследований. Именно тогда многие пытались разработать успешные летательные аппараты тяжелее воздуха. Аэродинамическая труба была задумана как средство обращения обычной парадигмы. Вместо того, чтобы стоять на месте и двигать через него объект, тот же эффект был бы получен, если бы предмет стоял неподвижно, а воздух двигался со скоростью выше. Таким образом стационарный наблюдатель может изучить летающее изделие в действии и измерить практическую аэродинамику, налагаемую на него.

Развитие труб сопровождало разработку самолета. Большие аэродинамические изделия были построены во время Второй мировой войны. Испытания в такой трубе считались стратегически важными во время разработки сверхзвуковых самолетов и ракет в годы холодной войны. На сегодняшний день летательные аппараты бывают какими угодно. И практически все важнейшие разработки уже внедрены в повседневную жизнь.

Позже исследование аэродинамической трубы стало само собой разумеющимся. Влияние ветра на искусственные сооружения или объекты необходимо было изучить, когда здания стали достаточно высокими, чтобы представить большие поверхности ветру, и возникающие силы должны были сопротивляться внутренними элементами здания. Дефиниция таких множеств потребовалась до того, чтобы строительные нормы могли определить требуемую прочность сооружений. И такие испытания продолжают использоваться для больших или необычных зданий до сих пор.

Еще позже проверки были применены к аэродинамическому сопротивлению автомобилей. Но это было не для того, чтобы определить силы как таковые, а для установления способов снижения мощности, необходимой для движения машины по дорожным полотнам с заданной скоростью. В этих исследованиях взаимодействие между дорогой и транспортным средством играет значительную роль. Именно его необходимо учитывать при интерпретации результатов испытаний.

В реальной ситуации проезжая часть движется относительно транспортного средства, но воздух неподвижен по отношению к трассе. Но в аэродинамической трубе воздух движется относительно дороги. В то время как последняя неподвижна по относительно транспортного средства. Некоторые проверочные автомобильные аэродинамические трубы включают в себя движущиеся ремни под испытательным транспортным средством. Это для того чтобы приблизиться к фактическому состоянию. Похожие устройства используются в аэродинамической трубе конфигураций взлета и посадки самолетов.

Молекулы впервые охладили до рекордно низкой температуры

Нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле и его коллеги охладили молекулы, которые состоят из атомов щелочных металлов, до сверхнизкой температуры в 220 нанокельвин. Это в 20 раз ниже предыдущего рекорда.

Снаряжение

Пробы спортивного оборудования также были распространены многие годы. Они включали в себя клюшки и мячи для гольфа, олимпийские бобслеи и велосипедисты, а также шлемы гоночных автомобилей. Аэродинамика последних особенно важна в транспорте с открытой кабиной (Indycar, Formula One). Чрезмерное подъемное усилие на шлеме может вызвать значительную нагрузку на шею водителя, а разделение потока на задней стороне — турбулентное уплотнение и, как следствие, ухудшение зрения на высоких скоростях.

Прогресс в моделировании вычислительной гидродинамики (CFD) на высокоскоростных цифровых компьютерах снизил потребность в испытаниях в аэродинамической трубе. Однако результаты CFD все еще не полностью надежны, данный инструмент используется для проверки прогнозов CFD.

Физики впервые вычислили предел текучести жидкости

Российские и британские ученые впервые вывели одно из фундаментальных уравнений физики, позволяющее теоретически вычислить предел, до которого жидкость остается жидкостью. Уравнение основано на фундаментальных природных константах.