Зависимость сопротивления воздуха от скорости движения

Лобовое сопротивление автомобилей таблица

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.

Силы действующие на автомобиль при движении

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Силы действующие на автомобиль при движении

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

  • тяговая сила
  • сила сопротивления воздуха
  • сила сопротивления качению

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Силы сопротивления

При перемещении любого тела в любой среде между поверхностями появляется сопротивление, именуемое силой трения.

Зависимость сопротивления воздуха от скорости движения

Уменьшить расход бензина можно позаботившись об уменьшении действующих на автомобиль сил сопротивления. Расскажем что такое аэродинамика машины, основные термины и понятия, что на неё влияет в первую очередь.

На больших скоростях основной вклад вносит сила аэродинамического сопротивления. Аэродинамика имеет прямое отношение к управляемости, устойчивости и безопасности, особенно при движении с высокой скоростью. Даже способность загрязняться напрямую зависит, насколько качественно, с точки зрения аэродинамики, продуман автомобиль. А знаете, что такое «воздушный мешок» или «аэродинамическая тень», что такое «граунд-эффект»? Давайте разбираться.

7. 1 Силы сопротивления движению и мощности, затрачиваемые на их преодоление

Силами сопротивления называются силы, препятствующие Движению автомобиля. Эти силы направлены против его движе­ния.

При движении на подъеме, характеризуемом высотой Нп, длиной проекции Вп на гори­зонтальную плоскость и углом подъема дороги а, на автомобиль действуют следующие силы со­противления (рис. 7.1): сила со­противления качению Рк, равная сумме сил сопротивления каче­нию передних К1) и задних К2) колес, сила сопротивления подъе­му Рп, сила сопротивления воз­духа Рви сила сопротивления раз­гону Ри. Силы сопротивления ка­чению и подъему связаны с особенностями дороги. Сумма этих сил называется силой сопротивления дороги Рд.

Рис. 7.1. Силы сопротивления движению автомобиля

Сила сопротивления качению

Возникновение силы сопротивления качению при движении обусловлено потерями энергии на внутреннее трение в шинах, поверхностное трение шин о дорогу и образование колеи (на де­формируемых дорогах).

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.

7.2. Уравнение движения автомобиля

Для вывода уравнения движения рассмотрим разгон автомоби­ля на подъеме (рис. 7.10).

Спроецируем все силы, действующие на автомобиль, на по­верхность дороги:

(7.1)

Подставим в формулу (7.1) касательные реакции дороги RX1и RX2, объединим члены с коэффициентом сопротивления каче­нию f и члены с ускорением j и, принимая во внимание соотно­шения f(RZl + RZ2)- Pk и /*, + Л2 = Jк , а также коэффициент уче­та вращающихся масс, получим уравнение движения автомобиля в общем виде:

или

(7.2)

Уравнение движения автомобиля выражает связь между дви­жущими силами и силами сопротивления движению. Оно позво­ляет определить режим движения автомобиля в любой момент.

Так, например, при установившемся (равномерном) движе­нии

Из уравнения (7.2) следует, что безостановочное движение автомобиля возможно только при условии

Ещё посмотрите лекцию “18 Дизайн молекул лекарств” по этой теме.

Рис. 7.10. Схема сил, действую­щих на автомобиль на подъеме

данное неравенство связыва­ет конструктивные параметры ав­томобиля с эксплуатационными факторами, обусловливающими сопротивление движению. Одна­ко оно не гарантирует отсутствия буксования ведущих колес. Безо­становочное движение автомоби­ля без буксования ведущих колес возможно лишь при соблюдении условия

Рсц />РТ />РД+ РВ.

Условие равномерного движения при отсутствии буксования ведущих колес записывается в виде

РсцРТ = РД+ РВ

Сила сцепления колес с дорогой

Трение, возника­ющее между ведущими колесами автомобиля и дорогой, называется силой сцепления. Сила сцепления равна произведению коэф­фициента сцепления на сцепной вес, т. е. вес, приходящийся на ведущие колеса автомобиля. Величина коэффициента сцепления шин с дорогой зависит от качества и состояния дорожного покрытия, формы и состояния рисунка протектора шины, давления воздуха в шине.

У легковых автомобилей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

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.

Что влияет на коэффициент Сх?

Один из лучших методов улучшения динамики машины – удалить все, что создает лишнее аэродинамическое сопротивление. Это могут быть банальные вещи. Вот как они увеличивают коэффициент Сх:

Подъемная и прижимная сила

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

лобовое сопротивление авто

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.

Коэффициент местного сопротивления

Сначала дадим определение коэффициенту местного сопротивления. Местными сопротивлениями называются называют точечные потери напора, связанные с изменением структуры потока. В вентиляции существует множество составляющих, что играют роль местного сопротивления:

  • поворот воздуховода,
  • сужение или расширение потока,
  • вход воздуха в воздухозаборную шахту;
  • «тройник» и «крестовина»;
  • приточные и вытяжные решетки и воздухораспределители;
  • воздухораспределители;
  • диффузор;
  • заслонки и т.д.

Их КМС рассчитываются по определенным формулам, а затем они участвуют в определении местных потерь давления. В математическом понятии коэффициент местных потерь — это отношение потерь известного напора в местном сопротивлении к скоростному напору.

Формула расчета местного сопротивления

Коэффициент местного сопротивления зависит от формы и вида местного сопротивления, шероховатости воздуховода и как ни странно от числа Рейнольдса. Для заслонок и другой запорной арматуры к перечисленному додается еще степень открытия.

Связанность КМС с числом Рейнольдса выражается в формуле

Зависимость от числа Рейнольдса

Значения коэффициентов В

для некоторых местных сопротивлений

Значение В

Чем больше число Rе тем меньше от него зависит коэффициент. Полная независимость коэффициента местного сопротивления от числа Rе в вентиляционной системе происходит для резких переходов при Rе > 3000, а для плавных переходов — при Rе > 10000.

Суммарный коэффициент местных сопротивлений на участке воздуховода равен сумме всех местных коэффициентов на этом участке.

На практике же времени особо для расчета КМС нету, поэтому проектировщики пользуются таблицами со справочников и других источников. Тем более зачем тратить кучу времени на поиски формул и расчеты, если это уже сделали за вас. Многие ]шумоглушителей[/anchor], клапанов и решеток с удовольствием указывают значение коэффициента местного сопротивления в каталогах. Но, конечно, уж если совсем никаких данных не нашли, тогда нужно прибегнуть к математике.

Что ещё влияет на аэродинамику?

Конечно, конструкторы стараются по максимуму снизить сопротивление авто при движении и повысить прижимную силу. Но особенности эксплуатации авто и свой взгляд автовладельцев на внешние особенности машины вносят свои коррективы, причем в некоторых случаях – значительны.


Аэродинамическое сопротивление разных автомобилей в зависимости от скорости

К примеру, установка багажника на крышу, даже с аэродинамической формой увеличивает поперечную проекцию авто и сильно влияет на обтекаемость, это сразу сказывается на потреблении топлива.

Также расход повышается от езды с открытыми окнами и люком, использование защитных и декоративных обвесов, перевозка негабаритных грузов, выступающих за авто, нарушение положения конструктивных элементов, расположенных под днищем, повышение клиренса.

Но автовладелец также может и внести коррективы, которые положительно повлияют на аэродинамику автомобиля. К ним относится использование аэродинамических обвесов, установка спойлера, уменьшение клиренса.

Центр тяжести

На автомобиль, как и на любое другое тело, действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Центром тяжести автомобиля называют такую точку автомобиля, от которой вес автомобиля распределяется равномерно во всех направлениях. У автомобиля центр тяжести располагается между передней и задней осью на высоте около 0,6 м для легковых и 0,7—1,0 м для гру­зовых. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее авто­мобиль против опрокидывания. При загрузке автомобиля грузом центр тяжести поднимается у легковых автомобилей примерно на 0,3—0,4 м, а у грузовых на 0,5 м и более в зависимости от рода груза. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может также сместиться вперед, назад или в сторону, при этом будут нарушаться устойчивость автомобиля и легкость управления.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий