Hvordan aerodynamikk fungerer

Kjøretøyer med en aerodynamisk design har en tendens til å være mer stabile i høyere hastigheter. Se flere bilder av sportsbiler. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Det er ubehagelig å tenke på, men forestill deg hva som ville skje hvis du kjørte bilen inn i en murvegg på 104 miles per time (104,6 kilometer i timen). Metall ville vri og rive. Glass ville knust. Kollisjonsputer ville sprite ut for å beskytte deg. Men selv med alle fremskritt i sikkerhet vi har med våre moderne biler, vil dette sannsynligvis være en tøff ulykke å gå bort fra. En bil er rett og slett ikke designet for å gå gjennom en murvegg.

Men det er en annen type "vegg" som biler er designet for å bevege seg gjennom, og har vært det lenge - veggen av luft som skyver mot et kjøretøy i høye hastigheter.

De fleste av oss tenker ikke på luft eller vind som en vegg. I lave hastigheter og på dager der det ikke er veldig vind ute, er det vanskelig å merke hvordan luften samhandler med kjøretøyene våre. Men i høye hastigheter, og på eksepsjonelt vindfulle dager, luftmotstand (kreftene handlet på et bevegelig objekt av luften - også definert som dra) har en enorm effekt på måten en bil akselererer, håndterer og oppnår drivstoffkilometer.

Dette der vitenskapen om aerodynamikk spiller inn. Aerodynamikk er studiet av krefter og den resulterende bevegelsen av objekter gjennom luften [kilde: NASA]. I flere tiår har biler blitt designet med aerodynamikk i tankene, og bilprodusentene har kommet med en rekke nyvinninger som gjør skjæring gjennom den "veggen" av luft enklere og mindre innvirkning på daglig kjøring.

-Å ha en bil designet med luftmengde i tankene betyr at den har mindre problemer med å akselerere og kan oppnå bedre antall drivstofføkonomi fordi motoren ikke trenger å jobbe nesten like hardt for å skyve bilen gjennom veggen av luft.

Ingeniører har utviklet flere måter å gjøre dette på. For eksempel er mer avrundede design og former på utsiden av kjøretøyet laget for å kanalisere luft på en måte slik at den flyter rundt bilen med minst mulig motstand. Noen høyytelsesbiler har til og med deler som beveger luften jevnt over undersiden av bilen. Mange inkluderer også en spoiler -- også kjent som en bakvinge -- for å forhindre at luften løfter bilens hjul og gjør den ustabil i høye hastigheter. Selv om de fleste spoilere som du ser på biler, som du vil lese senere, ganske enkelt er til dekorasjon mer enn noe annet.

I denne artikkelen skal vi se på fysikken til aerodynamikk og luftmotstand, historien om hvordan biler er designet med tanke på disse faktorene, og hvordan med trenden mot "grønnere" biler, er aerodynamikk nå viktigere enn noen gang.

innhold

1. Vitenskapen om aerodynamikk
2. Dragkoeffisienten
3. Historie om aerodynamisk bildesign
4. Måling av dra med vindtunneler
5. Aerodynamiske tillegg

Før vi ser på hvordan aerodynamikk brukes på biler, her er et lite fysisk forfriskningskurs, slik at du kan forstå den grunnleggende ideen.

Når et objekt beveger seg gjennom atmosfæren, fortrenger det luften som omgir den. Objektet blir også utsatt for tyngdekraft og dra. Dra genereres når en fast gjenstand beveger seg gjennom et flytende medium som vann eller luft. Dra øker med hastighet - jo raskere objektet beveger seg, jo mer blir det opplevd.

Vi måler et objekts bevegelse ved å bruke faktorene beskrevet i Newtons lover. Disse inkluderer masse, hastighet, vekt, ytre kraft og akselerasjon.

Drag har en direkte effekt på akselerasjonen. Akselerasjonens (a) akselerasjon er dens vekt (W) minus drag (D) delt på dens masse (m). Husk at vekt er objektets masse ganger tyngdekraften som virker på den. Vekten din vil endre seg på månen på grunn av mindre tyngdekraft, men massen din forblir den samme. For å si det enklere:

a = (W - D) / m

(kilde: NASA)

Når et objekt akselererer, øker hastigheten og dra, til slutt til det punktet der dra blir lik vekt - i hvilket tilfelle ingen ytterligere akselerasjon kan skje. La oss si at objektet vårt i denne ligningen er en bil. Dette betyr at når bilen kjører raskere og raskere, mer og mer luft presser seg mot den, begrenser hvor mye mer den kan akselerere og begrenser den til en viss hastighet.

Hvordan gjelder alt dette for bildesign? Vel, det er nyttig for å finne ut et viktig tall - dra-koeffisient. Dette er en av de viktigste faktorene som avgjør hvor lett en gjenstand beveger seg gjennom luften. Dra-koeffisienten (Cd) er lik dra (D), delt med mengden tetthet (r), ganger halve hastigheten (V) i kvadratet ganger området (A). For å gjøre det mer leselig:

Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)

[kilde: NASA]

Så realistisk, hvor mye dragkoeffisient sikter en bildesigner til hvis de lager en bil med aerodynamisk hensikt? Finn ut på neste side.

Toyota Prius unike form er en faktor som hjelper den å få utrolig drivstofføkonomi. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Vi har nettopp fått vite at dragkoeffisienten (Cd) er et tall som måler luftmotstandskraften på et objekt, for eksempel en bil. Tenk deg hvilken luftkraft som skyver mot bilen mens den beveger seg nedover veien. Med 70 miles per time (112,7 kilometer i timen), er det fire ganger mer kraft som jobber mot bilen enn ved 35 miles per hour (56,3 kilometer i timen) [kilde: Elliott-Sink].

De bilens aerodynamiske evner måles ved hjelp av kjøretøyets dragskoeffisient. I bunn og grunn, jo lavere en CD, jo mer aerodynamisk er en bil, og jo lettere kan den bevege seg gjennom veggen av luft som presser mot den.

La oss se på noen få Cd-tall. Husker du de gamle, vakre Volvo-bilene på 1970- og 80-tallet? En gammel Volvo 960 sedan oppnår en CD på 0,36. De nyere Volvos er mye mer slanke og svingete, og en S80 sedan oppnår en CD på 0,28 [kilde: Elliott-Sink]. Dette beviser noe du kanskje har kunnet gjette allerede - jevnere, mer strømlinjeformede former er mer aerodynamiske enn boxy. Hvorfor er det akkurat?

La oss se på den mest aerodynamiske tingen i naturen - en tåre. Teardropet er glatt og rundt på alle sider og avsmalner øverst. Luft strømmer rundt det jevnt når det faller til bakken. Det er det samme med biler - glatte, avrundede flater lar luften strømme i en strøm over kjøretøyet, noe som reduserer "skyvingen" av luft mot karosseriet.

I dag oppnår de fleste biler en CD på omtrent 0,30. SUV-er, som har en tendens til å være mer rutete enn biler fordi de er større, har plass til flere mennesker, og ofte trenger større rister for å hjelpe til med å avkjøle motoren, har en CD-plate hvor som helst fra 0,30 til 0,40 eller mer. Pickup-lastebiler - et målrettet boksaktig design - kommer vanligvis rundt 0,40 [kilde: Siuru].

Mange har stilt spørsmål ved det "unike" utseendet til Toyota Prius hybrid, men den har en ekstremt aerodynamisk form av en god grunn. Blant andre effektive egenskaper hjelper CD-en med .26 den til å oppnå meget høy kjørelengde. Å redusere CD-en til en bil med bare 0,01 kan faktisk føre til en økning i drivstofføkonomien på 0,2 mil per gallon (0,09 kilometer per liter) [kilde: Siuru].

På neste side skal vi undersøke historien til aerodynamisk design.

Disse antikvitetsbilene demonstrerer hvor lite som ble kjent om aerodynamikk av kjøretøyer på begynnelsen av 1900-tallet. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Mens forskere mer eller mindre har vært klar over hva som skal til for å lage aerodynamiske former i lang tid, tok det en stund før disse prinsippene ble brukt til bildesign.

Det var ikke noe aerodynamisk med de tidligste bilene. Ta en titt på Fords seminal Model T - den ser mer ut som en hestevogn minus hestene - faktisk en veldig boxy design. Mange av disse tidlige bilene trengte ikke å bekymre seg for aerodynamikk fordi de var relativt trege. Noen racingbiler fra begynnelsen av 1900-tallet innlemmet imidlertid avsmalnende og aerodynamiske funksjoner i en eller annen grad.

I 1921 opprettet den tyske oppfinneren Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, som oversettes til "tårebil". Basert på den mest aerodynamiske formen i naturen, tårnet, hadde den en Cd på bare 0,27, men dens unike utseende ble aldri fanget på hos publikum. Bare rundt 100 ble laget [kilde: Pris].

På amerikansk side kom et av de største sprangene fremover innen aerodynamisk design på 1930-tallet med Chrysler Airflow. Inspirert av fugler i flukt, var luftstrømmen en av de første bilene designet med aerodynamikk i tankene. Selv om den brukte noen unike konstruksjonsteknikker og hadde en fordeling på nesten 50-50 vekt (lik vektfordeling mellom for- og bakaksler for forbedret håndtering), ble en slitent publikum av Great Depression aldri forelsket i sitt ukonvensjonelle utseende og bilen ble betraktet som en flopp. Likevel var det strømlinjeformede designet langt foran sin tid.

Da 1950- og 60-tallet kom, kom noen av de største fremskrittene innen aerodynamikk i bil fra racing. Opprinnelig eksperimenterte ingeniører med forskjellige design, og visste at strømlinjeformede former kunne hjelpe bilene deres til å gå raskere og takle bedre i høye hastigheter. Det utviklet seg til slutt til en veldig presis vitenskap om å lage den mest aerodynamiske racerbilen som mulig. Forspoiler og bakspoiler, spadeformede neser, og luftesett ble mer og mer vanlig for å holde luftstrømmen over toppen av bilen og for å skape nødvendig avstyrking på forhjulene og bakhjulene [kilde: Formula 1 Network].

På forbrukersiden utviklet selskaper som Lotus, Citroën og Porsche noen veldig strømlinjeformede design, men disse ble for det meste brukt på høykvalitets sportsbiler og ikke hverdagskjøretøy for den vanlige sjåføren. Det begynte å endre seg på 1980-tallet med Audi 100, en passasjersedan med en da uhørt CD på 0,30. I dag er nesten alle biler designet med aerodynamikk i tankene på noen måte [kilde: Edgar].

Hva hjalp den endringen til å skje? Svaret: vindtunnelen. På neste side skal vi utforske hvordan vindtunnelen har blitt viktig for design av bil.

Biler (og fly) har sin aerodynamikk testet av vindtunneler .- - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

-

For å måle bilens aerodynamiske effektivitet i sanntid, har ingeniører lånt et verktøy fra flyindustrien - vindtunnelen.

I hovedsak er en vindtunnel et massivt rør med vifter som produserer luftstrøm over et objekt inne. Dette kan være en bil, et fly eller noe annet som ingeniører trenger å måle for luftmotstand. Fra et rom bak tunnelen studerer ingeniører hvordan luften samvirker med gjenstanden, hvordan luftstrømmene strømmer over de forskjellige overflatene.

Bilen eller flyet inne beveger seg aldri, men viftene skaper vind i forskjellige hastigheter for å simulere forholdene i den virkelige verden. Noen ganger vil ikke en ekte bil bli brukt - designere er ofte avhengige av nøyaktige skala-modeller av kjøretøyene sine for å måle vindmotstand. Når vinden beveger seg over bilen i tunnelen, brukes datamaskiner til å beregne dragkoeffisienten (Cd).

Vindtunneler er egentlig ikke noe nytt. De har eksistert siden slutten av 1800-tallet for å måle luftstrømmen gjennom mange tidlige flyforsøk. Til og med Wright Brothers hadde en. Etter andre verdenskrig begynte racerbilingeniører som ønsket en fordel for konkurransen å bruke dem til å måle effektiviteten til deres bilers aerodynamiske utstyr. Den teknologien kom senere til personbiler og lastebiler.

De siste årene brukes imidlertid de store vindtunnelene med flere millioner dollar mindre og mindre. Datasimuleringer begynner å erstatte vindtunneler som den beste måten å måle aerodynamikken til en bil eller et fly. I mange tilfeller blir vindtunneler stort sett bare kalt for å sikre at datasimuleringene er nøyaktige [kilde: Dag].

Mange tenker at å legge en spoiler på baksiden av en bil er en fin måte å gjøre den mer aerodynamisk på. I neste avsnitt skal vi undersøke forskjellige typer aerodynamiske tillegg til kjøretøy, og undersøke deres roller i ytelse og gi bedre drivstoffmiljø.

Formel 1-biler er aerodynamisk designet for å generere maksimal nedstyrke. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

-

Det er mer aerodynamikk enn bare å dra - det er andre faktorer som kalles løft og nedtving. Løfte er kraften som motsetter seg vekten til en gjenstand og løfter den opp i luften og holder den der. downforce er det motsatte av heis - kraften som trykker et objekt i retning bakken [kilde: NASA].

Du tror kanskje at dragkoeffisienten på en Formel 1-racerbil ville være veldig lav - en super-aerodynamisk bil er raskere, ikke sant? Ikke i dette tilfellet. En typisk F1-bil har en CD på omtrent 0,70.

Hvorfor er denne typen racerbil i stand til å kjøre i hastigheter på mer enn 200 miles i timen (321,9 kilometer i timen), men likevel ikke så aerodynamisk som du kanskje har gjettet? Det er fordi Formel 1-biler er bygget for å generere så mye nedstyrke som mulig. Med de hastighetene de ferdes, og med deres ekstremt lette vekt, begynner disse bilene faktisk å oppleve løft i noen hastigheter - fysikk tvinger dem til å ta av som et fly. Det er klart, biler er ikke ment å fly gjennom lufta, og hvis en bil går i lufta, kan det bety en ødeleggende krasj. Av denne grunn må nedstyrken maksimeres for å holde bilen på bakken i høye hastigheter, og dette betyr at det kreves høy Cd.

Formel 1-biler oppnår dette ved å bruke vinger eller spoilere montert foran og bak på kjøretøyet. Disse vingene kanaliserer strømmen i luftstrømmer som presser bilen til bakken - bedre kjent som downforce. Dette maksimerer hjørnefarten, men det må balanseres nøye med løft for også å gi bilen riktig mengde rett linje [kilde: Smith].

Mange produksjonsbiler inkluderer aerodynamiske tillegg for å generere nedtving. Mens Nissan GT-R-superbilen har blitt kritisert noe i bilpressen for utseendet, er hele kroppen designet for å kanalisere luft over bilen og tilbake gjennom den ovale formen til bakspoiler, og genererer rikelig med kraft. Ferrari's 599 GTB Fiorano har flygende buttress B-søyler designet for å kanalisere luft også bak - disse bidrar til å redusere dra [kilde: Classic Driver].

Men du ser mange spoilere og vinger på hverdagsbiler, som Honda og Toyota sedans. Legger de virkelig en aerodynamisk fordel til en bil? I noen tilfeller kan det gi litt høyhastighetsstabilitet. For eksempel hadde ikke den originale Audi TT en spoiler på bakdekkliden, men Audi la til en etter at det avrundede kroppen ble funnet å skape for mye løft og kan ha vært en faktor i noen få vrak [kilde: Edgar].

I de fleste tilfeller hjelper ikke en stor spoiler på baksiden av en vanlig bil ikke ytelsen, hastigheten eller håndteringen av en hel masse - i det hele tatt. I noen tilfeller kan det til og med skape mer understyring, eller motvilje mot hjørnet. Men hvis du synes at den gigantiske spoileren ser bra ut på bagasjerommet på Honda Civic, ikke la noen fortelle deg noe annet.

For mer informasjon om aerodynamikk i biler og andre relaterte emner, bris videre til neste side og følg lenkene.

Relaterte artikler

• Slik fungerer aerodynamikk på lager
• Hvordan hjelper downforce en NASCAR racerbil?
• Hvordan NASCAR Drafting fungerer
• Slik fungerer NASCARs morgendagens bil
• Hvordan fly fungerer
• - Fysikk-kanal

Flere gode lenker

• NASA - Nybegynnerguide for aerodynamikk
• NASA - Dragkoeffisienten
• NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division - Aerodynamics In Car Racing
• Symscape - Aerodynamics med formel 1

kilder

• Klassisk sjåfør. "Ferrari 599 GTB Fiorano." (9. mars 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Day, Dwayne A. "Advanced Wind Tunnels." U.S. Centennial of Flight Commission. (9. mars 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. "Aerodynamikk i bil har stoppet." Autohastighet. (9. mars 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. "Forbedre aerodynamikk for å øke drivstofføkonomien." Edmunds.com. 2. mai 2006. (9. mars 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Formel 1-nettverk. "Williams F1 - History of Aerodynamics: Evolution of aerodynamics." (9. mars 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. "Nybegynnerguide for aerodynamikk." 11. juli 2008. (9. mars 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. "Dragkoeffisienten." 11. juli 2008. (9. mars 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Pris, Ryan Lee. "Cheating Wind - Aerodynamic Tech and Buyers Guide: The Art Of Aerodynamics And the Automobile." European Car Magazine. (9. mars 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. "5 fakta: Kjøretøyens aerodynamikk." GreenCar.com. 13. oktober 2008. (9. mars 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, rik. "Aerodynamikk med formel 1." Symscape. 21. mai 2007. (9. mars 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero