Нельзя делать машину с аэродинамикой кирпича

Жигодинамика. Прозрачный кирпич

Пока Андрей ковыряет мой металлолом, продолжим теоретические изыскания по аэродинамике…

С чем, собственно, мы боремся? Сопротивление и подъемная сила. Не претендуем на прижимную силу. Это сложно, дорого, и не актуально пока. С подъемной бы справиться…

Попробую объяснить причины ее возникновения, как я это понимаю. Воздух не вода, он не просто обтекает объект, встречая сопротивление, он сперва спрессовывается в более плотный, а уж потом начинает обтекать. Спресованный воздух под днищем, например, работает как своего рода воздушная подушка. Давление выше атмосферного толкает машину не только назад (сопротивление), но и вверх (подъемная сила), ну, грубо говоря. 🙂

А решаются эти проблемы перенаправлением воздуха из зон уплотнения в зоны разрежения. На рисунке попробовал их изобразить. Красные стрелки — зоны повышенного давления, белые — пониженного.

* * *
Поняв этот принцип, решения — дело техники. И вы эти решения сто раз видели. Например, воздуховод капота:

Не путать с воздухозаборниками, которые только усугубляют проблемы. У Жиги и так морда кирпичом, надо воздуха — берите прямо за решеткой, или сверлите дырки в фартуке, а то получается морда и так прессует воздух дальше некуда, а мы на это забиваем, и добавляем еще сопротивления над капотом. Где, между прочим, как раз разрежение. Туда надо отводить воздух, а не забирать оттуда.

И сразу еще один распространенный аэрокосяк. Отвод воздуха из-под капота в зону перед лобовым стеклом приподниманием задней кромки капота.

Если это как-то и работает, то скорее отвод в стороны, но не в середину. Лобовое у Жиги и так вертикальное, плющит воздух дальше некуда, а модный капот Клубтурбо с горбом посередине именно туда его и ведет. Отказать. Или пилять. 🙂

А отводить воздух из подкапотки архиважно по целому ряду причин, ведь он там еще и горячий. К тому же через подкапотку можно отсосать лишнего из-под днища, мы же снизу мотор не закрываем и плоское дно не мастырим. Это требует комплексных решений и тщательных расчетов. Всей машины. Не для колхозников развлекуха. 🙂

Дальше идут арки, в которых воздух тоже скапливается безвыходно. При этом за аркой перед дверью присутствует разряжение. Решения всем знакомы. Например

Ну и зад. Воздух скапливается в задних арках и под днищем багажника… А над багажником, и за задней панелью — разрежение, причем нехилое. В идеале надо делать диффузор, но это опять сложное комплексное решение, способное еще и прижима дать, но нам бы хоть как-то сопротивление и подъемную порешать. Простейшая вещь, которую даже в МКГП разрешили, где нифига нельзя, выпилить низ панели.

Не ахти, но хоть что-то. Гораздо интереснее решения как на дрифтовом болиде выше. Радиатор в багажнике отводит воздух из-под днища, и выплевывает через крышку багажника. Це дило! Хотя в данном случае, как я понимаю, просто места под капотом не было. 🙂

Ну вроде все пока. Что я буду делать в реале, как и когда… Посмотрим. Мысли есть. И уверенность, что что-то делать надо. Тем, кто не умеет работать с мотором, конечно, как завещал великий Энцо. 🙂

Источник

Аэродинамика кирпича или про расход МПС3

Приветствую всех.
Давно уже собирался написать отдельный пост про расход, да как то случая не было. Есть некоторые наблюдения по расходу за длительный период, всё-таки скоро 3 года машине, и поездок куча, плюс резина, плюс тюнинг. И прям на днях поездка была, прям показательно специально для такого поста подходящая.
Обычный режим езды на спорте у меня это +15. Соответственно крейсерская 105 км/ч почти всегда и о возможности я стараюсь ездить ночами. С ночами кому как больше нравится, кто-то наоборот не может, а мне удобно. И машина едет стабильно, минимум обгонов, минимум трафика, на круизе или руками — одинаково хорошо. Но вот с расходом у машины при этом дела обстоят не особо хорошо, потому что для настроек машины эта скорость уже слишком большая, машина рассчитана ехать по трассе на 90 км/ч и всё что выше на расход будет влиять очень сильно. И сейчас я это продемонстрирую на примере 3-х летней эксплуатации своей машины.
1-й год владения (пост вот тут) накатал на машине 48 440 км, ездил до зимы на стоковой резине, зиму на хакке 8, и потом лето на гудричах АТ штатного размера — расход за это время средний 10.42 литра на 100 км.
После покупки почти сразу я метнулся в Краснодар погостить и машину обкатать. Постов про это тут ещё нет. На стоковой резине с салона, ехал не особо обгоняя и вообще аккуратно, обкатка же, вся поездка вышла в 10 206 км, расход за поездку вышел 9,21 литра на 100 км.
После зимы в первый год я сгонял на Байкал (пост уже есть, тут), уже на гудричах АТ, штатного размера, но из-за того что ехали нон-стоп, меняясь за рулем, часть пути была медленнее 105 скорость, и общий расход за поездку в 5 150 км вышел 9,52 литра на 100 км.
Уже как то намечается, что расход крутится вокруг цифры в 10 литров на 100 км. Дальше двигаем.
2-й год владения (пост вот тут). Осень докатал на гудричах стокового размера, зиму откатал на хакке 8 стоковой, а весной переобулся на гудричи 35-е, но всё время откатал со стоковой главной парой, её я только осенью заменил на 4.2. Пробег за год составил 55 131 км, а средний расход 10,62 литра на 100 км, подрос слегка относительно первого года.
Опять всё крутится вокруг 10 литров на 100 км.
Для примера в августе я катался на Алтай (пост тут), я катался без оффроада, накатал туда-сюда 3 850 км, на своих 35-х колесах, и расход за поездку составил 10,05 литра на 100 км.
Опять та же цифра, и опять основная скорость крейсерская 105 км/ч. Вообще при планировании поездок летом я исхожу из цифры в 10 литров на 100 км при расчёте где заправляться, примерно так и выходит. Зимой рассчитываю исходя из 12 литров на 100 км, если сильно холодно, но тут уже сложнее, от того на сколько холодно и на сколько утеплена машина очень сильно может расход зависеть, больше чем от других факторов.
Вот такие у меня наблюдения по расходу за почти 3 года владения. Это не разовые заезды на 20-30 км ради красивых фоток на приборке, это уже второй десяток кубометров искатаной солярки пошел.

И не однократно и тут на драйве, и на аут-клубе у тех кто ездит примерно так же примерно такие же цифры расхода и были. И часто возникают споры, что у части владельцев расход сильно отличается, как правило в меньшую сторону (хотя есть и те у кого 12-14 литров на 100 км случается). Как так выходит. Обычно списывают на резину. Мол поставил АТ — +1 литр, поставил МТ — +2 литра (это я про АТ и МТ говорю, а не про стоковый Данлоп АТ20, у которого буквы АТ для красоты, а сама резина чистая шоссейка). Часто говорят что мол лифтанул — +1 литр, лифтанул сильно — +2 литра (не знаю чем первое от второго отличается, думаю и те кто это говорит тоже не знают). Много народу рассказывает про крутость езды на заднем приводе и мега низкие расходы, но вот почему-то пруфов с нормальными пробегами нет, в сравнении, а те кто послушав повторяют это, видят минусы заднего привода, а плюсов с расходом особо как то и не видят. Так вот моя точка зрения состоит в том, что все факторы, написанные выше, резина, лифт, привод и прочее, влияют на расход, но гораздо меньше даже описанных цифр, а некоторые называют цифры ещё больше. Что же влияет? Я считаю, что влияет аэродинамика кирпича у нашей машины, просто никакая, и настройка трансмиссии (в целом, то есть передаточные числа в коробке, ГП и обороты) на оптимальную скорость в 90 км/ч по трассе, не больше. И косвенно это подтверждается мурзилкой, где есть рекомендация при езде более 120 км/ч не делать этого дольше 30 минут и сбрасывать.
Утверждение спорное, и надо как то мне мои слова подтвердить. Правильно? Ну тогда погнали, вводная часть закончена, рассказываю саму историю.

Потребовалось мне тут в Бийск сгонять, туда и обратно, разом. 350 км в одну сторону. Плюс там 3-4 часа побыть надо было. В световой день укладываться не особо удобно, по этому решили стартовать в ночь, в машине пока едем 2 пассажира поспят, приеду, проснуться, всё сделаем, и назад. Торопиться некуда, слишком быстро эти 350 км проезжать смысла нет, вот и возникла идея всю поездку соблюдать скоростной режим не +15 как обычно, а почти по знакам: до 90 с +15, после 90 ехать не превышая вообще. Машина с полным баком, весит грубо говоря 2500-2600 кг (точно никак не сподручно пока заехать взвеситься, а так планы есть и пост накатать потом хочу), 4Н всегда, тапки 35-е БФГ АТ, 3 человека в машине и килограмм 50 груза. Вес не малый, под 3 тонны уже, явно больше стока, даже загруженного. Далее будут скрины с мультитроникса, которым я теперь пользуюсь, после того как колесики другого размера стали, бак другого литража и т.д. Мультик у меня по факту откалиброван до точности 0.2% по пробегу/скорости (проверено неоднократно) и до 2-3% по точности расхода (более точно затруднительно проверить за короткий срок, там надо несколько баков искатать для этого, а бак у меня ой какой не маленький). Эта точность уже сильно больше точности на приборке машины, хотя ещё точнее можно откалибровать Мультитроникс, хорошая штука.

Поездка. Выдвинулся в пол первого ночи (на скринах тут и далее на часах время московское, местное +4 часа). По пустому городу всех собрать, но светофоры и трафик всё-таки были, не мало накатать пришлось, и двинулись в Бийск. Примерно на пол пути между Барнаулом и Бийском остановился (ниже напишу зачем, кстати) и машину заглушить пришлось. Перед этим сделал скрин расхода и пробега за поездку, так как после глушения счётчик «за поездку» сбрасывается.

Вот. Вместо привычной десяточки уже 8.4 расход. Много сожрало по городу ехать, даже ночью.
Постояли — поразвлекались, поехали до Бийска. Скрин есть, но смысла в нем нет, опять немного трассы и немного просыпающегося города, та же цифра вышла. По городу поездили, делами позанимались, и собрались назад. Старт назад примерно в 11-12 часов был, в городе трафик уже вполне нормальный, хотя город сам не особо крупный. Проехали через весь город, поехали назад по трассе с активным трафиком. Я не стал изгаляться особо, обошел фуры после выезда из города и включил круиз на 90 км/ч. Кто хотел мог обогнать, по возможности прижимался, но шел всё равно не 105 км/ч как обычно, а 90 км/ч. Примерно подъезжая к Бердску к вечеру уже началось «веселье» на дороге и я сделал скрин на последок, с этой части поездки.

7.9 литра на 100 км. На больших колесах, на тяжелой машине и т.д., за 300 км пробега и со средней скоростью 75 км/ч (это учитывая езду по Бийску и проезды мест с ограничениями скорости ниже 90 км/ч по трассе + обгоны фур периодические). А по паспорту у нас трасса 7.0 расход, для дизеля на автомате. Я думаю если бы Бийск убрать совсем, то может и поменьше цифра оказалась бы. Вот тут и остались все «+1 литр из-за колес, +1 литр из-за лифта» и прочее.
Дальше началась пробка, с Бердка, то там ремонт дороги, то хорек пол машины оставил мимо катка не сумев проехать и усугубил пробку. Потом начались 6-и часовые вечерние пробки, которые не удалось избежать. 3.5 часа по этому всему я ехал до дома ещё, и сделал там последний скрин с мультитроникса. Первый я сдела на не сбрасываемом счетчики заведя машину вечером перед стартом, и второй сделал поставив машину у дома, чтоб общий пробег и общий расход посмотреть за всю поезду.

А теперь не про расход а про то, зачем останавливался на пол пути между Барнаулом и Бийском. Раз уж так случилось, что ехать надо было не быстро и ночью, то нашел место где более-менее небольшая засветка и до деревень соседних аж 8-10 км, и немного поснимал ночное небо. Давненько я этого не делал, восстанавливаю навыки потихонечку.

Источник

8 мифов об автомобилях, навязанных нам кинематографом

Кинематограф и массовая культура сформировали у нас множество стереотипов. Часть из них мы уже давно разрушили, но некоторые еще живут в наших умах. Какие-то из этих стереотипов касаются автомобилей. На днях, после просмотра одного из фильмов, я решил, что надо обсудить штампы, которые не имеют ничего общего с реальностью. Например, повороты с заносами и взрывы на ровном месте. Конечно, на экране это смотрится красиво, но в реальной жизни это так не работает.

Миф или реальность?

Машина взрывается при аварии

Самый стандартный шаблон, который мы видели особенно часто в боевиках девяностых, это взрывающиеся машины. Часто они взрывались буквально от того, что просто врезались во что-то. Казалось, что на эту машину с завода надо было наклеить таблички об огнеопасности и не выпускать на дороги без сопровождения.

Машина действительно может взорваться при аварии, но вероятность этого ничтожно мала.

Куда чаще машина по разным причинам загорается, но все равно, даже возгорание далеко не всегда приводит к взрыву. Тут должно сойтись очень много факторов. Зато в кино машина взрывается чуть ли не от малейшей царапины. Да еще так, что разлетается на пару кварталов. Смотрится эффектно, но несколько лет назад создатели фильмов стали отходить от такого подчеркнутого драматизма, стараясь делать аварии более реальными. Молодцы, что еще можно сказать?

Взрыв автомобиля от попадания пули

Еще один миф, связанный с бензином и автомобилями, тоже берет свое начало в девяностых и появился в боевиках, которые не всегда можно было назвать первосортными. Суть заключается в том, что попадание пули в бензобак автомобиля в обязательном порядке ведет к взрыву последнего.

Пару раз, не помню в каких фильмах, я даже видел, как в прицеле был показан лючок бензобака, в следующем кадре палец нажимал на курок, после чего машина взрывалась. Получается, или создатели фильма не знают, что от крышки бензобака до него самого минимум несколько десятков сантиметров труб, или так просто красочные, и авторы не знали, как лучше объяснить, куда именно направляется пуля.

Это бензобак автомобиля и он достаточно глубоко спрятан в недрах автомобиля.

Даже, если пуля попадает в сам бак, почти наверняка ничего не произойдет. Были даже случаи, когда во времена блокадного Ленинграда по льду шли машины с топливом, и водители, заметив немецкие самолеты, выскакивали из кабины и расстреливали цистерны. Звучит немного дико, но именно так, разлив топливо, можно были защитить его от подрыва в случае попадания снаряда. От такого попадания цистерна с топливом действительно может взорваться, но там уже действуют другие разрушающие силы.

Больше мощности — выше скорость

После фильмов вроде “Форсаж”, “Жажда скорости” и некоторых других, люди поверили в то, что мощный двигатель является главным залогом скорости автомобиля. На самом деле, опять мимо.

Такая машина поедет быстрее, чем грузовик с такой же мощностью

Мощность двигателя действительно важна для максимальной скорости, но кроме этого есть масса других факторов. Главным из них является аэродинамика. Если аэродинамика машины будет где-то между кирпичом и трамваем, она не сможет быстро ехать. Разогнаться да, но не ехать. Кстати, для разгона мощность тоже далеко не самый важный показатель. В этом вопросе куда важнее крутящий момент, но это уже тема для отдельного разговора.

Согласно второму закону Ньютона, с увеличением скорости кинетическая энергия тела начинает расходоваться не только на трение между телом и средой, но и на перемещение объема газа или жидкости впереди тела. В этом режиме сила сопротивления становится пропорциональной квадрату скорости.

Помните этот момент?)

Приближенно получаем, что при увеличении скорости в два раза, увеличение сопротивления будет в четыре раза. Разгоняемся в пять раз, сопротивление возрастает уже в двадцать пять раз и так далее. То есть аэродинамика после определенного значения становится едва ли не более важной, чем мощность двигателя. Именно поэтому в автоспорте мотористы решают многое, но не все. Разобрались и закрыли вопрос.

Пробуксовка колес

В некоторых фильмах показывается момент, когда машина трогается с места очень быстро. Для того, чтобы подчеркнуть динамику сцены, создатели подчеркнуто демонстрируют, что машина трогается с пробуксовкой и большим количеством дыма из под колес.

В нашем Telegram-чате можно обсудить любые мифы.Присоединяйтесь!

Данный прием тоже не имеет ничего общего с реальной жизнью. Дело в том, что любая пробуксовка — это порча резины и потеря максимального ускорения. Для того, чтобы разгон был максимальным, скорость вращения колеса должна быть всего на 8-12 процентов быстрее скорости обычного качения на этой скорости движения. Все остальное — потеря времени.

С такой пробуксовкой быстрого разгона не получится.

Пробуксовка на месте может быть актуальной только, если резину надо быстро прогреть для большего зацепа. Такой вариант возможен, но это действие производится перед стартом, а не во время его. Кроме этого, надо не перегреть резину, иначе она покроется коркой и сцепление станет еще хуже.

Занос автомобиля в повороте

Еще одно заблуждение, связанное с погонями, заключается в заносах. Часто можно увидеть сцену, когда автомобили быстро едут по городу и каждый поворот проходят с заносом. На самом деле, чем выше сцепление с дорогой, тем важнее проходить поворот на грани скольжения по максимально пологой траектории. Если говорить упрощенно, до апекса (точки максимального скругления траектории) надо тормозить, после него — разгоняться. Все остальное — потеря времени. На гравии или песке скольжение возможно, но оно должно быть четко выверенным и опять же без лишних движений.

Так проходить поворот эффектно для дрифта, но это потеря времени.

На деле показ заносов в кино является не более чем художественным приемом, призванным подчеркнуть динамичность сцены. В реальной жизни такого угонщика/преступника/лихача давно догнали бы. Иногда можно даже увидеть, как машина сильно теряет скорость слишком сильно выставившись в повороте, после чего водитель выравнивает руль и начинает снова разгоняться.

Доказательством того, что это абсолютно неэффективный способ прохождения поворотов, является автоспорт. Кроме грунтовых раллийных гонок, во всех соревнованиях повороты проходятся именно на грани скольжения, а не за этой гранью.

Автогонки это легко

Часто в кино показывается, что автоспорт это легко. То есть прямо это не говорится, но показывается, что гонщики появляются из неоткуда. Пару недель назад он сел за руль, а сейчас уже выступает на трассе с пилотами, которые всю жизнь тренировались.

Отчасти из-за таких демонстраций многие думают, что автоспорт это легко. Логика проста — там не надо бегать, не надо прыгать, не надо думать, да и водить почти все умеют. Вот только водить гоночную машину по трассе это совсем не то, что Форд Фокус по МКАД.

Когда подлетаешь к повороту, который проходится на скорости 50 км/ч, со скоростью 300 км/ч, не тормозя, пока до него не останется сотня метров, у тебя действительно должны быть яйца — Дани Педроса, мотогонщик.

Сказанное выше в полной мере относится и к автогонкам. Быстро ехать по прямой это одно, а проходить повороты на скорости более 200 км/ч, сидеть два часа в кокпите при температуре более 50 градусов и испытывать перегрузки, как у летчиков-истребителей, это совсем другое.

Еще одним примером является то, что машины формульных классов с развитой аэродинамикой могут пройти поворот на скорости 50 км/ч, но не могут сделать этого на скорости 100 км/ч. Пока звучит логично, но пилоту надо заставить себя войти в этот поворот на скорости 180-200 км/ч. В этот момент начинает работать аэродинамика, которая генерирует прижимную силу и позволяет быстро пройти поворот.

Как может быть легко управлять такой машиной на пределе ее возможностей?

Вот так все нелогично и сложно. Именно поэтому классных пилотов не так много. Даже, если взять все относительно крупные чемпионаты, наберется две-три сотни действительно крутых гонщиков, которые занимаются этим всю жизнь, проходя множество отборов и каждый раз оказываясь лучше остальных. Сложно представить, как новичок может сделать это почти сразу.

Подпрыгивающие машины

Часто в кино можно увидеть, как машина подпрыгивает при столкновении с другой машиной. Сложно представить себе это в обычной жизни. Например, какой-то обычный автомобиль сталкивается со спортивным. В итоге первый подлетает, якобы наехав на низкий нос второго.

Конечно, если нос автомобиля ниже бампера того, который на него наезжает, и при этом он имеет абсолютную прочность, такое будет возможно, но в реальности это очередной миф. Весь обвес разрушится и все. Не более того.

Так ломается носовой обтекатель. Никакого клина и не остается.

Как правило, такие прыжки снимают в комедиях и подчеркивают иронию фильма, но есть и фильмы, в которых все серьезно. Например, в одной из сцен фильма ”Гонщик” с Сильвестром Сталлоне и Тилем Швайгером вполне серьезно показано, как одна машина во время гонки американской серии CART врезается в другую, которую развернуло против хода, и просто взлетает в воздух. Это выдумка, так как носовой обтекатель очень легко ломается при контакте, а дальше силовая рама машины достаточно угловата для такого подброса.

Такая машина из фильма «Форсаж» действительно может подкинуть другую, но она для этого и сделана.

Что касается именно этого фильма, можно сказать, что это просто кладезь ляпов. После его просмотра становится понятно, почему Берни Экклстоун не дал прав снимать фильм о Формуле-1. Посмотрите фильм, там есть большинство ляпов, описанных в этой статье. Хотя, если закрыть на них глаза, фильм получился не самым плохим.

Утонет ли машина, попав в воду

Последним пунктом поговорим о том, что машины тонут в воде. Конечно, они тонут, ведь они железные. Тут даже не будут актуальны шутки про ВАЗ, так как и он тонет, поверьте. Проблема в том, что в кино машина часто идет камнем на дно. Ни у нее, ни у пассажиров нет шансов.

Кто-то заморачивается и делает такое. Молодцы! И да, кабриолет без крыши действительно быстро утонет.

В реальности не все так логично. Машина пойдет на дно очень медленно. Связано это с тем, что в салоне много воздуха, который будет держать машину на поверхности до тех пор, пока вода не проникнет внутрь и плавучесть всей конструкции не станет отрицательной. Как правило, на это требуется не менее двух минут. Если герметичность машины не очень хорошая, утонет она быстрее, но все равно речь не идет о нескольких секундах.

Мифы в кино

Мы уже говорили о наших заблуждениях относительно хирургов и мифах, касающихся кинематографа в целом, а теперь разобрали примеры того, как нас вводят в заблуждение относительно автомобилей.

Зачастую это бывает сделано специально, так как драматизм сюжета надо передать особым образом. Бытовые сцены в кино тоже выглядят не так, как в жизни. Винить за это режиссеров нельзя.

А вот те случаи, когда создатели фильма и правда верят в то, что снимают, не зная элементарных истин, стоят порицания. Все же перед тем, как начинаешь снимать кино, надо досконально разобраться в вопросе.

Источник

Аэродинамика. Часть 1. Прижимная и подъемная силы.

Аэродинамика. Часть 1. Подъемная сила

Итак, продолжу серию постов про аэродинамику и ее использование в автомобиле.

Каждый когда-нибудь видел, как болиды формулы 1, проносясь мимо оператора с камерой, во время дождевых гонок поднимают за собой красивые шлейфы водяного тумана. Как один болид «вешается на хвост» другому, а потом совершает резкий маневр и через несколько секунд оказывается впереди него. Как без всякой видимой причины во время ралли отрываются спойлеры и антикрылья — в эти моменты все вспоминают про аэродинамику.

Аэродинамика, как магия, наука о воздухе — о том, что скрыто от человеческого глаза, но в тоже время таит в себе большую силу. Она многолика, так как воздух окружает нас повсюду. Благодаря аэродинамике летают самолеты, а лыжники с максимальной скоростью несутся по склону горы, приняв наилучшее положение для обтекания. Но в контексте драйв2 область наших интересов в аэродинамике ограничивается автомобилями — о них и поговорим)
Все слышали про Джереми Кларксона, (в прошлом одного из ведущих TopGear`а и на мой взгляд лучшего автомобильного журналиста), но мало кто слышал про Эдриана Ньюи, который учился в старших классах вместе с Джереми. А между тем, Эдриан Ньюи — гениальный инженер-конструктор, один из самых успешных в истории мирового автоспорта! Болиды, сконструированные под его руководством для разных команд, три раза побеждали в знаменитой гонке Индианаполис-500, в гонках Формулы-1 принесли победу в 150 Гран-при, 10 чемпионских титулов и 10 Кубков Конструкторов. Его по праву считают гением аэродинамики, практически волшебником. Посмотрите на любое из его творений и представьте, как оно врезается в стену воздуха, как своими грациозными обводами направляет поток именно туда, куда нужно.

Работа аэродинамика в чем-то напоминает работу скульптора — нужно убрать все лишнее и оставить самую суть. Посмотрите на простую каплю дождя. Это и есть идеальная форма, созданная самим воздухом. Именно так он хочет обтекать движущееся в нем тело.

Задача специалистов по аэродинамике создать такую форму, которую воздуху будет удобно обтекать, и, обтекая которую, он принесет максимум пользы. Давайте вернемся к кузову автомобиля и разберемся в том, как на него воздействует набегающий поток воздуха. Хотя по своей сути набегающий поток, это своего рода условность. Потому что на самом деле автомобиль «набегает» на неподвижный воздух. Но такую систему координат неудобно рассматривать и анализировать, поэтому свяжем ее с автомобилем. В этом случае воздух будет двигаться относительно неподвижного автомобиля.
Прежде чем рассматривать взаимодействие автомобиля с потоком, необходимо ознакомиться с некоторыми основами аэродинамики, которые понадобятся нам в дальнейшем.

В аэродинамике великое множество различных формул, уравнений/зависимостей и законов. Целью данного повествования является общее ознакомление с аэродинамикой, поэтому я не буду вдаваться в это поражающее своим разнообразием обилие символов и чисел, рассмотрим только два из основных законов.
Первый мы видим каждый день. Представьте себе кран. Обыкновенный кран в ванной комнате или на кухне, из которого спокойно вытекает струя воды. Давайте взглянем на нее повнимательнее. Что мы видим? Она сужается! На самом деле все очень просто — каждая «частичка» воды, находится под действием гравитации. Значит на каждую частицу действует ускорение свободного падения, и каждая частица по мере удаления от крана падает все быстрее. Если взять и мысленно рассечь струю у самого крана и на некотором удалении от него, то мы увидим, что через полученные сечения будут двигаться частицы воды: у крана — с малой скоростью, а на отдалении — с большей. Если площадь сечений будет постоянной, то через более удаленное сечение в единицу времени будет проходить больше жидкости, чем через менее удаленное. Но откуда она возьмется, если кран у нас один и напор воды в нем постоянный? Поэтому площадь поперечного сечения струи уменьшается с ростом скорости течения и через каждое сечение проходит одно и то же количество жидкости.

Этот простой пример отражает смысл уравнения неразрывности: чем меньше площадь сечения, через которое течет жидкость, тем больше ее скорость. А причем здесь воздух, спросите вы? Оказывается, у жидкостей и газов много общего, и поведение газа при небольших скоростях во многом повторяет поведение жидкости. Поэтому уравнение неразрывности распространяется и для газовых течений. Главное, чтобы скорости не были очень большими, поскольку в этом случае газ можно считать почти несжимаемым. При больших скоростях газ начинает сжиматься. Например, на сверхзвуке уменьшение площади сечения приведет к появлению пульсаций уплотнения и снижению скорости. Но поскольку мы не рассматриваем автомобили-ракеты, пронзающие воздух на соляных озерах в погоне за очередным земным рекордом скорости, поскольку даже безумно быстрый Bugatti Veyron в два с лишним раза медленнее скорости звука, мы смело можем брать на вооружение уравнение неразрывности.

Второе уравнение называется уравнением Бернулли и говорит о законе сохранения энергии, выраженном через давления. Давление бывает полным, статическим и динамическим. Полное давление как раз и складывается из статического и динамического давлений:

Статическое давление не зависит от скорости. То есть в движущемся с некоторой скоростью потоке для того, чтобы замерить статическое давление, необходимо двигаться со скоростью потока. В этом случае скорость потока относительно измерительного устройства (манометра) будет равно нулю.
Динамическое давление, напротив, зависит от скорости. Причем, что очень важно, не просто от скорости, а от квадрата скорости. Представьте себе неподвижный газ, находящийся в некотором объеме. Элементарные частицы газа хаотично перемещаются на микроуровне (броуновское движение). При этом они сталкиваются друг с другом и со стенками резервуара, в котором газ находится. Вот эти вот удары о стенки сосуда и создают давление. В данном случае это будет статическое давление, которое равно полному. Другими словами – динамическая составляющая давления отсутствует. Теперь если заставить этот же газ течь по трубе с какой-либо отличной от нуля скоростью, то часть энергии элементарных частиц уйдет на движение газа на макроуровне (перемещение больших объемов). А на удары о стенки трубы, по которой движется газ, у элементарных частиц останется меньше энергии. Поэтому статическое давление уменьшится по сравнению с первым случаем на величину динамической составляющей. В принципе этот пример и иллюстрирует уравнение Бернулли.

Воздействие набегающего на автомобиль потока воздуха сводят к аэродинамическим силам. В контексте этого поста нас будут интересовать сила лобового сопротивления, направленная в сторону, противоположную движению автомобиля, и подъемная сила, перпендикулярная плоскости, в которой движется автомобиль, снизу вверх (отрицательная подъемная сила называется прижимной и направлена сверху вниз).

Аэродинамические силы вычисляются по формулам:

Всем, кто учился в школе, известно из курса физики, что сила – это произведение давления на площадь. Но форма автомобиля достаточно сложна и на практике довольно трудно определить, на какую именно площадь какое давление действует. Поэтому берут уже знакомую нам динамическую составляющую давления (которая на вышеприведенных формулах выделена фиолетовым цветом, её еще называют скоростным напором) и умножают на некоторую характерную площадь, например на площадь поперечного сечения — так называемое миделевое сечение — (от нидерл. middel, буквально — средний, середина). А все особенности и нюансы учитывает одно число — аэродинамический коэффициент, который обозначается Сх или Су. Другими словами — это коэффициент незнания. Вычислить его теоретически очень сложно, а единственный достоверный метод определения — продувки в аэродинамической трубе или компьютерное моделирование.

Итак, вернёмся к кузову автомобиля и рассмотрим, каким образом формируется подъемная (или прижимная) сила.
Встретившись с автомобилем, набегающий поток воздуха разделяется. Одна часть потока уходит вниз, под днище автомобиля, а другая обтекает его сверху. Рассмотрим сначала поток, устремившийся под автомобиль. Все, что связано с движением потока под автомобилем так или иначе связано с английским словосочетанием «граунд-эффект» (эффект земли). А смысл граунд-эффекта объясняется при помощи уравнения Бернулли. Представьте себе крыло дозвукового самолета. Основная его особенность заключается в том, что профиль (сечение) этого крыла несимметричен, и поток над крылом должен пройти больший путь, чем поток под крылом. Таким образом, поток над крылом разгоняется, а это, согласно уравнению Бернулли, приводит к уменьшению статического давления. Разница между давлением под крылом и над крылом приводит к появлению подъемной силы. Но если взять и перевернуть это крыло, то подъемная сила превратится в прижимную.

В этом и заключается граунд-эффект: если спрофилировать днище особым образом, то поток под автомобилем будет разгоняться, что приведет к формированию зоны с пониженным давлением.Сделать днище такой формы, чтобы оно повторяло профиль дозвукового крыла достаточно проблематично, поскольку при проектировании спортивного автомобиля все не сводится к одной аэродинамике: необходимо как можно ниже опустить центр масс, обеспечить наилучшую развесовку по осям, оптимально разместить элементы подвески, трансмиссии и т.д. Кроме того, появление зоны с низким давлением под днищем неминуемо вызовет эффект пылесоса: воздух из зоны с высоким давлением устремится в зону с низким давлением, поэтому для предотвращения этого необходимо использовать боковые юбки, мешающие подсосу воздуха по бокам. Кстати, на спортивных автомобилях разряжение от действия граунд-эффекта настолько велико, что способно открыть чугунный канализационный люк, над которым проносится автомобиль.

Как видно, граунд-эффект требует выполнения множества условий одновременно. Реализовать их все пытались в Формуле 1 в конце 70-х – начале 80-х. Для болидов тех времен характерны минимальный клиренс, профилированное дно, боковые юбки. Тогда же на этапе гран-при первый и последний раз появилось легендарное творение великого хитреца из ЮАР Гордона Мюррея — болид Brabham BT46B, прозванный гоночным пылесосом. На нем был установлен вентилятор в задний части, служащий якобы для охлаждения двигателя. Во всяком случае, так обосновывалось его наличие с точки зрения согласования с техническим регламентом. Но на самом деле этот вентилятор откачивал воздух из под болида. Это давало колоссальное преимущество и позволило пилоту Ники Лауде одержать уверенную победу в дебютной для этого гоночного пылесоса гонке. После этого на команду обрушилась лавина протестов и дальновидный Берни Эклстоун, руководивший Brabham в те времена, снял машину с соревнований, дабы не портить себе репутацию.
Вот как это выглядело сзади:

Кстати, на заре Формулы 1 было очень много интересных, а порой и абсурдных инженерных решений, пожалуй, они стоят упоминания в отдельном посте. В среду/четверг напишу об этом отдельную статью, первые шаги аэродинамики в автоспорте — это действительно очень забавно))

Так вот, благодаря граунд-эффекту болиды с одной стороны действительно стали чудесным образом «прилипать» к трассе. Но с другой – его применение оказалось небезопасным, поскольку стоило автомобилю подскочить на кочке, как под него сразу устремлялся воздух из областей с большим давлением, прижимная сила мгновенно падала, и болид терял устойчивость. А если происходил контакт или по каким-то другим причинам разрушались юбки, то эффективность граунд-эффекта падала на порядки. Опасность заключалась еще и в том, что значительно возросли скорости и перегрузки, особенно в поворотах, и любая потеря прижимной силы вела к опасной ситуации. Поэтому руководством Формулы 1 использование граунд-эффекта было запрещено. Но это совсем не означает, что о нем забыли. Запрет лишь положил начало новому раунду борьбы конструкторов с техрегламентом. А основной принцип граунд-эффекта: разгон потока под днищем и создание разряжения, — широко применяется в автоспорте и по сей день.
Если заглянуть под любой среднестатистический автомобиль, то первое, что попадает нам на глаза — это элементы двигателя и трансмиссии, выхлопной и топливной систем, а так же детали подвески. Все они своими выступающими частями тормозят поток, делают течение под днищем вихревым (турбулентным), что приводит к снижению скорости потока и росту статического давления. Поэтому, если заглянуть под спортивный автомобиль, то вы увидите ровное дно с пластиковыми накладками, скрывающими отверстия и выступающие элементы.

Вспоминаем уравнение неразрывности: чтобы увеличить скорость надо уменьшить площадь канала, по которому течет газ. Область между днищем и дорожным полотном является своего рода каналом. Значит надо уменьшить клиренс. У спортивных автомобилей он настолько мал, что зачастую мы видим, как из под дна вырываются искры, образующиеся при соприкосновении его с асфальтом. Кроме того, под автомобиль стараются пускать как можно меньше воздуха. Чем меньше воздуха попадет под дно, тем меньшее давление он сможет создать. Поэтому передний бампер спорткаров украшают массивные спойлеры, отсекающие часть воздуха, стремящегося ворваться под днище автомобиля. Цель ограничить количество воздуха, проникающего под автомобиль, преследуют и юбки по бокам, о которых уже упоминалось выше.

Неотъемлемой частью современных гоночных автомобилей стал диффузор. Диффузор – это вариация на тему профилированного дна. Спрофилировать все дно проблематично, а в ряде гоночных серий это просто запрещено регламентом. Например, в Формуле-1 дно плоское и ступенчатое (дно в области боковых понтонов выше, чем дно в центральной части, где расположена доска скольжения). Казалось бы, реализовать хоть какое-то подобие граунд-эффекта в данной ситуации невозможно. Оказывается, возможно, благодаря использованию диффузора.

Рассмотрим, что происходит в области задней части днища при отсутствии диффузора.
За автомобилем находится зона разряжения. Когда поток, вырывающийся из под днища, начинает взаимодействовать с этой зоной, он резко замедляется. Это можно проиллюстрировать, рассмотрев данный процесс на упрощенном микроуровне элементарных частиц. Когда частицы газа движутся под днищем, они сталкиваются, отскакивают от днища и вновь сталкиваются, передавая тем самым энергию друг другу. Одна частица может потерять энергию, подтолкнув другую, но тут же получит энергию от третьей, та от четвертой и так далее. Таким образом, скорость потока поддерживается на определенном уровне. Когда же днище кончается, частицы не могут отталкиваться от него и часть из них устремляется в зону разряжения за автомобилем. Там взаимодействие между частицами уже не столь интенсивное, как это было под днищем. Поэтому энергия рассеивается, а скорость частиц падает. В том месте, где днище заканчивается, образуется вихревая зона. В этой области поведение потока непредсказуемо, он «не знает», куда ему двигаться: то ли в прежнем направлении, толи в зону с пониженным давлением. В вихревой зоне давление и скорость падают. В результате разгоняемый под днищем поток упирается в вихревую зону и теряет часть своей скорости, ну а последствия уже описывались: падение динамической составляющей давления, рост статической.

Диффузор представляет собой расширяющийся к концу болида участок днища. За счет того, что объем диффузора увеличивается, образуется зона разряжения. А вихри, которые образовывались без диффузора, уменьшаются. То есть диффузор как бы засасывает воздух из под днища и оптимизирует потоки в задней части. У диффузора кроме горизонтальных иногда имеются и вертикальные элементы, «причесывающие» поток и тем самым стабилизирующие его. У современных болидов Формулы 1 порядка 40 % прижимной силы создаётся благодаря работе диффузора.

С тем, что происходит под автомобилем, мы разобрались. Теперь проследим за другим потоком, который огибает кузов автомобиля сверху. Если представить, что автомобиль движется в некоем канале, то окажется, что площадь этого канала уменьшается. Поэтому скользя по капоту, проносясь над лобовым стеклом, поток ускоряется, а статическое давление падает. Проходя над крышей, поток движется с постоянной скоростью, после чего замедляется в области заднего стекла и багажника. Но, даже несмотря на замедление, скорость потока сверху все равно может оказаться выше, чем скорость потока под автомобилем. Получается некоторое подобие авиационного крыла — за счет разности давлений возникает подъемная сила, и автомобиль «пытается взлететь». Для гражданских автомобилей хорошим результатом является сведение подъемной силы к нулю. Перед конструкторами гоночных болидов стоит более сложная задача: нужно прижать автомобиль к земле, создав прижимную силу. Посмотрим, что для этого придумали инженеры-конструкторы.
Во-первых, не стоит забывать о динамической составляющей давления.
Рассмотрим простой пример: Возьмем тонкую пластинку и направим поток воздуха параллельно плоскости этой пластинки. В этом случае влияние динамической составляющей на поверхность пластинки минимально. Теперь придадим пластинке некоторый угол атаки – угол между потоком и плоскостью пластинки. В авиации принято считать положительным угол атаки, образуемый вращением аэродинамической поверхности по часовой стрелке. Мы же повернем нашу пластинку против часовой стрелки, на отрицательный угол атаки (так называемый угол контратаки). С одной стороны площадь воображаемого канала уменьшится, а скорость потока возрастет. Это приведет к падению статического давления. Но наша пластина не полетит вверх, поскольку кроме ударов элементарных частиц газа на микроуровне (статическое давление) на пластинку будут оказывать влияние массы воздуха, движущиеся со скоростью потока (динамическая составляющая). Поэтому пластинка будет прижиматься вниз. То же самое происходит в области капота и лобового стекла. Придав им правильную форму, можно скомпенсировать падение статического давления увеличением влияния динамической составляющей. Но ничего не проходит бесследно. Посмотрим на нашу пластинку под углом атаки повнимательнее. Кроме того, что она прижимается вниз, она стремится сдвинуться назад. Именно так проявляется лобовое сопротивление (о котором речь пойдет в следующем посте). Поэтому необходимо искать компромисс между прижимной силой и лобовым сопротивлением.
Другой способ создать прижимную силу пришел прямиком из авиации. Если развернуть крыло, то вместо подъемной силы оно будет создавать прижимную. Эта идея перевернула гоночный мир с ног на голову в конце 60х годов, когда нелепые антикрылья стали появляться на болидах Формулы-1. С тех пор конфигурация и строение антикрыльев сильно изменилась, но основная идея осталась неизменной: ускорить поток под крылом и тем самым уменьшить статическое давление. У формульных болидов антикрылья вообще играют особую роль. Аэродинамика болидов с открытыми колесами значительно отличается от аэродинамики классических автомобилей: нет привычного капота, лобового и заднего стекла, багажника. Зато есть возможность установить массивные антикрылья спереди и сзади. Они создают свыше 50 % прижимной силы современных болидов Формулы 1. Формульные антикрылья состоят из нескольких плоскостей. Это обусловлено тем, что таким образом в ограниченные габариты можно уместить больше плоскостей, создающих прижимную силу. Но есть еще одна особенность, стимулирующая применение составных антикрыльев.

Если взять обычный авиационный дозвуковой профиль и перевернуть его, то окажется, что для его эффективной работы нужны достаточно большие по автомобильным меркам скорости. Современные пассажирские самолеты взлетают на скорости 250 км/ч, а средняя скорость на гран-при Монако, где прижимная сила нужна как воздух, 150 км/ч. Плюс надо учитывать, что больше всего прижимная сила нужна в поворотах, где скорость как раз таки падает. Антикрылья можно установить под некоторым углом атаки. Но угол этот можно менять в достаточно узком диапазоне, поскольку при больших углах атаки за крылом образуется вихревая зона и значительно возрастает лобовое сопротивление. Поэтому инженеры придумали изгибать профиль. В этом случае поток, разворачиваясь, движется по дуге с некоторым радиусом и в нем возникают центробежные силы, дополнительно прижимающие антикрыло. Но гнуть крылья тоже можно в определенных пределах, поскольку при большой кривизне за ними возникает зона разряжения, способствующая вихреобразованию. Если же антикрыло сделать составным, то в щели между планками будет проникать воздух. Это позволяет уменьшить разряжение и исключить вихри. У автомобилей классической схемы антикрыло устанавливается только сзади. Наверняка вы обращали внимание, что часто антикрылья на спортивных автомобилях расположены достаточно высоко и отнесены назад. Это обусловлено тем, что наилучшим образом крыло работает в чистом, невозмущенном, ламинарном потоке.
Говоря об антикрыльях, следует упомянуть про торцевые пластины. Место окончания антикрыла — его торцы — является источником вихрей, поскольку воздух, разрезаемый крылом имеет одну скорость, а воздух, не попавший на крыло – другую. При взаимодействии этих потоков, частицы газа начинают перемешиваться, что приводит к возникновению вихрей. Если же установить торцевые пластины, то эти потоки будут разделены.

Часто можно услышать мнение, что антикрыло и спойлер – это одно и то же. На самом деле, это совершенно разные аэродинамические элементы.
Антикрыло создает разность скоростей за счет того, что разделяет поток на две части, и эти две части потока проходят разные пути с разной скоростью.
Спойлер же изменяет направление потока, но не разделяет его. Он может создавать прижимную силу за счет использования динамической составляющей давления (вспоминаем пластинку, установленную под углом атаки).

Очень важным аспектом в создании прижимной силы является баланс — соотношение между прижимной силой, действующей на переднюю и заднюю оси. Можно добиться большой прижимной силы за счет большого диффузора и массивного антикрыла. Но оба эти элемента располагаются сзади, а значит и львиная доля полученной прижимной силы придется на заднюю ось. Если автомобиль заднеприводный да еще и заднемоторный, то это приведет к избыточной поворачиваемости и склонности к заносу. Если автомобиль переднеприводный, то это добавит ему стабильности в поворотах. И таких комбинаций множество. Поэтому баланс — это очень тонкое искусство. Иногда инженерам-конструкторам приходится даже специально уменьшать прижимную силу, а то и создавать подъемную, чтобы обеспечить наилучший баланс.

Подведем промежуточные итоги:
Автомобили «хотят летать», и перед инженерами стоит непростая задача заставить их прилипать к дороге. Для этого поток воздуха под автомобилем всеми силами стараются ускорить и удержать в стабильном, ламинарном (безвихревом) состоянии. Над автомобилем поток ускоряется и без помощи конструкторов. Его нужно обуздать и заставить работать так, как надо, при помощи правильных обводов кузова, обтекателей, спойлеров и антикрыльев. В этой борьбе важна каждая мелочь, даже такая, как зеркало заднего вида. Аэродинамика – это своего рода искусство. Это не просто наука с сухими формулами, таблицами и графиками. За ними скрываются красивейшие процессы, которые человек издавна пытается понять и подчинить.

Вот красивое видео, которое показывает важность аэродинамики в современном автоспорте:

На этом в принципе хотелось бы закончить рассказ о подъемной и прижимной силах)

Вторая часть статьи находится ТУТ
Третья часть ЗДЕСЬ

Источник