Большой секрет аэродинамики. Как это работает: Аэродинамическая прижимная сила Прижимная сила автомобиля

В Формуле 1 эффективность аэродинамики имеет решающее влияние на результат, но создаваемая машиной прижимная сила зависит от нескольких факторов. О них, а также о предстоящих изменениях в регламенте, на страницах британского F1 Racing говорил глава технического департамента Williams Пэт Симондс...

Когда инженеры говорят о прижимной силе или лобовом сопротивлении, они стараются исключить влияние внешних условий. Прижимная сила на скорости за 320 км/ч будет варьироваться в теплый день, когда плотность воздуха низкая, и в холодную погоду, когда плотность значительно выше. Пилоты самолетов знают об этом и корректируют скорость отрыва от взлетно-посадочной полосы, ведь и подъемная сила крыла меняется в зависимости от температуры и давления воздуха.

Чтобы устранить неопределенность, инженеры выражают прижимную силу с помощью так называемого «коэффициента подъема». В случае с прижимной силой - когда крыло направлено вниз - он имеет отрицательное значение. Этот коэффициент, помноженный на плотность воздуха, квадрат скорости и условную площадь, позволяет вычислить значение прижимной силы. Под условной площадью, как правило, понимают площадь лобового сечения машины, многие команды считают её равной 1,5 кв.м., но жестких рамок нет, потому расчет коэффициента подъёма в разных случаях может отличаться.

Предположим, машина имеет коэффициент подъема -3,5. За счет работы в аэродинамической трубе можно улучшить его на сотые доли. Для удобства специалисты по аэродинамике называют значение, равное 0,01, пунктом. Таким образом, при повышении прижимной силы на один пункт значение коэффициента изменится с -3,5 до -3,51. Но добиться даже такого эффекта настолько сложно, что речь обычно идет о тысячных, и каждую такую долю именуют единицей.

Эффект от прогресса в один пункт может варьироваться от трассы к трассе, но повышение коэффициента на 3 пункта позволяет сбросить примерно одну десятую на круге. Учитывая плотность результатов, это может стать решающим фактором.

Создаваемая машиной прижимная сила зависит от величины дорожного просвета, угла установки колес, силы потока выхлопных газов и других факторов. Чтобы оценить взаимное влияние, инженеры изображают их на специальном графике, где по осям размещены, например, величины дорожного просвета на передней и задней осях, а точки показывают уровень прижимной силы.

Форма графика столь же важна в работе над скоростью, как описанные коэффициенты, специалисты по аэродинамике стараются свести её к максимально плавной линии – это позволяет настроить машину таким образом, чтобы при определённой скорости и величине дорожного просвета обеспечить заранее рассчитанное значение прижимной силы. Если форма графика далека от идеальной, подобрать настройки крайне сложно, как и управлять машиной на трассе.

В 2014 году параметры аэродинамического обвеса сильно изменятся. В частности, ширина переднего антикрыла уменьшится с 1800 до 1650 мм, а инженерам придется разместить носовой обтекатель ниже, чтобы гарантировать большую безопасность в случае происшествий.

Аэродинамические элементы машины должны работать, как единое целое, но ключевым остается переднее антикрыло. Когда в 2009 году ширина антикрыла была увеличена, инженерам потребовалось немало времени, чтобы оптимизировать воздушный поток. В результате на антикрыле появились торцевые пластины сложной формы. Теперь края крыла будут смещены к центру машины, на них иначе повлияет вращение передних колес – оптимизацию придётся начинать заново.

В задней части машины сейчас можно увидеть небольшое крыло, обеспечивающее связь воздушного потока, проходящего над машиной, и потока, отводимого от диффузора. В 2014 году этого элемента не будет, и общая эффективность аэродинамики существенно снизится.

Изменится и расположение выхлопа: единственное выхлопное отверстие разместят над коробкой передач, и оно не сможет обеспечить столь значительный эффект, какой создается выхлопной системой сейчас. Если учесть, что верхняя плоскость заднего антикрыла тоже потеряет в площади, уровень прижимной силы снизится и спереди, и сзади.

Сложно сказать, к какой потере в скорости это приведет. Когда новую аэродинамическую спецификацию впервые протестировали в аэродинамической трубе, она оказалась на 30% менее эффективной – и это без выхлопной системы, которая сейчас очень помогает. С тех пор инженерам удалось добиться определенного прогресса, но в начале года мы всё равно увидим существенное снижение скорости.

Возврат к сегодняшнему уровню аэродинамической эффективности с машиной 2014 года потребует времени, но инженеры Формулы 1 весьма изобретательны. В 2009 году изменения в правилах преследовали цель замедлить прогресс, однако неоднозначное толкование правил позволило внедрить двойные диффузоры и добиться гораздо большего эффекта. Ждет ли нас такой же прорыв в 2014-м? Поживем – увидим.

Анатолий ШМЕЛЕВ

Сколько нужно устанавливать прижимных ремней – вот вопрос, с которым сталкиваются многие водители европейских стран, перед тем как закрепить груз. В настоящее время в европейских странах действуют различные стандарты крепления. Определение количества требуемых прижимных ремней является основным вопросом, который смущает международных перевозчиков. Водитель грузовика, пересекающего территории стран Европы, очень часто опасается, что контролирующие органы этой страны или грузоотправитель потребуют установить большее количество ремней и/или единиц другого оборудования, чем имеется у данного водителя. Другой вопрос - требования каких стандартов будут предъявлены к уже установленным средствам крепления.
Крепление прижимом является наиболее часто используемым методом использования крепежных ремней, часто так и называемых прижимными ремнями, но эффективность данного метода должна быть определена при каждой транспортировке.

Любой водитель, который обучался в средней школе, знает о существовании трения между различными телами и о наличии инерционных ускорений при транспортировании. Более того, все опрошенные нами водители знают о том, что сила натяжения прижимного ремня меньше со стороны, противоположной нахождению натяжного элемента.

Именно эти вопросы и являются главными спорными позициями, которые вызывают противоречия между существующими руководствами по креплению грузов:

Европейский стандарт EN 12195-1 “Устройства крепления груза на автомобилях. Часть 1: Расчет сил крепления” (2003 г.);
- Руководство по укладке грузов в грузовые транспортные единицы (ГТЕ) (Руководство IMO/ILO/UN ECE).

Споры были инициированы многими экспертами рабочей группы Европейской комиссии во время работы над Европейскими руководствами по креплению грузов на дорожном транспорте (Best practice guidelines on cargo securing for road transport). В конечном итоге дискуссии привели к необходимости ревизии Европейского стандарта EN 12195-1 2003 г. с последующим пересмотром некоторых его положений. Этот стандарт применяется в Европейском сообществе, но не в обязательном порядке для стран-членов сообщества. Во многих странах он все-таки принят на добровольных началах. Дискуссии экспертов показали, что стандарт утверждает чрезмерно высокие и дорогостоящие требования к креплению грузов, в особенности когда это касается прижимных креплений. В результате стандарт был отозван для пересмотра некоторых его положений.

Главные различия между базисными принципами двух руководств:

1. Коэффициент трения (покоя или скольжения);

2. Передаточный фактор k (k-factor). Передаточный фактор был всегда одним из главных вопросов во время дискуссий. Стандарт определяет передаточный фактор как "коэффициент, который определяет потерю натяжения прижимного крепления из-за трения между креплением и грузом".

3. Боковые коэффициенты ускорений;

4. Учет трения между рядами груза.

Каждое указанное положение в стандарте EN 12195-1 вызывает значительное увеличение требуемого количества прижимных креплений по сравнению с руководством IMO/ILO/UN ECE, что по мнению многих экспертов приводит к увеличению стоимости перевозки и количества времени, затраченного на крепление.
90 % представителей российских и белорусских транспортных компаний, опрошенных нами, заявили, что у них в компании используют средства для крепления грузов (82 % из которых – ремни), 85 % опрошенных знают о существовании только одного способа крепления – крепления прижимом (данные опроса приведены ниже).

Но, увы, некоторые наши водители, используя прижимные ремни, очень похожи на мартышку из басни Ивана Крылова «Мартышка и очки»: «То к темю их прижмет, то их на хвост нанижет».

Ниже мы рассмотрим принцип действия прижимных креплений.
Когда на незакрепленный груз в кузове транспортного средства действует смещающая инерционная сила, то единственная сила, которая препятствует смещению, это сила трения. Груз начнет смещение, когда инерционная сила будет больше, чем сила трения.
Мы имеем два пути решения задачи крепления груза:
1. Увеличение силы трения;
2. Использование системы креплений, компенсирующей смещающую инерционную силу.

Действующие на груз максимальные инерционные силы оговариваются в стандартах. Чаще всего стандарты регламентируют коэффициенты ускорения инерционных сил, действующих в трех направлениях – продольном, поперечном и вертикальном. Таким образом, максимальное ускорение будет равно ускорению свободного падения G, умноженному на соответствующий коэффициент.
Коэффициенты ускорения инерционных сил при перевозке по автомобильным дорогам:
согласно Руководству IMO/ILO/UN ECE:

Величина инерционной силы рассчитывается по формуле:

где
FM - инерционная сила;
Cx,y,z - соответствующий коэффициент ускорения инерционных сил;
FG - вес груза, т. е. масса груза, умноженная на ускорение свободного падения.

Величина силы трения рассчитывается по формуле:

где
FR - cила трения;
? - коэффициент трения;
N - сила реакции опоры.

Следовательно, чтобы груз остался неподвижным при экстренном торможении или при повороте, необходимо выполнить следующее уравнение:

FM - FR = 0 или FM - FR

СX,Y FG - ? N = 0 или СX,Y FG = ? N

Чтобы увеличить силу реакцию опоры N без увеличения массы, необходимо дополнительное прижимание груза к платформе. Когда груз ничем не прижат, сила реакции опоры N равна весу груза FG. Когда появляется дополнительная прижимающая сила FV, сила реакции опоры равна сумме веса FG и дополнительной прижимающей силы FV.

Это и есть основная задача прижимного ремня – увеличить силу прижима и, как следствие, силу реакции опоры и соответственно силу трения.
Можно даже сравнить действие прижимных ремней с действием гигантской струбцины, прижимающей груз к поверхности грузовой площадки.

Основной вопрос: на какую величину увеличится сила трения от использования одного ремня и сколько необходимо ремней, чтобы груз остался неподвижным?
Итак, чтобы груз остался неподвижным при экстренном торможении, его необходимо прижать с дополнительным усилием, вычисленным по формуле:

сX,Y FG = ? (FG + FV),

где FV - требуемая дополнительная прижимная сила.

При использовании прижимных креплений прижимная сила является результирующей силой, развиваемой натяжным устройством с двух сторон груза, которая складывается из сил натяжения прижимных креплений.

Согласно Руководству IMO/ILO/UN ECE в продольном направлении действует ускорение с коэффициентом Cx = 1,0

При перевозке груза весом 10000 daN, коэффициенте трения 0,3 необходим дополнительный прижим 23333 daN

Однако многие, глядя на значок на маркировке прижимного ремня и соседствующие рядом с ним цифры, указывающие на удвоенную рабочую нагрузку, полагают, что именно такой вес удерживает один прижимной ремень. Так, например, посмотрев на маркировку ремня, кто-то подумает, что для закрепления грузовой единицы весом 10000 daN достаточно использовать два ремня с рабочей нагрузкой 2500 daN (при двойном складывании 5000 daN), но это глубокое заблуждение. Напомним, что при расчете прижимного усилия используется совершенно другая характеристика ремня STF – сила натяжения ремня, которую обеспечивает натяжной механизм, она по стандарту EN 12195-2 должна быть обязательно указана на маркировке ремня

Произведя простейшее вычисление с использованием двойного значения натяжения 500 х 2 =1000 daN получаем результат: для закрепления груза весом 10000 daN в продольном направлении необходимо 23,3 (24) прижимных ремня!

Согласно Руководству IMO/ILO/UN ECE в поперечном направлении действует ускорение с коэффициентом Cy = 0,5.
Чтобы груз остался неподвижным при повороте, его необходимо прижать с дополнительным усилием, вычисленным по формуле:

Применяя ремни с STF = 500 daN, получаем, что необходимо 7 ремней.
Расчеты показали, что от бокового смещения необходимо 7 прижимных ремней, а от продольного – 24 ремня c STF 500 daN.
Что делать, когда в кузове всего 24 точки крепления для закрепления всего 12 ремней?
Решения следующие:
1. Увеличение коэффициента трения путем подкладки материалов с повышенным коэффициентом трения. Резиновый коврик с коэффициентом трения 0,6 кардинально меняет ситуацию. Теперь от смещения вперед требуется всего семь ремней, от бокового смещения крепление не требуется;
2. Блокирование груза от смещения вперед, установкой его вплотную к передней стенке кузова также снижает требуемое количество ремней до семи;
3. Отказ от крепления прижимом и использование ремней, заведенных другими способами.

Все вышеуказанные расчеты верны только в случае, еcли вертикальный угол крепления равен 90o, что бывает крайне редко. В большинстве случаев вертикальный угол крепления меньше 90o.

Диаграмма показывает, что прижимные ремни наиболее эффективны при вертикальном угле 75 - 90o. Из формулы и диаграммы следует, что для достижения равного прижимного усилия при вертикальном угле 30o требуется вдвое больше прижимных креплений, чем при угле 90o.
Но что же мы имеем в реальной жизни?

Увы, в действительности представления наших перевозчиков о необходимости и правильности крепления грузов весьма условны. За примерами далеко ходить не надо: остановив девять машин из десяти, мы легко убедимся в недостаточности или неправильности крепления перевозимого груза, а то и вовсе в отсутствии крепления.

Приведу яркий пример недостаточности крепления прижимом. Урал. Зима. Оборудование весом 10 т установлено прямо на деревянный настил полуприцепа (Фото 1). Для предотвращения смещения вперед установлены брусья, которые упираются в передний борт. Казалось бы, семи прижимных ремней с прижимным усилием 500 daN вполне достаточно, чтобы груз остался неподвижным при повороте и даже при экстренном торможении.
Но это только на первый взгляд. Потому что деревянный настил полуприцепа покрыт льдом и снегом (напомню, что коэффициент трения при таянии снега достигает мизерной величины - 0,1). Есть и другие «отягчающие обстоятельства»: ремни неизвестного производителя с отсутствием маркировки. Точек крепления соответствующей рабочей нагрузки не обнаружено. И самое главное: ремни заведены через борта, они обжимают борта вместо того, чтобы прижимать груз к настилу.

Итог перевозки груза с таким креплением ожидаем, но надеемся, что нашему водителю все опасности известны и он был осторожен. После того, как мы ему рассказали, что произойдет, он установил отрезки брусьев по бортам, которые, по его мнению, ограничат смещение груза.
Возьмем другой пример. Даже сейчас, в условиях обширного кризиса в экономике, строительные работы в России продолжаются, хотя и не такими темпами, как в прежние годы. Соответственно, осуществляются перевозки бетонных конструкций. Перевозка ЖБИ сопряжена с особым риском: высока масса этих изделий, центр их тяжести надо определять в каждом индивидуальном случае. И, разумеется, крепление и сама перевозка такого груза требуют особой тщательности. Фото 2 и 3 я сделал в дороге, они не были связаны на тот момент ни с какими происшествиями, но совершенно очевидно, что в обоих случаях крепление перевозимых железобетонных изделий недостаточно, при любой нештатной ситуации, которыми изобилует любая перевозка (экстренное торможение, резкое движение рулем, позволяющее уйти от возможного столкновения), это крепление не обеспечит неподвижность груза, и в лучшем случае все может обойтись без человеческих жертв. А может и не обойтись…

Впрочем, потери при неправильном креплении груза бывают и просто материальными. И такие потери тоже не приводят в восторг грузовладельцев. Приведу пример. Перевозчик безграмотно использовал прижимные ремни – в результате грузополучатель получил груду металлолома: груз безнадежно испорчен.

Для российских автоперевозчиков безобразное состояние дорожного полотна уже давно стало банальной прозой жизни. Тем не менее мы продолжаемся удивляться вполне закономерным вещам. Езда по такой дороге неизбежно связана с повышенной вибрацией, от этого не спасает никакая суперсовременная подвеска полуприцепов. При недостаточном прижиме груз отрывается от настила, уменьшая коэффициент до 0. Закономерный итог: смещение груза - кювет…

Вот еще один пример. Кто-то вложил труд, чтобы вырастить дерево, кто-то – чтобы его спились и разделать, кто-то превратил его в деловую древесину. И на каждом этапе были затрачены труд и деньги. На пути к грузополучателю водитель стянул каждый пакет одним прижимным ремнем вместо трех. Результат – на дороге…
Что далеко ходить, поезжайте на Московскую кольцевую автодорогу и сами убедитесь, что крепление грузов в России – не наука и не закон, а просто блажь… Несколько минут езды – и кадры готовы: эти грузы вообще не закреплены. И вы спокойно едете рядом – просто потому, что не задумываетесь, чем это чревато…

Глава 7: Аэродинамика

Аэродинамика важна, каждый, наверное, это знает. Особенно, когда вы едете быстро.

Если вы не уверены, что аэродинамика играет сегодня главную роль в автомодельных гонках, запустите ваш автомобиль без корпуса. Вы заметите разницу.

Но к сожалению, лежащие в основе физика и математика очень сложны. Именно поэтому, в этой главе я попытаюсь объяснить основн ые аэродинамические эффекты с помощью некоторых примеров из реальной жизни и большого количества картинок.

7.1 Сопротивление

Вы когда-нибудь замечали, как за эти годы автомобили начали выглядеть все более похоже на женские бритвы? С гладкими поверхностями и закругленными краями. В прошлом, автомобили имели агрессивные радиаторы, острые грани, заостренные носовые и задние части, несколько антенн с кубиками на них, задние плавники и различные украшения, прилепленные повсюду.

Следующие картинки проиллюстрируют мою мысль:

Причиной всего этого развития является то, что все острое или угловатое создает сопротивление, а сопротивление замедляет автомобиль.

Известно, что форма капли является наилучшей, это форма, которая создает наименьшее сопротивление. Недавние исследования показали, что форма пингвина еще лучше. Серьезно. Но особенность такова: воздух движется более эффективно вдоль тупых объектов, закругленность поверхностей позволяет воздуху течь вокруг объекта, не разбиваясь на небольшие вихри.

По существу все, что является острым или торчащим, создает вихри (вихри - шумные объекты, подобные тому, как вы спускаете воду в туалете). И это поглощает энергию, так как теперь воздух скользит относительно себя, а также относительно внешней поверхности вашего автомобиля. Энергия, которая потеряна на трение, могла бы быть использована для ускорения вашего автомобиля.

Вы могли бы разбить сопротивление на два компонента, сопротивление от увеличенного лобового давления и сопротивление от заднего вакуума. Это достаточно просто, так как для того, чтобы автомобиль двигался через воздух, он сначала должен переместить воздух со своего пути и затем, когда автомобиль прошел, воздух должен устремиться назад, чтобы заполнить "пустоту".

Когда автомобиль перемещается через воздух, передняя часть автомобиля сталкивается с воздушной массой и частично сжимает ее. Результат - увеличенное давление на фронтальную поверхность автомобиля. И как каждый должен помнить из начального курса физики, давление умножить на площадь равно силе. Поэтому, воздушное давление умножить на фронтальную площадь автомобиля равно силе лобового сопротивления. Двигатель, или мотор, должен преодолеть эту силу, поэтому вы или движетесь медленнее, или потребляете больше энергии.

Таким образом, чем больше область автомобиля, когда смотришь спереди, тем большее сопротивление он будет создавать.

Поэтому, если вы уменьшите фронтальную площадь вашего автомобиля, будет создаваться меньшее сопротивление. Только не перестарайтесь, как эти парни:

Имея это в виду, если вы можете установить ваш корпус на несколько миллиметров ниже без нарушения правил, было бы разумно так сделать. Это также одна из причин, почему на длинных, больших, высокоскоростных трассах "Alfa Romeo 156" работает лучше, чем "Dodge Stratus". Крыша "Stratus" очень широкая, что делает больше его фронтальную поверхность и таким образом создает большее сопротивление.

Но, есть и второй компонент, который часто упускается. Когда автомобиль движется на скорости, многое происходит позади него.

Я могу привести 2 примера из реальной жизни. Во-первых, вы когда-либо замечали, что автомобили, использующиеся в 24 часовых гонках в Ле-Мане, всегда имеют тщательно проработанные задние части?

Причина вполне очевидна, трасса в Ле-Мане имеет чрезвычайно длинные прямые участки и эти автомобили могут достигать очень больших скоростей. И так как это 24 часовые гонки, эффективность и экономия топлива также являются важными.

Нелепо длинные задние части обеспечивают ровное схождение воздуха позади автомобиля, без распадения на большие вихри и без отделения от поверхности автомобиля.

Примером номер 2 является использование спойлеров (или антикрыльев) на многих современных дорожных автомобилях. Особенно на хетчбек автомобилях. Спойлер снижает сопротивление путем устранения небольших вихрей вдоль заднего ветрового стекла.

Различие между спойлером и антикрылом: спойлер присоединен к кузову и, более или менее, является его частью, а антикрыло является отдельным элементом, который обычно размещен над корпусом и имеет боковые отбойники.

Пожалуй, достаточно полномасштабных примеров, эта статья больше ориентирована на автомодели. Возьмем корпуса "Dodge Stratus" и "Alfa Romeo 156".

Носовая часть "Alfa" до некоторой степени скошенная, переднее ветровое стекло и крыша узкие, и размещены относительно далеко назад. Задняя часть загибается внутрь и к концу получается довольно узкой.

Носовая часть "Stratus" очень тупая, переднее лобовое стекло огромное, имеет хороший наклон и размещено прямо над центром автомобиля. Задний конец очень большой и квадратный.

В терминах сопротивления это означает, что "Alfa" имеет отчетливое преимущество. Ее фронтальная поверхность меньше и задняя часть больше напоминает автомобили из Ле-Манса, которые мы обсуждали перед этим. Отчасти именно поэтому на больших, высокоскоростных трассах "Alfa" будет наилучшим выбором.

Есть еще другие вопросы при сравнении этих двух корпусов, в основном в области прижимной силы.

7.2 Прижимная сила

Следующая проблема, касающаяся аэродинамики, это прижимная сила. Прижимная сила является великим изобретением, она позволяет вам получить большее сцепление от ваших колес без утяжеления автомобиля. Другими словами: вы можете проходить через повороты быстрее. Единственным недостатком является то, что большая прижимная сила также означает большее сопротивление.

7.2.1 Создание прижимной силы

Есть два способа объяснить прижимную силу, один простой и другой сложный.

Давайте попробуем сначала простой способ. Спойлеры, антикрылья, наклоненные носы - все они "отталкивают" воздух вверх. Воздух толкается вверх, автомобиль толкается вниз. Действие равно противодействию. Чем больше поверхность и чем более она наклонена, тем большая прижимная сила создается.

Теперь приступим к сложному объяснению.

Способ, которым работают настоящие, имеющие определенную форму, антикрылья, по существу такой же, как у обычных крыльев, но он перевернут. Крыло самолета производит подъем, антикрыло автомобиля производит отрицательный подъем, который является только причудливым словом для прижимной силы. Этот подъем (или отрицательный подъем) вызывается различием в давлении на обеих сторонах крыла. И, как объяснялось ранее, давление, умноженное на площадь, равно силе. Таким образом, большее различие в давлении или большее антикрыло являются способами увеличения прижимной силы.

Но как производится различие в давлении? Если вы внимательно посмотрите на рисунки, вы увидите, что верхняя сторона антикрыла относительно прямая, а нижняя сторона изогнута. Это означает, что воздух, который проходит над антикрылом, перемещается по относительно прямому пути, который является коротким. Воздух под антикрылом должен следовать по кривой и следовательно проходит большее расстояние. Есть закон Бернулли, который утверждает, что общая величина энергии в объеме жидкости должна оставаться постоянной (если только вы не нагреваете его или не подвергаете заключенный объем некоторой форме механической работы). Если вы предполагаете, что воздух не слишком много двигается вверх и вниз, то это сводится к следующему: если воздух (или жидкость, для этого случая) ускоряется, ее давление падает. С энергетической точки зрения, это имеет смысл: если больше энергии требуется для поддержания скорости частиц, тогда меньше энергии остается для выполнения работы по оказанию давления на поверхность.

Вкратце: с нижней стороны, воздух должен проходить больший путь за тот же промежуток времени, это означает, что он должен ускориться, что означает снижение его давления. Большее давление с верхней стороны антикрыла и меньшее с нижней стороны имеет результатом чистую силу вниз. Это прижимная сила.

Поэтому, если вы хотите знать, что некоторое тело производит прижимную силу, ищите что-нибудь наклонное или имеющее форму крыла (обратного).

7.2.2 Центр давления ( CP )

Но дело гораздо сложнее, чем просто высокая и низкая прижимная сила. Существует так называемый центр давления. Подобно распределению веса, существует распределение прижимной силы. Или распределение давления, как для вас более понятно.

Давайте начнем с центра давления и центра тяжести (или центра массы).

Центр тяжести является воображаемой точкой, в которой могла бы быть сосредоточена вся масса автомобиля. Так, если вы сложите массы всех компонентов автомобиля и их положения, вы придумали центр тяжести, или ЦТ. Преимущество состоит в том, что вы можете теперь делать вид, что вместо тяжести, воздействующей на каждую часть автомобиля, есть только одна гравитационная сила равная весу автомобиля, действующая на центр тяжести.

То же самое работает для центра давления. Вместо воздуха, оказывающего давление по всему корпусу автомобиля, вы можете сложить все это вместе и придумать одну аэродинамическую силу, действующую на центр давления. Обычно эта сила будет действовать вниз (прижимная сила) и назад (сопротивление).

Итак, вы можете построить компьютерную симуляцию корпуса вашего автомобиля, поместить ее в какой-нибудь аэродинамический симулятор и определить центр давления вашего автомобиля. Либо так, или просто критически осмотрите ваш автомобиль, пытаясь определить, где находится центр давления (CP) по отношению к ЦТ, и работайте с этим.

Я думая, что здесь необходим пример. Пример номер один: волан для бадминтона. Примерно 95% массы волана расположено в куполообразном пробковом наконечнике. Поэтому очевидно, что ЦТ расположен около вершины.

Но с аэродинамической точки зрения, если вы думаете о том, где создается давление, это будет происходить в основном сзади, где расположены перья. Они создают большую поверхность и выталкивают воздух в стороны, когда волан летит через воздух. Поэтому центр давления (CP) находится где-то возле перьев, относительно далеко назад.

Теперь, когда вы ударяете волан вашей ракеткой, он почти немедленно переворачивается, чтобы лететь наконечником вперед. Почему так происходит?

Сначала вы должны понять этот небольшой кусочек элементарной физики:
Следующая диаграмма должна прояснить, как две равных, но противоположных силы, которые не действуют на одной линии, эквивалентны вращающему моменту.

В нашем случае это означает, пока ЦТ не расположен непосредственно перед центром давления (CP), будет существовать вращающий момент, пытающийся это исправить. Чем больше две силы или больше расстояние между центром давления (CP) и ЦТ, тем больше вращающий момент.

В применении к волану: сила от вашей ракетки действует в ЦТ, прочь от вас, а аэродинамическая сила, в этом случае чистое сопротивление, действует в центре давления (CP), в вашу сторону. Если ЦТ не находится прямо перед центром давления (CP), будет существовать вращающий момент, исправляющий это. Положение ЦТ перед центром давления является самым устойчивым и естественным положением.

На рисунке, предполагается, что волан движется к левой стороне вашего экрана.

То же самое происходит с дротиком дартса. Его масса сконцентрирована вокруг заостренного кончика, так что ЦТ снова находится спереди. А центр давления расположен больше в заднюю сторону, около стреловидных лопастей. И снова, если у вас не опыта игры в дартс в состоянии опьянения или нет его вообще, и вы бросаете дротик боком, он скорректирует себя сам и полетит кончиком вперед.

Это не должно вас удивить, когда я пишу: то же самое происходит с автомобилем. Центр давления (CP) автомобиля расположен позади (и обычно выше, я думаю) центра тяжести. Хотя и не так экстремально, как в примерах с дартсом и воланом. Но тем не менее, эффект тот же самый.

Чем дальше назад расположен центр давления (CP), тем больше будет корректирующий вращающий момент, когда вы идете боком. Другими словами: если центр давления (CP) расположен дальше назад, чем ЦТ, автомобиль будет очень стабильным, и будет нелегко менять направление или идти боком.

Итак, как вы измените положение центра давления (CP)? В основном, путем перемещения антикрыла. Двигайте антикрыло назад и центр давления (CP) будет перемещаться назад вместе с ним. Двигайте антикрыло вперед, и центр давления будет перемещаться вперед. Переднее ветровое стекло здесь также достаточно важно, его размер и положение. Большое ветровое стекло, находящееся спереди автомобиля, означает, что центр давления также перемещается в переднюю часть автомобиля.

Пример из реальной жизни: удачи вам в попытках повернуть "Dodge Viper" на скорости.

Я боюсь, что это еще не все, что нужно сказать о центре давления. Его высота также важна. И об этом часто забывают.

Если смотреть со стороны и центр давления (CP) выше, чем ЦТ, или наоборот, тогда существует вращающий момент, так как сопротивление действует в центре давления (CP), а сила, которая двигает автомобиль, действует в ЦТ. Этот вращающий момент создает некоторое дополнительное давление на задних колесах и немного снижает его спереди.

Этот момент буквально пытается перевернуть ваш автомобиль назад, подобно тому, как это иногда делают игрушки механических собак.

Это означает, что когда вы устанавливаете антикрыло "выше", вы получаете большее заднее сцепление и меньшую поворачиваемость.

И снова, пример из реальной жизни: мощные драгстеры. Я не думаю, что они могут установить свои антикрылья еще выше без опрокидывания. Причина номер 1, стоящая за этим, состоит в том, они нуждаются только в сцеплении для своих задних колес, передние не так важны, поскольку драгстеры предназначены для поездок по прямой. Причиной номер 2 является то, что чем выше они стоят, тем "чище" воздух, чище в смысле отсутствия завихрений.

7.2.3 Распределение давления

Теперь приступим к распределению давления. Это во многом напоминает распределение веса и вращательный момент инерции.

По существу, если вес сконцентрирован возле середины автомобиля, вращательный момент инерции будет очень низким, а автомобиль может менять направление, крениться и отклоняться очень быстро, без слишком больших усилий. Если вес распределен повсюду, вращательный момент инерции будет высоким, а автомобиль будет чрезмерно устойчивым и нежелающим менять направление.

Распределение давления действует очень похожим образом. Автомобиль с одним большим антикрылом прямо в середине будет быстро и легко менять направление. Автомобиль с большим антикрылом спереди и еще большим антикрылом сзади будет очень стабилен на высоких скоростях, а поворачивать будет весьма затруднительно.

Пример из реальной жизни: миниатюрные гоночные автомобили против автомобилей из Ле-Манса, обсуждавшихся ранее. Я думаю, что картинки говорят сами за себя.

Я думаю, что наибольшее различие между кузовами "Alfa" и "Stratus" находится в распределении давления.

Как уже обсуждалось ранее, "Stratus" имеет огромное переднее ветровое стекло с хорошим наклоном. И этот наклон начинается даже раньше, с капота. Поэтому большая часть давления сконцентрирована около центра автомобиля. Спереди прижимная сила достаточно слабая, из-за тупого носа. Заднее антикрыло недостаточно эффективно, так как ветровое стекло и крыша настолько широкие, что антикрыло не попадает в "чистый" поток воздуха.

"Alfa", с другой стороны, имеет совершенно противоположное распределение давления. Ее крыша является очень маленькой и узкой. Но передок круто наклонен и тоже самое происходит с передней частью капота. Поэтому спереди присутствует достаточно большая прижимная сила. А так как крыша очень узкая, заднее антикрыло выставлено на поток "чистого" воздуха, делая его достаточно эффективным в создании прижимной силы. Поэтому "Alfa" обеспечивает большую прижимную силу спереди и на багажнике, и не слишком много в середине.

Различия в управлении являются весьма драматическими. "Alfa" имеет большую начальную поворачиваемость из-за наклонного переднего радиатора, но с другой сторону, она достаточна стабильна в том смысле, что ее нелегко круто и быстро повернуть. На высоких скоростях она ведет себя очень хорошо, так как прижимная сила действует по всему корпусу. Все это делает ее очень подходящей для больших, свободных, высокоскоростных трасс.

Кузов "Stratus", по моему скромному мнению, является одним из самых удачно выполненных. Он всегда ощущается прямым и сбалансированным. Поскольку большая часть прижимной силы действует по центру, он очень подвижный и очень стабильный. При прохождении через повороты прижимная сила остается очень стабильной. Я думаю, что это происходит из-за тупой формы кузова. Поэтому, если трасса маленькая, тесная или имеет множество поворотов, корпус "Stratus" будет вашим выбором.

Есть еще кое-что, что в значительной степени недооценивается, это важность боковых ограничителей (отбойников) на антикрыльях. Лично я думаю, что правила несколько жестковаты в этом.

Ограничители предотвращают "стекание" воздуха с боковой стороны антикрыла. Это особенно важно на высоких скоростях, когда давление на поверхности антикрыла чрезвычайно возрастает. Большие ограничители делают антикрыло намного более эффективным.

Но это не все, они также действуют, как лопасти на дротике дартса, если вы должны идти боком (чего не должно быть, но вы всегда можете возложить ответственность на кого-нибудь, кто столкнулся с вами), они представляют большую фронтальную поверхность, создающую большое сопротивление в боковом направлении, и эффективно останавливают вращение.

Поэтому будет хорошей мыслью сделать боковые ограничители на заднем антикрыле настолько большими насколько возможно без нарушения правил.

7.2.4 Эффект влияния земли (граунд-эффект)

Есть одна вещь, о которой я умалчивал на протяжении всей статьи, так как это нарушает правила, я думаю, во всех категориях гонок радиоуправляемых автомомоделей. Это эффект влияния земли.

Эффект влияния земли может обеспечить прижимную силу более эффективно, чем антикрылья или спойлеры, потому что поблизости от земли (или воды) вы можете получить некоторые специальные эффекты. Кто-нибудь помнит русский экраноплан?

Хорошо, это был дальний выстрел, кто-нибудь помнит эру эффекта влияния земли в гонках Формулы-1?

Это было великолепно, именно поэтому в конечном счете, эффекты влияния земли были строго ограничены, с помощью деревянных пластин, минимальной высоты и прочего.

Но тем не менее: эффект влияния земли является более эффективным, чем антикрылья или спойлеры. Он может производить большую прижимную силу (или подъем, в случае экраноплана) при той же величине сопротивления.

7.2.4.1 Диффузор

Однако, есть способ обойти правила: если вы обрежете заднюю часть кузова непосредственно под бампером и оставите "щитки" сразу за задними колесами, это создаст некоторую форму эффекта влияния земли. Задний бампер должен быть нетронутым, таковы правила. Поскольку у вас есть большой зазор сзади, воздух будет высасываться, когда автомобиль едет на скорости. Воздух должен быть высосан из кузова откуда-то. Если в кузове нет отверстий и колесные арки хорошей формы и плотные, воздух должен будет высосан снизу. Другими словами, ваш автомобиль будет присасывать себя к трассе. Это очень изящный эффект, я рекомендую вам его попробовать.

Заметьте, как щитки также немного отогнуты наружу. Это выполняет 2 функции. Первая: это усиливает щитки, предотвращает их изгибание внутрь и касание колес на высоких скоростях. И вторая: это создает эффект диффузора.

Я догадываюсь, что теперь вы задаетесь вопросом, что такое диффузор и что он делает. Если это не так, перейдите на другую страницу.

Диффузор - похожее на туннель устройство, встроенное в нижнюю часть автомобиля. Он становится шире или выше в сторону задней части автомобиля.

Диффузор работает следующим образом: воздух, проходящий под автомобилем, "растягивается" по мере прохождения вдоль автомобиля. Поэтому, чем дальше воздух продвигается к задней части автомобиля, тем ниже становится его давление. Это низкое давление буквально присасывает автомобиль к асфальту.

Другой приятный эффект заключается в том, что воздух, выходящий из диффузора, хорошо "заполняет вакуум" под задним антикрылом, делая антикрыло более эффективным.

Итак, как мы можем применить это знание к нашим автомоделям? Очень просто, сделайте весь кузов похожим на один большой диффузор.

Видите сходство?

Другой возможностью является срезание всей области под задним бампером, для кузовов трековых автомобилей.

Но моим личным предпочтением является изгибание наружу боковых сторон корпуса в задней части. Подобно следующему рисунку:

Если смотреть сверху, кузов теперь имеет форму трапецоида, с широкой стороной в задней части. Корпуса, которые являются узкими спереди и широкими в задней части, не нуждаются в изгибании боковых сторон.

Кроме того, эта небольшая уловка имеет дополнительное преимущество: на больших скоростях, корпус имеет немного большее сопротивление засасыванию мусора под автомобиль, который может сталкиваться с компонентами шасси или колесами.

7.2.4.2 Рассекатель

Существует еще одно любопытное устройство, которое позволяет создать прижимную силу в передней части автомобиля - это рассекатель. Рассекатель производит прижимную силу спереди автомобиля, создавая перепады давления.

Чтобы понять, как рассекатель создает прижимную силу, вам необходимы небольшие познания о механике жидкостей. Нужно, по крайней мере, знать о различии между статическим и динамическим давлением. Также полезно будет знать, как динамическое давление связано со скоростью потока. Это соотношение дается известным уравнением Бернулли. Существенный момент, который будет взят из уравнения Бернулли - это то, что давление в воздушном потоке связано со скоростью, с которой движется воздушный поток. По мере того, как скорость воздушного потока повышается, динамическое давление в воздухе понижается. В случае автомобиля будет полезно счесть автомобиль неподвижным, а воздушный поток считать двигающимся навстречу автомобилю. Приближающийся воздух достигает автомобиля со скоростью V 1, которая является скоростью автомобиля, и с давлением P 1, которое связано с V 1 согласно уравнению Бернулли. P 1 будет несколько меньше атмосферного давления.

Рисунок показывает, что как только поступающий воздух достигает передка автомобиля, он должен остановиться прежде, чем повернуть вверх или вниз и под автомобиль, или вокруг автомобиля. Область, в которой прибывающий воздушный поток останавливается, называют "областью застоя". Так как скорость понизилась, давление повышается (давление застоя). Таким образом, передок движущегося автомобиля является областью относительно высокого давления. Большинство людей уже хорошо знают об этом.

Одно из свойств давления - это то, что оно действует во всех направлениях. Таким образом, относительно высокое давление застоя спереди движущегося автомобиля толкает его назад (создает сопротивление). Теперь, если мы прикрепим рассекатель снизу к основанию спойлера, тогда давлений застоя также будет давить вниз на верхнюю поверхность рассекателя. Но каково давление на нижней стороне рассекателя? Если оно такое же, как давление сверху рассекателя, тогда не будет никакой силы, действующей на рассекатель. Давайте проанализируем давление снизу рассекателя.

Так как рассекатель находится близко к поверхности дороги, он создает ограничение для потока воздуха, протекающего под ним (мини-трубка Вентури, если хотите). Также как вода в реке ускоряется, когда русло сужается, воздух, который накапливается перед спойлером, должен ускориться, если он хочет протиснуться под рассекателем. И как мы знаем из уравнения Бернулли, когда воздушный поток ускоряется, его давление понижается. Таким образом, область между рассекателем и дорожным покрытием является областью низкого давления. Резюмируем это - есть высокое давление сверху рассекателя и есть низкое давление снизу рассекателя. Это приводит к созданию прижимной силы на рассекателе. И эта прижимная сила прямо пропорциональна площади поверхности рассекателя. Итак, чем больше рассекатель, тем большую прижимную силу он может создавать.

Ниже показаны фотографии примеров реализации рассекателя. Обратите внимание на огромный размер рассекателя на левом снимке. И на автомобиле Ford Mondeo BTCC мы можем ясно видеть очень узкий профиль "Вентури" под рассекателем. Это ускоряет поток воздуха и снижает локальное давление.

Некоторые проектировщики спортивных автомобилей придают огромное значение использованию трубки Вентури переднего спойлера.

7.2.4.3 Использование эффекта Вентури

Если мы исследуем спойлер на DTM / ITC Mercedes Benz 1996 года, показанном выше, мы заметим, что он не имеет никакого рассекателя. В действительности, это противоположность рассекателя. Нижняя часть спойлера искривляется назад к автомобилю, вместо того, чтобы выдаваться вперед в область застоя. Проектировщики попытались заставить течь воздух высокого давления перед спойлером под автомобилем. Таким способом они могли максимизировать эффект Вентури под передней частью автомобиля. В сущности, область переднего спойлера автомобиля образует "мини туннель граунд-эффекта". В области "сужения" Вентури воздушный поток ускоряется и, следовательно, локальное давление понижается. Это создает прижимную силу. Чем длиннее будет область сужения, тем большая прижимная сила может быть создана. На рисунке ниже приведена упрощенная схема потоков воздуха над и под автомобилем со спойлерным Вентури.

Есть множество возможных модификаций идеи рассекатель/спойлерный Вентури. Некоторый спортивные автомобили используют только рассекатель или только спойлерный Вентури. Другие разработчики попытались объединить эти два устройства в попытке максимизировать переднюю прижимную силу в пределах современных правил (которые обычно требуют плоского днища от передней до задней оси). Ниже показано два примера использования комбинированных конструкций рассекатель/Вентури. Обратите особое внимание, что Volvo S -40 имеет передний рассекатель, находящийся вверху над входом в Вентури.

И настало время поговорить о вещах, о которых я умалчивал: сопротивление и прижимная сила пропорциональны квадрату скорости. Вы можете это почувствовать: на низких скоростях, например при прохождении узких шпилек, имеет значение только чисто механический баланс автомобиля. Но как только вы набираете скорость, в действие вступают аэродинамические эффекты. И с определенной точки они даже становятся доминирующими. Обычно вождение автомобиля на и около максимальной скорости является вопросом чисто аэродинамического баланса. Запомните это. Если, например, ваш автомобиль обладает недостаточной поворачиваемостью в паре шпилек, но в остальных случаях ведет себя прекрасно, не пробуйте добавлять переднюю прижимную силу: это будет абсолютно бесполезно при прохождении шпилек и нарушит баланс вашего автомобиля на всей остальной части трассы.

7.2.5 Срыв потока

"Срыв потока" говорит сам за себя, это происходит, когда "поток" "отделяется" от поверхности. Фактически срыв потока отмечает начало турбулентного течения. На низких скоростях, жидкости текут ламинарным способом: прямо вперед, никаких завихрений, нет смешивания слоев. С энергетической точки зрения это очень выгодно, ламинарное течение требует очень небольшого количества энергии.

Как только превышена некоторая критическая скорость (или если падает плотность или вязкость жидкости, но это не происходит в случае радиоуправляемых автомоделей), в так называемом пограничном слое начинают появляться небольшие вихри. И довольно скоро течение становится полностью турбулентным, что требует намного больших затрат энергии.

Что касается антикрыла, срыв потока происходит, когда скорость воздуха или угол атаки слишком высоки.

Предположим, что вы нуждаетесь во всей прижимной силе, которую вы только можете получить, поэтому вы устанавливаете антикрыло под большим углом (Это так называемый "угол атаки").

Что это означает: антикрыло потеряло св ою аэродинамическую эффективность. Область под задним краем антикрыла, которая должна быть областью низкого давления, теперь заполнена небольшими вихрями.

Попросту, вы можете перестараться с этим. Любое данное антикрыло может обеспечить только определенную прижимную силу, и если вы установите его с углом атаки, который слишком велик, или оно должно работать на слишком больших скоростях, антикрыло станет чрезвычайно неэффективным. Что вам нужно, так это большое антикрыло (большая поверхность).

7.2.6 Щитки Гурней ( Gurney Flaps )

Щиток Гурней (Gurney flap) - это небольшая полоска, установленная перпендикулярно на заднем краю антикрыла. Его также называют wickerbill или кромка Гурней (Gurney lip). Он был назван в честь Дена Гурней, если вы хотите прочитать историю, лежащую в основе, посетите: http://www.allamericanracers.com/gurney_flap.html .

Первое, что произойдет: увеличится сопротивление. Естественно, мы только что поместили барьер для сжатого воздуха, который проходит на большой скорости, по существу это не очень умная идея.

Но очень интересным побочным эффектом позади щитка Гурней является то, что мы создали область очень низкого давления. Это почти такой же эффект, как "задний вакуум", который мы обсуждали в разделе о сопротивлении.

Очень низкое давление на заднем крае снижает срыв потока на нижней стороне антикрыла, так как низкое давление "присасывает" воздух наверх, фактически вынуждая воздух следовать по контуру антикрыла. Если нет срыва потока, область низкого давления, которую мы только что создали, также всасывает вверх воздух, проходящий под задним краем, что создает небольшую дополнительную прижимную силу.

Итак, мы нашли эффективное средство борьбы со срывом потока на высоких скоростях: щиток Гурней (Gurney flap). Однако ничто не дается даром: вы должны нести бремя большего сопротивления на скоростях ниже, чем скорость, на которой происходил срыв потока до установки щитка Гурней. Если вы еще здесь, я просто хочу сказать, что существует небольшая проблема с сопротивлением.

Попробуйте вспомнить это, когда вы пытаетесь выяснить, как сделать маленькое антикрыло более эффективным на высоких скоростях.

Я уже упоминал, что правила немного жесткие, когда это касается размеров антикрыла. Наши относительно небольшие антикрылья могут использовать небольшую помощь на высоких скоростях, именно поэтому щитки Гурней часто используются, они увеличивают эффективность заднего антикрыла на высоких скоростях.

Причина, по которой реалистичные антикрылья не работают в автомоделях, состоит в том, что жидкости не масштабируются: вы можете уменьшить автомобиль, корабль и самолет, но не можете уменьшить воду и воздух.

Автомодели никогда, похоже, не используют аэродинамические профили антикрыльев, в то время как полномасштабные автомобили и самолеты их используют. Почему это происходит?

Причина вполне проста: автомодели слишком малы и ездят слишком быстро.

Воздух это жидкость, а жидкости всегда до некоторой степени медленны в движении. Это называется инерцией. Воздух является не слишком плотной жидкостью, поэтому для него не является большой проблемой сдвинуться вверх или вниз на несколько сантиметров, протекая по крылу полномасштабного самолета, которое, кстати говоря, пару метров в ширину. Даже при скоростях в несколько сотен километров в час.

Аэродинамические профили имеют максимальный угол атаки 17 градусов. При углах атаки больших, чем этот, происходит срыв потока, как объяснялось ранее. Также, около 80% прижимной силы, которую они производят, обеспечивается низким давлением на нижней стороне. Только 20% обеспечивается увеличенным давлением сверху. Это означает, что антикрыло должно устанавливаться высоко, чтобы воздух мог легко протекать под ним. Они также нуждаются в очень, очень чистом, ровном воздухе, чтобы работать должным образом. Любая турбулентность будет создавать срыв потока.

Ясно, что это не будет ограничивать нас в автомоделях. Угла атаки в 17 градусов недостаточно, чтобы обеспечить необходимую прижимную силу с помощью выполненного в масштабе антикрыла. Воздух не масштабируется, как вы помните?

И в большинстве случаев устанавливать антикрыло высоко, далеко от корпуса, в чистом воздухе, не разрешено правилами. И к тому же это не очень хорошая идея, если вы планируете иногда попадать в аварии.

Поэтому, если вы хотите сделать дополнительное антикрыло с реалистичным видом, как на трековом автомобиле, это должно быть нечто подобное "совку". Просто "заставьте" воздух идти вверх, используйте большой угол атаки, если пожелаете, и не беспокойтесь о том, что происходит на нижней стороне антикрыла. Если вы просто отбрасываете воздух вверх, вы не должны беспокоиться о соединении вместе потоков, проходящих выше и ниже антикрыла.

Конечно, оно не будет настолько эффективно, как аэродинамический профиль, но по крайней мере оно будет обеспечивать некоторую прижимную силу.

И как дополнительное преимущество, антикрылья из изогнутых пластин остаются более или менее эффективными в "грязном", турбулентном воздухе: не имеет значения какой воздух, ламинарный или турбулентный, вы отбрасываете наверх, воздух есть воздух. Тем не менее, они не являются полностью нечувствительными, чистый воздух всегда лучше.

7.3 Практический материал

Хороший корпус имеет колесные арки, которые ничуть не больше, чем это необходимо. Но вы должны также попытаться установить ваш корпус настолько низко, насколько это возможно, без задевания за землю. Любое задевание за землю отнимает огромное количество сцепления, поэтому вы должны всячески избегать этого.

Когда вы устанавливаете корпус, обратите особое внимание на сверление монтажных отверстий, убедитесь, что корпус не нарушил баланс по осям. Отверстия должны очень точно соответствовать опорным стойкам корпуса. Корпус, нарушающий баланс по осям, будет смещать ЦТ на сторону, заставляя ваш автомобиль отклоняться к одной стороне.

И, подобно мощным драгстерам, заднее антикрыло будет более эффективно, если будет установлено выше, где воздух свободен от завихрений. Но правила обычно подразумевают некоторые ограничения на высоту антикрыла. Для трековых автомобилей, антикрыло не может располагаться выше уровня крыши.

Я надеюсь, что после прочтения этого, у вас есть ясное представление о том, как работает аэродинамика автомобиля. Я также надеюсь, что время от времени, вы будете внимательно осматривать строение кузова вашего автомобиля и думать о том, что может быть отрегулировано или улучшено.

Говоря о воздействии воздуха на движущийся автомобиль, мы упоминаем статическое и динамическое давление. Что же это такое?
Для наглядности представим прямую трубу, по которой течет газ. Его молекулы, несмотря на общее конечное направление движения, имеют хаотичную траекторию и постоянно сталкиваются друг с другом и внутренностью трубы. Эти микроудары о трубу и создают давление, которое называется статическим. Так, например, воздух давит на параллельные потоку поверхности движущегося автомобиля.
А теперь представим, что в некотором месте труба изгонута. В этой точке давление на стенку трубы будет выше, ведь здесь направление движения меняет уже весь поток, и удары молекул о стенку становятся гораздо интенсивнее. Эта добавочная величина – динамическое давление или скоростной напор. В случае с автомобилем оно проявляется, например, при обтекании воздухом лобового стекла, то есть непараллельной потоку поверхности.
Наиболее же примечательной является зависимость между динамическим и статическим давлением, устанавливаемая законом Бернулли: при возрастании скорости потока его динамическое давление увеличивается, а статическое падает. На этом принципе и основана работа крыла, а, соответственно, и многих других аэродинамических элементов.

Первые модели с улучшенной аэродинамикой сделаны в форме капли - она и обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Поговорим об аэродинамике автомобиля и узнаем что такое коэффициент Сх и на что он влияет.

Основные факты аэродинамики

Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, - снижение лобового аэродинамического сопротивления. C ростом скорости увеличивается и сопротивление воздуха. Когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Для примера, автомобилю массой 2 тонны при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 180 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы только на это - 310 л.с.

Коэффициент Cx определяется экспериментально . Он главная величина, которая описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины. Как потом выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной ее Cx равен примерно 1,2. Самый низкий Cx у капли - примерно 0,05.

При нормальной эксплуатации авто важнее всего сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива . Снизить его можно двумя способами: улучшить форму (снизить Cx) или уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми все еще сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра. Зато влияние они оказывают небольшое.

Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент - аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные автомобили обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова автомобиля.

Удалось достигнуть многого: у большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,26-0,27. Он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова. Приведенные значения - идеал, которого может достичь данная модель.

Прижимная и подъемная силы

Низкое лобовое сопротивление иногда не важно. Болиды "Формулы-1" имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колеса. Но дело не в этом. Для них важнее другие параметры и прежде всего - прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колес с дорогой и устойчивость в повороте.

Для гоночных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья.

Чаще всего для снижения подъемной силы используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление в этой зоне, так что машина присасывается к дороге. Спойлер на крышке багажника ставят для организации срыва воздушного потока до того, как он начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А вот антикрыло работает на создание прижимной силы.

Заметный эффект они создают при скорости 120 км/ч и выше. При этом надо иметь в виду, что работающий на создание прижимной силы воздух создает заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом будет ниже, а расход топлива - больше.