Sådan fungerer aerodynamik

Køretøjer med et aerodynamisk design har tendens til at være mere stabile ved højere hastigheder. Se flere billeder af sportsbiler. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Det er ubehageligt at tænke over, men forestil dig hvad der ville ske, hvis du kørte din bil ind i en mur på 65 miles i timen (104,6 kilometer i timen). Metal ville vri og rive. Glas ville knuste. Airbag vil sprænge ud for at beskytte dig. Men selv med alle de fremskridt inden for sikkerhed, vi har med vores moderne biler, ville dette sandsynligvis være en hård ulykke at gå væk fra. En bil er simpelthen ikke designet til at gå gennem en mur.

Men der er en anden type "væg", som biler er designet til at bevæge sig gennem og har været i lang tid - luftmuren, der skubber mod et køretøj i høje hastigheder.

De fleste af os tænker ikke på luft eller vind som en mur. I lave hastigheder og på dage hvor det ikke er særlig blæsende udenfor, er det svært at bemærke, hvordan luft interagerer med vores køretøjer. Men i høje hastigheder og på usædvanligt blæsende dage, luftmotstand (kræfterne virkede på et bevægeligt objekt af luften - også defineret som drag) har en enorm effekt på den måde, en bil accelererer, håndterer og opnår brændstofkørsel på.

Dette hvor videnskaben om aerodynamik kommer i spil. Aerodynamik er studiet af kræfter og den resulterende bevægelse af genstande gennem luften [kilde: NASA]. I adskillige årtier er biler designet med aerodynamik i tankerne, og bilproducenter har fundet en række nyskabelser, der gør det lettere at skære gennem den "væg" af luft og mindre påvirke den daglige kørsel.

-I det væsentlige betyder det at have en bil designet med luftstrøm i tankerne, at den har mindre vanskeligheder med at accelerere og kan opnå bedre brændstoføkonomi-tal, fordi motoren ikke behøver at arbejde næsten lige så hårdt for at skubbe bilen gennem luftmuren.

Ingeniører har udviklet flere måder at gøre dette på. F.eks. Er mere afrundede konstruktioner og former på ydersiden af ​​køretøjet udformet til at kanalisere luft på en måde, så det strømmer rundt i bilen med mindst mulig modstand. Nogle højtydende biler har endda dele, der bevæger luften glat hen over undersiden af ​​bilen. Mange inkluderer også en spoiler -- også kendt som en bageste vinge -- for at forhindre, at luften løfter bilens hjul og gør den ustabil i høje hastigheder. Skønt, som du vil læse senere, er de fleste af de spoilere, du ser på biler, simpelthen til dekoration mere end noget andet.

I denne artikel skal vi se på fysikken inden for aerodynamik og luftmodstand, historien om, hvordan biler er designet med disse faktorer i tankerne, og hvordan med tendensen mod "grønnere" biler er aerodynamik nu vigtigere end nogensinde.

Indhold

1. Aerodynamikens videnskab
2. Trækkoefficienten
3. Historie om aerodynamisk bildesign
4. Måling af træk ved hjælp af vindtunneler
5. Aerodynamiske tilføjelser

Før vi ser på, hvordan aerodynamik anvendes til biler, her er et lille fysikopfriskningskursus, så du kan forstå den grundlæggende idé.

Når et objekt bevæger sig gennem atmosfæren, fortrænger det luften, der omgiver den. Objektet udsættes også for tyngdekraft og træk. Træk genereres, når en fast genstand bevæger sig gennem et flydende medium, såsom vand eller luft. Træk øges med hastighed - jo hurtigere objektet kører, jo mere træk oplever det.

Vi måler et objekts bevægelse ved hjælp af de faktorer, der er beskrevet i Newtons love. Disse inkluderer masse, hastighed, vægt, ekstern kraft og acceleration.

Træk har en direkte effekt på accelerationen. Acceleration (a) af et objekt er dens vægt (W) minus træk (D) divideret med dens masse (m). Husk, at vægt er et objekts masse gange tyngdekraften, der virker på det. Din vægt ville ændre sig på månen på grund af mindre tyngdekraft, men din masse forbliver den samme. For at sige det mere enkelt:

a = (W - D) / m

(kilde: NASA)

Når et objekt accelererer, øges dets hastighed og træk, til sidst til det punkt, hvor træk bliver lig med vægt - i hvilket tilfælde ingen yderligere acceleration kan forekomme. Lad os sige, at vores objekt i denne ligning er en bil. Dette betyder, at når bilen kører hurtigere og hurtigere, presser mere og mere luft sig mod den, hvilket begrænser, hvor meget mere den kan accelerere og begrænse den til en bestemt hastighed.

Hvordan gælder alt dette for bildesign? Det er godt at finde ud af et vigtigt tal - trækkoefficient. Dette er en af ​​de primære faktorer, der bestemmer, hvor let et objekt bevæger sig gennem luften. Trækkoefficienten (Cd) er lig med trækningen (D) divideret med mængden af ​​densitet (r), gange halve hastigheden (V) kvadratisk gange området (A). For at gøre det mere læseligt:

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

[kilde: NASA]

Så realistisk, hvor meget trækkoefficient sigter en bildesigner efter, hvis de fremstiller en bil med aerodynamisk hensigt? Find ud af det på næste side.

Toyota Prius 'unikke form er en faktor, der hjælper den med at få en utrolig brændstoføkonomi. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Vi har netop lært, at trækkoefficienten (Cd) er et tal, der måler luftmotstandskraften på en genstand, f.eks. En bil. Forestil dig nu luftens kraft, der skubber mod bilen, når den bevæger sig ned ad vejen. Ved 70 miles i timen (112,7 kilometer i timen) er der fire gange mere kraft, der arbejder mod bilen end ved 35 miles i timen (56,3 kilometer i timen) [kilde: Elliott-Sink].

En autos aerodynamiske evner måles ved hjælp af køretøjets trækkoefficient. I bund og grund, jo lavere CD'en er, jo mere aerodynamisk er en bil, og jo lettere kan den bevæge sig gennem væggen af ​​luft, der skubber mod den.

Lad os se på et par cd-numre. Kan du huske de gamle gamle Volvo-biler i 1970'erne og 80'erne? En gammel Volvo 960 sedan opnår en cd på .36. De nyere Volvos er meget mere slanke og krumme, og en S80 sedan opnår en Cd på .28 [kilde: Elliott-Sink]. Dette beviser noget, som du måske allerede har kunnet gætte - glattere, mere strømlinede former er mere aerodynamiske end boxede. Hvorfor er det nøjagtigt?

Lad os se på den mest aerodynamiske ting i naturen - en tåreværn. Trådløbet er glat og rundt på alle sider og aftager øverst. Luften flyder jævnt rundt, når den falder til jorden. Det er det samme med biler - glatte, afrundede overflader tillader luften at strømme i en strøm over køretøjet, hvilket reducerer "skubben" af luft mod kroppen.

I dag opnår de fleste biler en cd på ca. 0,30. SUV'er, der har tendens til at være mere boxy end biler, fordi de er større, kan rumme flere mennesker og ofte har brug for større gitre for at hjælpe med at køle motoren ned, har en cd overalt fra 0,30 til 0,40 eller mere. Pickup - et målrettet boxy design - kommer typisk omkring 0,40 [kilde: Siuru].

Mange har sat spørgsmålstegn ved Toyota Prius-hybridens "unikke" udseende, men den har en ekstrem aerodynamisk form af en god grund. Blandt andre effektive egenskaber hjælper dens Cd med .26 det med at opnå meget høj kilometertal. Faktisk kan reduktion af bilens cd med bare 0,01 resultere i en stigning i brændstoføkonomien på 0,2 miles pr. Gallon (0,09 kilometer pr. Liter) [kilde: Siuru].

På den næste side undersøger vi historien om aerodynamisk design.

Disse antikviteter biler demonstrerer hvor lidt der var kendt om aerodynamik i køretøjer i den tidlige del af det 20. århundrede. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Mens forskere mere eller mindre har været klar over, hvad det kræver at skabe aerodynamiske former i lang tid, tog det et stykke tid, før disse principper blev anvendt til bildesign.

Der var ikke noget aerodynamisk ved de tidligste biler. Se på Fords sædvanlige model T - det ligner mere en hestevogn minus hestene - faktisk et meget boxy design. Mange af disse tidlige biler behøvede ikke at bekymre sig om aerodynamik, fordi de var relativt langsomme. Nogle racerbiler i begyndelsen af ​​1900-tallet indbyggede imidlertid tilspidsende og aerodynamiske egenskaber i en eller anden grad.

I 1921 skabte den tyske opfinder Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, der kan oversættes til "tåreværnebil." Baseret på den mest aerodynamiske form i naturen, tårnet, havde den en Cd på bare 0,27, men dens unikke udseende blev aldrig fanget på offentligheden. Kun omkring 100 blev foretaget [kilde: Pris].

På den amerikanske side kom et af de største spring fremad inden for aerodynamisk design i 1930'erne med Chrysler Airflow. Inspireret af fugle under flugt var Airflow en af ​​de første biler designet med aerodynamik i tankerne. Selvom den brugte nogle unikke konstruktionsteknikker og havde en næsten 50-50 vægtfordeling (lige vægtfordeling mellem for- og bagaksler for forbedret håndtering), blev en stor Depression-klædt publikum aldrig forelsket i sit ukonventionelle udseende og bilen blev betragtet som en flopp. Stadig var det strømlinede design langt foran sin tid.

Da 1950'erne og 60'erne skete, kom nogle af de største fremskridt inden for aerodynamik til biler fra racing. Oprindeligt eksperimenterede ingeniører med forskellige design, vel vidende, at strømlinede former kunne hjælpe deres biler med at gå hurtigere og håndtere bedre i høje hastigheder. Det udviklede sig til sidst til en meget præcis videnskab om at skabe den mest aerodynamiske racerbil muligt. For- og bagspoiler, skovlformede næser og aero-sæt blev mere og mere almindelige for at holde luftstrømmen over toppen af ​​bilen og for at skabe den nødvendige nedtving på for- og baghjulene [kilde: Formel 1-netværk].

På forbrugersiden udviklede virksomheder som Lotus, Citroën og Porsche nogle meget strømlinjeformede designs, men disse blev hovedsageligt anvendt til højtydende sportsbiler og ikke til almindelige køretøjer til den almindelige chauffør. Det begyndte at ændre sig i 1980'erne med Audi 100, en passager-sedan med en uhørt Cd på 0,30. I dag er næsten alle biler designet med aerodynamik i tankerne på en eller anden måde [kilde: Edgar].

Hvad hjalp den ændring med at ske? Svaret: Vindtunnelen. På næste side undersøger vi, hvordan vindtunnelen er blevet afgørende for bildesign.

Biler (og fly) har deres aerodynamik testet af vindtunneler.- - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

-

For at måle en autos aerodynamiske effektivitet i realtid har ingeniører lånt et værktøj fra flyindustrien - vindtunnelen.

I bund og grund er en vindtunnel et massivt rør med ventilatorer, der producerer luftstrøm over en genstand inde. Dette kan være en bil, et fly eller andet, som ingeniører har brug for at måle for luftmodstand. Fra et rum bag tunnelen undersøger ingeniører, hvordan luften interagerer med genstanden, hvordan luftstrømmene flyder over de forskellige overflader.

Bilen eller flyet inde bevæger sig aldrig, men fansen skaber vind i forskellige hastigheder for at simulere forholdene i den virkelige verden. Nogle gange vil en ægte bil ikke engang blive brugt - designere er ofte afhængige af nøjagtige skala modeller af deres køretøjer for at måle vindmodstand. Når vinden bevæger sig over bilen i tunnelen, bruges computere til at beregne trækkoefficienten (Cd).

Vindtunneler er virkelig ikke noget nyt. De har eksisteret siden slutningen af ​​1800-tallet for at måle luftstrømmen gennem mange tidlige flyforsøg. Selv Wright Brothers havde en. Efter 2. verdenskrig begyndte racerbilingeniører, der søgte fordel for konkurrencen, at bruge dem til at måle effektiviteten af ​​deres bils aerodynamiske udstyr. Denne teknologi kom senere til personbiler og lastbiler.

I de senere år anvendes de store vindmonneller på flere millioner dollars imidlertid mindre og mindre. Computersimuleringer begynder at erstatte vindtunneler som den bedste måde at måle en bil eller flys aerodynamik på. I mange tilfælde opfordres vindtunneler for det meste til at sikre, at computersimuleringerne er nøjagtige [kilde: Dag].

Mange mener, at tilføjelse af en spoiler på bagsiden af ​​en bil er en fantastisk måde at gøre det mere aerodynamisk på. I det næste afsnit undersøger vi forskellige typer aerodynamiske tilføjelser til køretøjer og undersøger deres roller i ydeevnen og giver bedre brændstofmængde.

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

-

Der er mere ved aerodynamik end bare træk - der er også andre faktorer, der hedder lift og downforce. Løfte op er den kraft, der modsætter sig et objekts vægt og løfter den op i luften og holder den der. downforce er det modsatte af lift - kraften, der presser et objekt i jordens retning [kilde: NASA].

Du tror måske, at trækkoefficienten på en Formel 1-racervogn ville være meget lav - en super-aerodynamisk bil er hurtigere, ikke? Ikke i dette tilfælde. En typisk F1-bil har en cd på ca. 0,70.

Hvorfor er denne type racerbiler i stand til at køre i hastigheder på mere end 200 miles i timen (321,9 kilometer i timen), men alligevel ikke så aerodynamisk, som du måske har gætt? Det er fordi Formel 1-biler er bygget til at generere så meget nedstyrke som muligt. Med de hastigheder, de rejser, og med deres ekstremt lette vægt, begynder disse biler faktisk at opleve løft i nogle hastigheder - fysik tvinger dem til at starte som et fly. Det er klart, at biler ikke er beregnet til at flyve gennem luften, og hvis en bil kører i luften, kan det betyde en ødelæggende nedbrud. Af denne grund skal downforce maksimeres for at holde bilen på jorden i høje hastigheder, og det betyder, at der kræves en høj Cd.

Formel 1-biler opnår dette ved at bruge vinger eller spoilere monteret på køretøjets for- og bagside. Disse vinger kanaliserer strømmen i luftstrømme, der presser bilen til jorden - bedre kendt som downforce. Dette maksimerer hjørnespænding, men det skal afbalanceres nøje med løft for også at give bilen den passende mængde lige liniehastighed [kilde: Smith].

Masser af produktionsbiler inkluderer aerodynamiske tilføjelser til at generere downforce. Mens Nissan GT-R superbil er blevet kritiseret noget i bilpressen for sit udseende, er hele kroppen designet til at kanalisere luft over bilen og tilbage gennem den ovale form bageste spoiler, hvilket genererer masser af nedtving. Ferrari's 599 GTB Fiorano har flyvende buttress B-søjler designet til også at kanalisere luft bagud - disse hjælper med at reducere træk [kilde: Classic Driver].

Men du kan se masser af spoilere og vinger på hverdagsbiler som Honda og Toyota sedans. Tilføjer de virkelig en aerodynamisk fordel for en bil? I nogle tilfælde kan det tilføje lidt højhastighedsstabilitet. For eksempel havde den originale Audi TT ikke en spoiler på det bageste decklid, men Audi tilføjede en efter at det blev fundet, at dens afrundede krop skabte for meget løft og kan have været en faktor i et par vrak [kilde: Edgar].

I de fleste tilfælde er det ikke nødvendigt at hjælpe ydeevne, hastighed eller håndtering af en hel masse - hvis overhovedet ikke - at boltre en stor spoiler bagpå en almindelig bil. I nogle tilfælde kan det endda skabe mere understeer eller modvilje mod hjørne. Hvis du synes, at den gigantiske spoiler ser godt ud på bagagerummet på din Honda Civic, skal du ikke lade nogen fortælle dig andet.

For mere information om aerodynamik i biler og andre relaterede emner, kan du brise videre til næste side og følge linkene.

Relaterede artikler

• Sådan fungerer aerodynamik på lager
• Hvordan hjælper downforce en NASCAR racerbil?
• Sådan fungerer NASCAR-drafting
• Sådan fungerer NASCARs bil i morgen
• Sådan fungerer fly
• - Fysik kanal

Flere gode links

• NASA - Begyndervejledning til aerodynamik
• NASA - Trækkoefficienten
• NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division - Aerodynamics In Car Racing
• Symscape - Aerodynamik med formel 1

Kilder

• Klassisk driver. "Ferrari 599 GTB Fiorano." (9. marts 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Day, Dwayne A. "Advanced Wind Tunnels." U.S. Centennial of Flight Commission. (9. marts 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. "Aerodynamik i bil er stoppet." Autohastighed. (9. marts 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. "Forbedring af aerodynamik for at øge brændstoføkonomien." Edmunds.com. 2. maj 2006. (9. marts 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Formel 1-netværk. "Williams F1 - Aerodynamics History: Evolution of aerodynamics." (9. marts 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. "Begyndervejledning til aerodynamik." 11. juli 2008. (9. marts 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. "Trækkoefficienten." 11. juli 2008. (9. marts 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Pris, Ryan Lee. "Snyder vind - aerodynamisk teknik og køberevejledning: kunsten at aerodynamik og bilen." European Car Magazine. (9. marts 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. "5 fakta: Køretøjets aerodynamik." GreenCar.com. 13. oktober 2008. (9. marts 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, Rich. "Aerodynamik med formel 1." Symscape. 21. maj 2007. (9. marts 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero