Что такое аэродинамика автомобиля?

Рассматривая исторические фотографии легендарных моделей автомобилей, любой человек сразу заметит, что с приближением к нашим дням кузов транспортного средства становится все менее угловатым.

Это объясняется аэродинамикой. Рассмотрим, в чем особенность этого эффекта, почему важно учитывать аэродинамические законы, а также какие машины имеют плохой коэффициент обтекаемости, и какие – хороший.

Что такое аэродинамика автомобиля

Как бы странно это ни звучало, чем с большей скоростью автомобиль движется по дороге, тем сильнее он будет стремиться оторваться от земли. Причина в том, что поток воздуха, с которым сталкивается транспортное средство, разрезается кузовом авто на две части. Одна проходит между днищем и дорожным покрытием, а вторая – над крышей, и огибает контур машины.

Если посмотреть на кузов автомобиля сбоку, то визуально он будет отдаленно напоминать крыло самолета. Особенность этого элемента летательного аппарата заключается в том, что воздушный поток над изгибом проходит больше пути, чем под прямой частью детали. Из-за этого над крылом создается разряжение, или вакуум. С увеличением скорости эта сила сильнее приподнимает корпус.

Подобный подъемный эффект создается и у автомобиля. Верхний поток огибает капот, крышу и багажник, а нижний – только днище. Еще один элемент, который создает дополнительное сопротивление, это приближенные к вертикали детали кузова (радиаторная решетка или лобовое стекло).

Скорость транспорта напрямую влияет на подъемный эффект. Причем форма кузова с вертикальными панелями создает дополнительное завихрение, которое снижает сцепление транспорта с дорогой. По этой причине владельцы многих классических автомобилей с угловатыми формами при тюнинге обязательно крепят к кузову спойлер и другие элементы, позволяющие увеличивать прижимную силу машины.

Зачем это нужно

Обтекаемость позволяет воздуху быстрее проходить вдоль кузова без ненужных вихрей. Когда движение машины затрудняется увеличенным сопротивлением воздуха, мотор будет расходовать топливо в большем количестве, как будто машина перевозит дополнительный груз. Это повлияет не только на экономичность авто, но и на то, сколько вредных веществ будет выбрасываться через выхлопную трубу в окружающую среду.

Создавая автомобили с улучшенной аэродинамикой, инженеры ведущих автопроизводителей рассчитывают такие показатели:

• Какое количество воздуха должно попасть в подкапотное пространство, чтобы мотор получал должное естественное охлаждение;
• В каких частях кузова будет производиться забор свежего воздуха для салона машины, а также куда он будет отводиться;
• Что можно сделать, чтобы воздух создавал меньше шума в салоне авто;
• Подъемная сила должна распределяться на каждую ось в соответствии с особенностями формы кузова транспорта.

Все эти факторы учитываются при разработке новых моделей машин. Причем если раньше кузовные элементы могли меняться кардинально, то на сегодняшний день учеными уже разработаны самые идеальные формы, которые обеспечивают пониженный коэффициент лобовой подъемной силы. По этой причине многие модели последнего поколения внешне могут отличаться лишь незначительными изменениями в форме диффузоров или антикрыла по сравнению с предыдущей генерацией.

Помимо устойчивости на дороге аэродинамика может содействовать меньшей загрязняемости некоторых деталей кузова. Так, при столкновении с лобовым порывом ветра вертикально расположенные фары, бампер и ветровое стекло быстрее загрязнятся от разбившихся мелких насекомых.

Чтобы снизить отрицательный эффект, который создает подъемная сила, автопроизводители стремятся снижать клиренс до максимально допустимого значения. Однако лобовой эффект это не единственная отрицательная сила, которая влияет на устойчивость машины. Инженеры всегда «балансируют» между фронтальной и боковой обтекаемостью. Достичь идеального параметра в каждой зоне невозможно, поэтому при изготовлении нового типа кузова специалисты всегда идут на определенный компромисс.

Основные факты аэродинамики

Откуда берется это сопротивление? Все очень просто. Вокруг нашей планеты имеется атмосфера, состоящая из газовых соединений. В среднем плотность твердых слоев атмосферы (пространство от земли и до высоты птичьего полета) составляет около 1,2кг/квадратный метр. Когда предмет находится в движении, он сталкивается с молекулами газов, входящих в состав воздуха. Чем выше скорость, тем с большей силой эти элементы будут ударяться о предмет. По этой причине, входя в земную атмосферу, космический аппарат начинает сильно нагреваться от силы трения.

Самая первая задача, с которой пытаются справиться разработчики нового дизайна модели, это как снизить лобовое сопротивление. Этот параметр увеличивается в 4 раза, если транспорт ускорится в пределах от 60км/ч до 120км/ч. Чтобы понять, насколько это существенная величина, рассмотрим небольшой пример.

Вес транспорта составляет 2 тысячи кг. Транспорт разгоняется до 36 км/ч. При этом затрачивается всего 600 Ватт мощности на преодоление этой силы. Все остальное тратится на разгон. Но уже на скорости в 108 км/ч. на преодоление фронтального сопротивления уже используется 16 кВт мощности. При движении на скорости в 250км/ч. автомобиль тратит уже целых 180 лошадиных сил на силу сопротивления. Если водитель захочет разогнать авто еще сильнее, до 300 километров/час, помимо мощности для увеличения скорости мотору нужно будет расходовать уже 310 лошадей, чтобы справиться с фронтальным потоком воздуха. Вот зачем спортивному автомобилю требуется настолько мощный силовой агрегат.

Чтобы разработать максимально обтекаемый, но вместе с тем и достаточно комфортный транспорт, инженеры рассчитывают коэффициент Сх. Этот параметр в описании модели является самым важным, что касается идеальной формы кузова. Идеальной величиной в этой области обладает капля воды. У нее этот коэффициент составляет 0,04. Ни один автопроизводитель не согласится на столь оригинальный дизайн своей новой модели машины, хотя раньше встречались варианты в таком дизайне.

Уменьшать сопротивление ветра можно двумя методами:

1. Изменить форму кузова настолько, чтобы поток воздуха максимально обтекал машину;
2. Сделать автомобиль нешироким.

Во время движения машины на нее действует вертикальная сила. Она может иметь прижимный эффект, что положительно сказывается на сцеплении с дорогой. Если не увеличить давление на машину, образовавшийся вихрь будет обеспечивать отрыв транспорта от земли (этот эффект каждый производитель старается максимально устранить).

С другой стороны во время движения авто на него действует и третья сила – боковая. Эта область еще меньше поддается контролю, так как на нее влияет много непостоянных величин, например, боковой ветер при прямолинейном движении или на повороте. Силу этого фактора невозможно предугадать, поэтому инженеры не рискуют, и создают корпуса с шириной, которая позволяет пойти на определенный компромисс в коэффициенте Сх.

Чтобы определить, до какой степени можно учесть параметры вертикальных, фронтальных и боковых сил, ведущие производители автотранспорта создают специализированные лаборатории, в которых проводятся аэродинамические испытания. В зависимости от материальных возможностей, эта лаборатория может включать аэродинамическую трубу, в которой под большим потоком воздуха проверяется эффективность обтекаемости транспорта.

В идеале производители новых моделей авто стремятся либо довести свою продукцию до коэффициента в 0,18 (на сегодняшний день это идеал), либо превысить его. Но второе пока никому еще не удается, потому что невозможно устранить другие силы, воздействующие на машину.

Прижимная и подъемная силы

Вот еще один нюанс, который влияет на управляемость транспорта. В некоторых случаях лобовое сопротивление не удается снизить до минимума. Пример тому – болиды F1. Хотя их кузов идеально обтекаемый, колеса в них открыты. Эта зона создает больше всего проблем для производителей. У такого транспорта Сх находится в пределах от 1,0 до 0,75.

Если задний вихрь в этом случае не удастся устранить, то потоком можно воспользоваться, чтобы увеличить сцепление с треком. Для этого на кузов устанавливают дополнительные детали, которые создают прижимную силу. Например, передний бампер оснащают спойлером, который препятствует отрыву от земли, что крайне важно для спорткара. Подобное антикрыло закрепляется и на задней части болида.

Переднее антикрыло направляет поток не под машину, а на верхнюю часть кузова. Из-за этого нос транспорта всегда направляется в сторону дороги. Снизу образуется вакуум, и машина будто прилипает к трассе. Задний спойлер препятствует образованию вихря позади авто – деталь срывает поток, прежде чем он начнет всасываться в зону разрежения за транспортом.

На уменьшение лобового сопротивления также влияют мелкие элементы. Например, кромка капота практически всех современных автомобилей закрывает щетки дворников. Так как передняя часть машины больше всего сталкивается со встречным потоком, то внимание уделяется даже таким мелким элементам, как дефлекторы воздухозаборников.

Устанавливая спортивные обвесы, нужно учесть, что дополнительная прижимная сила делает машину более уверенной на дороге, но при этом направленный поток увеличивает лобовое сопротивление. Из-за этого пиковая скорость такого транспорта будет ниже, чем без аэродинамических элементов. Еще один отрицательный эффект – автомобиль становится более прожорливым. Правда, эффект от спортивного комплекта обвесов будет ощущаться при скорости от 120 километров в час, поэтому в большинстве ситуаций на дорогах общественного пользования такие детали .

Модели с плохим показателем аэродинамического сопротивления:

Сх 0,7 – Caterham 7

Cx 0,6 – УАЗ (469, Хантер)

Сх 0,58 – Jeep Wrangler (TJ)

Cx 0,57 – Hummer (H2)

Cx 0,56 – ВАЗ «классика» (01, 03, 05, 06, 07)

Сх 0,54 – Mercedes-Benz (G-class)

Cx 0,53 – ВАЗ 2121

Модели с хорошим показателем аэродинамического сопротивления:

Сх 0,18 – VW XL1

Cx 0,19 – GM EV1

Cx 0,21 – Tesla (Model3)

Cx 0,23 – Audi A4

Cx 0,23 – Mercedes-Benz CLA

Cx 0,23 – Mercedes-Benz (S 300h)

Cx 0,24 – Tesla Model S

Cx 0,24 – Tesla (Model X)

Cx 0,24 – Hyundai Sonata

Cx 0,24 – Toyota Prius

Cx 0,24 – Mercedes-Benz C class

Cx 0,25 – Audi A2

Cx 0,25 – Alfa Romeo (Giulia)

Cx 0,25 – Peugeot 508

Cx 0,25 – Honda Insight

Cx 0,26 – BMW (3-series в кузове E90)

Cx 0,26 – BMW i8

Cx 0,26 – Mercedes-Benz (B)

Cx 0,26 – Mercedes-Benz (Е-класса)

Cx 0,26 – Jaguar XE

Cx 0,26 – Nissan GT-R

Cx 0,26 – Infiniti Q50

Дополнительно посмотрите небольшое видео об аэродинамике автомобиля:

Аэродинамика автомобиля, что это такое? Как улучшить аэродинамику? Как НЕ сделать из авто самолет?