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.
При движении автомобиля торможение и ускорение создаются в области контакта между шиной и дорогой, поэтому сильно зависят от вертикальной силы, приложенной на колеса, а также ограничиваются некоторым максимальным коэффициентом трения. Если бы мы смогли каким-то образом увеличить нормальную силу, действующую на колесо, а также максимальное значение коэффициента трения, то боковая сила, возникающая при повороте, также увеличилась бы без потери устойчивости автомобиля. Одним из способов увеличить нормальную силу является увеличение веса автомобиля, но естественно это не самый удачный способ, поскольку это повлияет на его боковую силу в пропорциональном отношении. Следовательно, не удастся улучшить скорость прохождения поворотов, а также автомобиль будет тяжелее.
Для увеличения нормальной силы можно использовать аэродинамическую прижимную силу, причем без добавления дополнительного веса, что позволяет увеличить скорость прохождения поворотов и соответственно уменьшить время прохождения круга. Этот эффект был применен аэродинамиками только в середине 1960-х годов.
С тех пор технологии ушли далеко вперед. Существенно были улучшены аэродинамические аспекты, характеристики двигателя, качество шин, шасси и т.д. Большая часть этих улучшений в различных дисциплинах приводила к улучшению производительности, увеличению максимальной скорости, увеличению скорости в поворотах и соответственно к уменьшению времени прохождения круга. Этот тренд можно продемонстрировать на рисунке зависимости максимальной скорости при прохождении круга с течением времени. С 1950 года можно наблюдать резкое увеличение наклона кривой, что частично может быть связано с проведением аэродинамического эксперимента. Также это связано и с развитием технологий в шинной индустрии.Самый большой скачок в скорости произошел в 1972 году в связи с установкой передних и задних антикрыльев. Интересно, что контролирующие организации сразу же отметили сильное влияние аэродинамики на увеличение скорости, и для уменьшения скорости вводились различные ограничения на использование аэродинамических поверхностей, таких как антикрыльев.
Несмотря на все ограничения, максимальная скорость на круге продолжала расти. В конечном итоге, скорость практически перестает расти и находится в пределах от 365 до 385 км/ч. По-видимому, это связано с недостаточным временем реакции человеческого организма для того, чтобы контролировать ситуацию на дороге, а также с введенными ограничениями для того, чтобы не выходить за эти пределы.
Как было отмечено, одно из самых важных преимуществ аэродинамической прижимной силы является увеличение скорости автомобиля при повороте. Для того, чтобы продемонстрировать этот тренд, давайте рассмотрим две кривые.
Если бы улучшения проводились только в технологии производства шин без каких-либо дополнительных несущих поверхностей, то увеличение скорости при повороте двигалось бы по непрерывной синей линии. Пунктирная красная линия представляет собой тренды в производительности современных гоночных автомобилей. Именно за счет использования антикрыльев удалось существенно улучшить эффективность при прохождении поворота. Этот тренд был усилен в конце 1970-х годов за счет использования экранного эффекта, который использовал сам кузов автомобиля для создания дополнительной прижимной силы.
Кроме этого, за счет более улучшенной аэродинамики автомобиль стал намного более устойчивым и управляемым, также сильно улучшилось торможение при больших скоростях, что снова поспособствовало уменьшению времени на круг. Необходимо также отметить, что добавление дополнительных аэродинамических поверхностей увеличивает сопротивление автомобиля, уменьшая максимальную скорость движения по прямой, поэтому для каждой конкретной гонки соотношение прижимной силы и силы сопротивления должно быть тщательным образом подобрано. Уменьшение сопротивления является главной проблемой только для автомобилей, целью которых является достижение максимальной скорости по прямой, а также обычных повседневных автомобилей, для которых важна топливная экономичность.
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.
При обтекании кузова автомобиля воздухом всегда имеют место две противоположные тенденции. С одной стороны, поток воздуха, обегающий машину сверху, поджимается кузовом, вследствие чего вынужден разгоняться. В результате давление в потоке падает, и возникает определенная подъемная сила.
Но и поток газа, выбравший для себя путь под днищем машины, также разгоняется, попадая в узкую щель между асфальтом и автомобилем. Это создает некоторое разрежение под машиной, присасывая ее к дороге.
Какая из этих тенденций перевесит - зависит от большого количества факторов. «Гражданские» машины обычно имеют достаточно большой дорожный просвет и негладкие днища, что препятствует возникновению серьезного разрежения под машиной, поэтому их движение чаще сопровождается действием подъемной силы. Например, симпатяга Volkswagen New Beetle на скорости 190 км/ч создает подъемную силу в 340 кг, что составляет почти треть массы автомобиля! Явление усугубляется характерным «горбатым» профилем «Жука», разгоняющего поток газа над машиной не хуже выпуклой части крыла самолета. А вот на Ferrari 360 Modena днище закрыто специальным обтекателем, поэтому на той же скорости на машину действует прижимная сила 90 кг, удваивающаяся при разгоне до 300 км/ч.
  |
Создание прижимной силы за счет разрежения под машиной является крайне привлекательным полем деятельности для аэродинамиков, ведь площадь днища машины во много раз превосходит площадь даже самых больших антикрыльев. Поэтому действие уже небольшого разрежения приводит к возникновению ощутимой прижимной силы. Кроме того, обычно аэродинамическое сопротивление шасси при этом увеличивается незначительно, а в некоторых случаях даже уменьшается.
Апогеем использования днищ автомобилей Формулы-1 для создания прижимной силы стала эра граунд-эффекта, начавшаяся с дебюта в 1977 году автомобиля Lotus 78. После этого многие машины Формулы-1 получили специально профилированные нижние части боковых понтонов, позволявшие разгонять воздух до такой степени, что прижимные силы на скорости 300 км/ч переваливали за 1,5 тонны.
Чрезмерно возросшие скорости движения машин в поворотах привели к запрету граунд-эффекта в конце 1982 года. С тех пор регламент требует, чтобы днища машин Формулы-1 между передними и задними колесами были плоскими.
Какое-то время казалось, что отныне бремя создания прижимной силы ложится исключительно на традиционные антикрылья. Однако, как выяснилось, даже под плоским днищем воздушный поток можно разогнать настолько, что значения возникающей прижимной силы окажутся вполне сравнимыми с величинами сил, обеспечиваемых антикрыльями. В современном автомобиле Ф-1 порядка 40% всей прижимной силы возникает за счет действия разрежения под днищем.
От каких же факторов зависит эффективность создания прижимной силы под днищем машины?
Во-первых, от соотношения воздушных потоков, обтекающих машину сверху и снизу. Инженеры стремятся загнать как можно больше воздуха под автомобиль, что, с одной стороны, снижает разрежение, действующее на машину сверху, а с другой - уменьшает давление под машиной. Характерным примером того, как этого добиться, является Tyrrell 019 с так называемым «вздернутым носом», дебют которого состоялся в 1990 году. Эта концепция впоследствии была принята всеми командами Формулы-1 и стала нынче традиционной. Классические «низкие носы» машин Формулы-1 конца 80-х, украшенные с обеих сторон «усами» антикрыльев, препятствовали попаданию воздуха под днище. «Задрав» передние обтекатели, автомобили получили прибавку в прижимной силе с минимальным изменением коэффициента аэродинамического сопротивления, что сделало эту идею настоящим хитом.
  |
С другой стороны, для того чтобы как следует разогнать поток воздуха под машиной, требуется определенный, обычно небольшой, дорожный просвет (расстояние между нижней точкой машины и трассой). Уменьшение просвета до определенного значения приводит к возрастанию коэффициента прижимной силы, поскольку уменьшается площадь поперечного сечения щели, по которой течет газ, с соответствующим увеличением скорости потока. Дальнейшее «приседание» машины вызывает «затирание» воздушного потока под днищем за счет действия вязкостных сил трения, что затрудняет ток газа.
Международная автомобильная федерация в непрерывной борьбе с возрастающими скоростями предприняла еще несколько атак на прижимную силу, создаваемую под днищем. Так, с 1995 года регламент обязывает инженеров делать днища автомобилей Ф-1 ступенчатыми: нижние части боковых понтонов должны располагаться в 50 мм над базовой плоскостью. Это увеличивает площадь поперечного сечения щели, по которой течет газ, и соответственно уменьшает прижимную силу. Ограничение общей ширины автомобиля в 1998 году величиной 1800 мм привело к искажению его пропорций. Длинные и узкие машины менее эффективны с точки зрения создания прижимной силы под днищем.
Вблизи поверхности днища за счет действия вязкостных сил трения воздушный поток имеет ту же скорость, что и автомобиль. Воздух как бы «прилипает» к днищу, двигаясь вместе с ним. Та же ситуация имеет место около поверхности трассы, где воздух, затормаживаемый силами трения со стороны трассы, неподвижен относительно дорожного полотна. Такие воздушные слои вблизи поверхностей называются пограничными. Между пограничными слоями воздушный поток движется относительно трассы с определенной скоростью, достигающей величин 30-50 км/ч. Другими словами, если скорость автомобиля относительно неподвижного воздуха - 300 км/ч, то под машиной поток газа разгоняется до 330-350 км/ч. За счет этого и возникает разрежение, присасывающее машину к земле. В результате падение давления под днищем машины может достигать 9 кПа. Много это или мало? Представьте себе, что такое разрежение мог бы развивать ваш пылесос. Тогда им можно было бы поднимать предметы массой до 10 кг, то есть, к примеру, «припылесосить» среднего размера собачку. Действуя же на обширное днище, поток создает прижимную силу в несколько сотен килограммов.
Именно таким образом из скрытого от посторонних взглядов плоского днища кудесники от аэродинамики извлекают почти столько же сил, сколько и из видимых каждому хитроумных антикрыльев. Впрочем, «донная» аэродинамика - слишком большой секрет, чтобы оставаться в Ф-1 тайной хоть для кого-нибудь.
К удивлению многих автолюбителей и почитателей тюнинга, антикрыло и спойлер – разные по своему назначению устройства. Проведем небольшой экскурс в мир аэродинамики автомобиля, чтобы понять роль спойлера и заднего антикрыла.
Из теории аэродинамики
Антикрыло, что явствует уже из названия, является противоположностью крыла. Главный принцип работы крыла – создание подъемной силы. Разница давлений между нижней и верхней плоскостью профилированного тела была описана Бернулли. Именно профилированная форма крыла, при которой верхняя плоскость имеет большую площадь, используется в авиации для создания подъемной силы. В случае с антикрылом имеет место тот же физический процесс, но только крыло перевернуто. Таким образом, плоскость, на которой устанавливается приспособление, получает дополнительную прижимную силу. В этом и заключается основное предназначение аниткрыльев.
Как работает антикрыло на автомобиле
Площадь нижней части антикрыла больше площади верхней плоскости, поэтому воздух над антикрылом проходит быстрее. В нижней части создается область низкого давления, а в верхней – зона высока давления. Увеличению эффекта способствует расположение эпод отрицательным углом атаки. Между нижней частью и плоскостью, на которой установлено антикрыло, должно быть расстояние для прохождения воздушных потоков. Именно таким образом установка заднего и переднего антикрыльев придает автомобилю дополнительное давление на площадь контакта колеса с дорогой. Иными словами, увеличивается прижимная сила.
Немного о спойлере
Но для чего тогда спойлер? Этот термин в автомобильный мир также попал из авиации. В крыле самолета используются специальные многофункциональные интерцепторы, именуемые спойлерами. Их главное предназначение – противодействие подъемной силе. Что касается автомобильного спойлера, то это устройство для перенаправления воздушных потоков с целью уменьшения аэродинамического сопротивления. Дополнительной, но не менее важной, функцией заднего спойлера является отвод грязевых потоков. Во время движения на большой скорости позади автомобиля образовывается турбулентность, что приводит к засасыванию грязевых потоков, проходящих под днищем. Поэтому в конструкцию заднего спойлера заложена функция уменьшения турбулентности.
В автоспорте, как ни странно, спойлеры применяются для создания разряжения за автомобилем. Завихрения создают зону низкого давления у заднего бампера, что способствует увеличению прижимного усилия. Увеличивается скорость прохождения воздушных потоков под днищем автомобиля. В таком случае спойлер помогает всему кузову автомобиля выступать в роли антикрыла (нужно вспомнить закон Бернулли).
Основные характеристики
Подводя небольшие итоги, можно провести общее сравнение. Антикрыло:
- создает прижимное усилие;
- повышает коэффициент лобового сопротивления.
На гражданские автомобили монтируются только спойлеры, так как использование антикрыла ведет к возрастанию расхода топлива и, как следствие, количеству вредных веществ от выхлопных газов. Именно поэтому конструкторские бюро работают над уменьшением значения Сх (коэффициент воздушного сопротивления).
Чудеса аэродинамики
Заядлые автолюбители могут вспомнить классический аэродинамический элемент, используемый Porsche. Так называемый ducktail (утиный хвост), который получают многие заднемоторные спорткары. Название заднего антикрыла ducktail получить не может, так как не имеет расстояния между кузовом и нижней кромкой аэродинамического элемента. Но и спойлером задумка Порше быть не может, так как располагается задолго до места срыва воздушных потоков. А этот аспект – один из главных, если мы говорим об определении заднего спойлера.
Благодаря большому углу атаки ducktail значительно увеличивает прижимающую силу задней оси. А ведь именно эту роль выполняет антикрыло. Также за аэродинамическим элементом создается разряжение, что заставляет воздушные потоки скользить по кормовой части автомобиля, попутно захватывая горячий воздух с моторного отсека. Таким образом, инженеры решили две немаловажные задачи.
Многие современные спортивные автомобили имеют управляемое антикрыло. Оно не только может изменять угол атаки, но и вовсе быть единым целым с кузовом до определенного момента. Антикрыло автоматически выезжает при достижении определенной скорости, изменяет угол наклона в зависимости от тормозного усилия и интенсивности маневрирования.
Аэродинамика передней части
Несмотря на то что при упоминании спойлера у большинства людей возникает представление заднего аэродинамического аксессуара, к разряду распределителей воздушных потоков может быть отнесена даже «губа» переднего бампера. Такой передний спойлер отводит часть воздуха около дорожного полотна, направляя его обиход кузова автомобиля. «Юбка» позволяет уменьшить завихрения, которые неминуемо возникают при огибании деталей подвески, трансмиссии, выхлопной системы. Конструкторы современных авто пытаются сделать днище обтекаемым, пряча элементы под аэродинамическими кожухами.
В автоспорте применяются не только классические «юбки», но и более развитые спойлеры переднего бампера. Так называемые сплитеры, предназначение которых – отсекать наплывающий воздушный поток, пропуская его через внутренние каналы воздуховодов. Забираемый воздух может быть использован для охлаждения двигателя, тормозов либо для диффузора в заднем бампере.
В гонках на время возросшее сопротивление набегающему воздуху компенсируется увеличением мощности. Главная цель – улучшить управляемость автомобиля, устойчивость и эффективность торможения.