Hur aerodynamik fungerar

  • Vlad Krasen
  • 0
  • 2878
  • 643
Fordon med en aerodynamisk design tenderar att vara mer stabila vid högre hastigheter. Se fler bilder på sportbilar. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Det är obehagligt att tänka på, men föreställ dig vad som skulle hända om du körde din bil in i en tegelvägg på 65 miles per timme (104,6 kilometer per timme). Metall skulle vrida och riva. Glas skulle krossa. Airbags skulle spricka ut för att skydda dig. Men även med alla framsteg inom säkerheten som vi har med våra moderna bilar, skulle det troligtvis vara en tuff olycka att gå ifrån. En bil är helt enkelt inte utformad för att gå igenom en tegelvägg.

Men det finns en annan typ av "vägg" som bilar är konstruerade för att gå igenom, och har varit det länge - den vägg i luften som skjuter mot ett fordon i höga hastigheter.

De flesta av oss tänker inte på luft eller vind som en vägg. Vid låga hastigheter och på dagar då det inte är särskilt blåsigt ute är det svårt att märka hur luften interagerar med våra fordon. Men i höga hastigheter och på exceptionellt blåsiga dagar, luftmotstånd (krafterna agerade på ett rörligt föremål av luften - definieras också som drag) har en enorm effekt på hur en bil accelererar, hanterar och uppnår bränslekilometer.

Detta där aerodynamikens vetenskap spelar in. Aerodynamik är studiet av krafter och den resulterande rörelsen av föremål genom luften [källa: NASA]. Under flera decennier har bilar konstruerats med aerodynamik i åtanke, och biltillverkare har kommit med en mängd olika innovationer som gör att man klipper igenom den "väggen" av luft enklare och mindre påverkar den dagliga körningen.

-I grund och botten har en bil designad med luftflöde i åtanke att den har mindre svårigheter att accelerera och kan uppnå bättre antal bränsleekonomi eftersom motorn inte behöver arbeta nästan lika hårt för att driva bilen genom luftväggen.

Ingenjörer har utvecklat flera sätt att göra detta. Till exempel är mer rundade mönster och former på fordonets utsida utformade för att kanalisera luft på ett sätt så att det flyter runt bilen med minsta möjliga motstånd. Vissa högpresterande bilar har till och med delar som rör sig smidigt över bilens undersida. Många inkluderar också en spoiler -- även känd som en bakre vinge -- för att hindra luften från att lyfta bilens hjul och göra den instabil i höga hastigheter. Även om de flesta spoilrar som du ser på bilar, som du läser senare, helt enkelt är för dekoration mer än något annat.

I den här artikeln ska vi titta på aerodynamikens fysik och luftmotståndet, historien om hur bilar har utformats med dessa faktorer i åtanke och hur med trenden mot "grönare" bilar är aerodynamik nu viktigare än någonsin.

Innehåll
  1. Vetenskapen om aerodynamik
  2. Dragkoefficienten
  3. Historik om aerodynamisk bildesign
  4. Mät drag med hjälp av vindtunnlar
  5. Aerodynamiska tillägg

Innan vi tittar på hur aerodynamik tillämpas på bilar, här är en liten fysikuppfriskningskurs så att du kan förstå grundidén.

När ett föremål rör sig genom atmosfären förskjuter det luften som omger den. Objektet utsätts också för gravitation och drag. Drag genereras när ett fast föremål rör sig genom ett fluidmedium såsom vatten eller luft. Dra ökar med hastighet - ju snabbare objektet reser, desto mer dra upplever det.

Vi mäter ett objekts rörelse med hjälp av de faktorer som beskrivs i Newtons lagar. Dessa inkluderar massa, hastighet, vikt, yttre kraft och acceleration.

Drag har en direkt effekt på accelerationen. Acceleration (a) för ett objekt är dess vikt (W) minus drag (D) dividerat med dess massa (m). Kom ihåg att vikt är ett föremålets massa gånger tyngdkraften som verkar på den. Din vikt skulle förändras på månen på grund av mindre gravitation, men din massa förblir densamma. För att uttrycka det enklare:

a = (W - D) / m

(källa: NASA)

När ett objekt accelererar ökar dess hastighet och dra, så småningom till den punkt där dra blir lika med vikten - i vilket fall ingen ytterligare acceleration kan uppstå. Låt oss säga att vårt objekt i denna ekvation är en bil. Detta betyder att när bilen kör snabbare och snabbare, mer och mer luft trycker mot den, vilket begränsar hur mycket mer den kan accelerera och begränsa den till en viss hastighet.

Hur gäller allt detta för bildesign? Tja, det är användbart för att räkna ut ett viktigt nummer - dra-koefficient. Detta är en av de primära faktorerna som avgör hur lätt ett objekt rör sig genom luften. Dragkoefficienten (Cd) är lika med dra (D), dividerat med mängden densitet (r), gånger halva hastigheten (V) kvadrat gånger området (A). För att göra det mer läsbart:

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

[källa: NASA]

Så realistiskt, hur mycket dragkoefficient syftar en bildesigner till om de skapar en bil med aerodynamisk avsikt? Ta reda på det på nästa sida.

Toyota Prius unika form är en faktor som hjälper den att få otrolig bränsleekonomi. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Vi har just lärt oss att dragkoefficienten (Cd) är en siffra som mäter kraften i luftmotstånd på ett föremål, till exempel en bil. Föreställ dig nu den luftkraft som skjuter mot bilen när den rör sig längs vägen. Vid 70 miles per timme (112,7 kilometer per timme) finns det fyra gånger mer kraft som arbetar mot bilen än med 35 miles per timme (56,3 kilometer per timme) [källa: Elliott-Sink].

De bilens aerodynamiska förmågor mäts med hjälp av fordonets dragskoefficient. I huvudsak, ju lägre Cd, desto mer aerodynamisk är en bil, och desto lättare kan den röra sig genom väggen i luften som skjuter mot den.

Låt oss titta på några cd-nummer. Kommer du ihåg de boxy gamla Volvo bilar på 1970- och 80-talet? En gammal Volvo 960 sedan uppnår en Cd på .36. De nyare Volvos är mycket snyggare och böjda, och en S80 sedan uppnår en Cd av .28 [källa: Elliott-Sink]. Detta bevisar något som du kanske har kunnat gissa redan - jämnare, mer strömlinjeformade former är mer aerodynamiska än boxiga. Varför är det exakt??

Låt oss titta på det mest aerodynamiska i naturen - en teardrop. Trasdrängen är slät och rund på alla sidor och avsmalnar i toppen. Luft flyter runt den smidigt när den faller till marken. Det är detsamma med bilar - släta, rundade ytor tillåter luften att strömma i en ström över fordonet, vilket minskar lufttrycket mot kroppen.

Idag uppnår de flesta bilar en CD-skiva på ungefär 0,30. SUV: er, som tenderar att vara mer boxiga än bilar eftersom de är större, rymmer fler människor och ofta behöver större galler för att hjälpa till att kyla ner motorn, har en CD-skiva var som helst från 0,30 till 0,40 eller mer. Pickupbilar - en avsiktligt boxig design - kommer vanligtvis runt 0,40 [källa: Siuru].

Många har ifrågasatt Toyota Prius-hybridens "unika" utseende, men den har en extremt aerodynamisk form av en god anledning. Bland andra effektiva egenskaper hjälper dess Cd på .26 den att uppnå mycket hög körsträcka. I själva verket kan en minskning av bilens CD med bara 0,01 resultera i en ökning av bränsleekonomin på 0,2 mil per gallon (0,09 kilometer per liter) [källa: Siuru].

På nästa sida undersöker vi aerodynamisk designhistoria.

Dessa antikviteter bilar visar hur lite som var känt om aerodynamik i fordon i början av 1900-talet. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Medan forskare mer eller mindre har varit medvetna om vad som krävs för att skapa aerodynamiska former under lång tid, tog det en stund innan dessa principer tillämpades på bildesign.

Det var inget aerodynamiskt med de tidigaste bilarna. Ta en titt på Fords seminal Model T - det ser mer ut som en hästvagn minus hästarna - verkligen en mycket boxig design. Många av dessa tidiga bilar behövde inte oroa sig för aerodynamik eftersom de var relativt långsamma. Vissa tävlingsbilar i början av 1900-talet inkluderade emellertid avsmalnande och aerodynamiska funktioner i en eller annan grad.

1921 skapade den tyska uppfinnaren Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, som översätter till "tårfällbar bil." Baserat på den mest aerodynamiska formen i naturen, teardropen, hade den en CD på bara 0,27, men dess unika utseende har aldrig fångats med allmänheten. Endast cirka 100 gjordes [källa: Pris].

På amerikansk sida kom ett av de största sprången framåt inom aerodynamisk design på 1930-talet med Chrysler Airflow. Inspirerat av fåglar under flygning, var luftflödet en av de första bilarna designade med aerodynamik i åtanke. Även om den använde några unika konstruktionstekniker och hade en nästan 50-50 viktfördelning (lika viktfördelning mellan fram- och bakaxlarna för förbättrad hantering), blev en stor depression-klädd publik aldrig kär i sitt okonventionella utseende och bilen betraktades som en flopp. Fortfarande var dess strömlinjeformade design långt före sin tid.

När 1950- och 60-talet inträffade kom några av de största framstegen inom bil aerodynamik från racing. Ursprungligen experimenterade ingenjörer med olika mönster, medveten om att strömlinjeformade former kunde hjälpa deras bilar att gå snabbare och hantera bättre i höga hastigheter. Det utvecklades så småningom till en mycket exakt vetenskap om att skapa den mest aerodynamiska tävlingsbilen som möjligt. Främre och bakre spoilers, spade-formade näsor och aero-satser blev mer och mer vanliga för att hålla luftströmmar över bilens överdel och för att skapa nödvändig nedkraft på fram- och bakhjulen [källa: Formula 1 Network].

På konsumentens sida utvecklade företag som Lotus, Citroën och Porsche några mycket strömlinjeformade konstruktioner, men dessa tillämpades mest på högpresterande sportbilar och inte vardagliga fordon för den vanliga föraren. Det började förändras på 1980-talet med Audi 100, en passagerarsedan med en då onordnad CD på 0,30. Idag är nästan alla bilar konstruerade med aerodynamik i åtanke på något sätt [källa: Edgar].

Vad hjälpte den förändringen att ske? Svaret: Vindtunneln. På nästa sida undersöker vi hur vindtunneln har blivit avgörande för fordonsdesign.

Bilar (och flygplan) har testat sin aerodynamik av vindtunnlar. - - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

-

För att mäta en bils aerodynamiska effektivitet i realtid har ingenjörer lånat ett verktyg från flygindustrin - vindtunneln.

I huvudsak är en vindtunnel ett massivt rör med fläktar som producerar luftflöde över ett föremål inuti. Detta kan vara en bil, ett flygplan eller något annat som ingenjörer behöver mäta för luftmotstånd. Från ett rum bakom tunneln studerar ingenjörer hur luften interagerar med föremålet, hur luftströmmarna flödar över de olika ytorna.

Bilen eller planet inuti rör sig aldrig, men fansen skapar vind i olika hastigheter för att simulera verkliga förhållanden. Ibland kommer en riktig bil inte ens att användas - formgivare förlitar sig ofta på exakt skala modeller av sina fordon för att mäta vindmotstånd. När vinden rör sig över bilen i tunneln används datorer för att beräkna dragkoefficienten (Cd).

Vindtunnlar är verkligen inget nytt. De har funnits sedan slutet av 1800-talet för att mäta luftflödet under många tidiga flygförsök. Till och med Wright Brothers hade en. Efter andra världskriget började tävlingsingenjörer som letade efter konkurrensen med att använda dem för att mäta effektiviteten i deras bilers aerodynamiska utrustning. Den tekniken gick senare till personbilar och lastbilar.

Men under de senaste åren används de stora vindtunnlarna med flera miljoner dollar mindre och mindre. Datorsimuleringar börjar ersätta vindtunnlar som det bästa sättet att mäta aerodynamiken i en bil eller ett flygplan. I många fall kallas vindtunnlar oftast bara för att se till att datorsimuleringarna är korrekta [källa: Day].

Många tycker att lägga till en spoiler på baksidan av en bil är ett bra sätt att göra den mer aerodynamisk. I nästa avsnitt kommer vi att undersöka olika typer av aerodynamiska tillägg till fordon och undersöka deras roller i prestanda och ge bättre bränslekilometer.

Formel 1-bilar är aerodynamiskt utformade för att generera maximal kraft. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

-

Det finns mer aerodynamik än bara dra - det finns andra faktorer som kallas lift och downforce också. Hiss är den kraft som motsätter sig ett objekts vikt och lyfter upp den i luften och håller den där. downforce är motsatsen till hiss - kraften som trycker på ett föremål i riktning mot marken [källa: NASA].

Du kanske tror att dragkoefficienten på en Formel 1-racerbil skulle vara mycket låg - en super-aerodynamisk bil är snabbare, eller hur? Inte i det här fallet. En typisk F1-bil har en cd på cirka 0,70.

Varför kan denna typ av racerbil köra med hastigheter på mer än 200 mil i timmen (321,9 kilometer i timmen), men ändå inte så aerodynamisk som du har gissat? Det beror på att Formel 1-bilar är byggda för att generera så mycket nedkraft som möjligt. Med de hastigheter de åker, och med sin extremt lätta vikt, börjar dessa bilar faktiskt uppleva lyft i vissa hastigheter - fysiken tvingar dem att ta fart som ett flygplan. Uppenbarligen är bilar inte avsedda att flyga genom luften, och om en bil går i luften kan det innebära en förödande krasch. Av detta skäl måste nedkraften maximeras för att hålla bilen på marken i höga hastigheter, och det innebär att en hög CD krävs.

Formel 1-bilar uppnår detta genom att använda vingar eller spoilers monterade på fordonets främre och bakre del. Dessa vingar kanaliserar flödet i luftströmmar som pressar bilen till marken - bättre känd som downforce. Detta maximerar kurvhastigheten, men det måste balanseras noggrant med lyft för att också ge bilen rätt mängd raka hastighet [källa: Smith].

Många produktionsbilar inkluderar aerodynamiska tillägg för att generera downforce. Medan Nissan GT-R-superbilen har kritiserats något i bilpressen för sitt utseende, är hela kroppen utformad för att kanalisera luft över bilen och tillbaka genom den ovala bakre spoilern, vilket genererar massor av kraft. Ferrari's 599 GTB Fiorano har flygande buttress B-pelare utformade för att kanalisera luft också bakåt - dessa hjälper till att minska dra [källa: Classic Driver].

Men du ser massor av spoilers och vingar på vardagliga bilar, som Honda och Toyota sedans. Tillsätter de verkligen en aerodynamisk fördel till en bil? I vissa fall kan det ge lite höghastighetsstabilitet. Till exempel hade den ursprungliga Audi TT inte en spoiler på sin bakre dekklid, men Audi lade till en efter att dess rundade kropp visade sig skapa för mycket hiss och kan ha varit en faktor i några vrak [källa: Edgar].

I de flesta fall hjälper dock inte en vanlig spoiler på baksidan av en vanlig bil att hjälpa till med prestanda, hastighet eller hantera en hel del - om inte alls. I vissa fall kan det till och med skapa mer understyrning eller motvilja mot hörn. Men om du tycker att den gigantiska spoilern ser bra ut på bagaget på din Honda Civic, låt inte någon säga något annat.

För mer information om aerodynamik i fordon och andra relaterade ämnen, vind vidare till nästa sida och följ länkarna.

Relaterade artiklar

  • Hur aerodynamik på lager fungerar
  • Hur hjälper downforce en NASCAR racerbil?
  • Hur NASCAR Drafting fungerar
  • Så fungerar NASCAR: s morgondagens bil
  • Hur flygplan fungerar
  • - Fysikkanal

Fler bra länkar

  • NASA - Nybörjarguide för aerodynamik
  • NASA - Dragkoefficienten
  • NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division - Aerodynamics In Car Racing
  • Symscape - Aerodynamics med formel 1

källor

  • Klassisk förare. "Ferrari 599 GTB Fiorano." (9 mars 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
  • Day, Dwayne A. "Advanced Wind Tunnels." U.S. Centennial of Flight Commission. (9 mars 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
  • Edgar, Julian. "Aerodynamik i bil har stannat." Auto hastighet. (9 mars 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
  • Elliott-Sink, Sue. "Förbättra aerodynamik för att öka bränsleekonomin." Edmunds.com. 2 maj 2006. (9 mars 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
  • Formel 1-nätverk. "Williams F1 - Aerodynamics History: Evolution of aerodynamics." (9 mars 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
  • NASA. "Nybörjarguide för aerodynamik." 11 juli 2008. (9 mars 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
  • NASA. "Dragkoefficienten." 11 juli 2008. (9 mars 2009)
  • http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
  • Pris, Ryan Lee. "Cheat Wind - Aerodynamic Tech and Buyers Guide: The Art Of Aerodynamics And the Automobile." European Car Magazine. (9 mars 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
  • Siuru, Bill. "5 fakta: Aerodynamics." GreenCar.com. 13 oktober 2008. (9 mars 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
  • Smith, Rich. "Aerodynamik med formel 1." Symscape. 21 maj 2007. (9 mars 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero



Ingen har kommenterat den här artikeln än.

De mest intressanta artiklarna om hemligheter och upptäckter. Massor av användbar information om allt
Artiklar om vetenskap, rymd, teknik, hälsa, miljö, kultur och historia. Förklara tusentals ämnen så att du vet hur allt fungerar