Hur aerodynamik på lager fungerar

  • Vlad Krasen
  • 0
  • 1361
  • 83
Bil testas i vindtunnel för aerodynamisk prestanda. Andy Sacks / Stone / -Getty Images

-Dagens bilpark är en stor förbättring jämfört med dekorativa svansfinnar och boxy strukturer från förra året. De moderna krökta konstruktionerna minimerar kraften som luften skapar mot bilens rörelse, och resultatet är en snyggare, snabbare bil. Eftersom hastighet, uppenbarligen, är den viktigaste faktorn i NASCAR-lopp, är aerodynamik ett avgörande inslag i lagerbilsdesign.

Aerodynamik är studien av hur luft rör sig - särskilt hur den interagerar med fasta, rörliga föremål. Precis som en snabbbåt lämnar den skarpa linjen i en vaken som släper bakom den på vattnet, skapar en bil en aerodynamisk påverkan när den skivar genom luften.

Fordonsdesigners och NASCAR-team litar på aerodynamiska principer för att skapa förbättringar i kraft och hantering av fordon i höga hastigheter. Personbilar har blivit mer välformade med åren då tillverkarna upptäckte hur effektivisering kan öka bränsleeffektiviteten, vilket gör att en bil kan resa med samma hastighet med mindre hästkrafter. Dessa konstruktioner minskar luftmotståndet eller aerodynamisk dragkraft.

-I världen av biltävlingar kan det vara viktigare att öka den nedåtgående kraften som luften utövar på bilens hjul. Detta downforce är nyckeln till att upprätthålla dragkraft genom de snäva och ständiga svängarna i en kortbanan.

Upptäckten av de mystiska krafterna för understyrka under de senaste decennierna skickade bilsportvärlden till en vanvidd av vindtunneltestning och subtila justeringar av lagerbilar. Det har förändrat kulturen och praxis för bilracing på vissa sätt som fans tycker om irriterande. NASCAR har varit tvungen att gå in och noggrant reglera de aerodynamiska egenskaperna hos varje fordon i tävling för att hålla jämnt spelplan.

-Till och med avslappnade fans exponeras ständigt för terminologin inom bil aerodynamik. Denna artikel kommer att avmystifiera NASCAR-lingo, med början med fenomenet aero push.

Innehåll
  1. Lagerbil Aero Push
  2. Lagerbil Downforce
  3. Lagerbillyft
  4. Lager bildrag

En hastighetsbilar tränger igenom luften när den reser. Luften svänger över bilens överdel och avböjs av spoilern som är fäst vid bakdäcken. Om en annan bil går direkt bakom näsan till svansen kommer den kontinuerligt in i luftrummet som påverkas av bilen framför.

-Det efterföljande fordonet, om det är bakluckor i en viss närhet, kan dra fördel av ledbilens aerodynamiska kraft. Luften beter sig som om de två bilarna är en. Den förskjutna luften bakom blybilen skapar ett partiellt vakuum som suger den bakre bilen framåt med ökad hastighet, eller med samma hastighet med minskad motorinsats och lägre bränsleförbrukning. Det här kallas utarbetande. Båda bilarna kan resa snabbare än båda bilarna kan gå av sig själv [källa: Turner].

Utarbetande kan vara en mycket kraftfull racingteknik, men det har ett allvarligt ansvar. Den bakre bilen har en minskning av nedstyrkan på sina främre däck, vilket resulterar i en förlust av stabilitet och hantering som kommer ur svängningar. Detta är aero push, kallas också ett "tätt" tillstånd, vilket kräver att den efterföljande föraren underlättar gaspedalen för att återfå dragkraft [källa: ESPN].

Aero push tvingar förarna att göra noggranna beräkningar. Å ena sidan kan många förare förbli konkurrenskraftiga i en tävling genom att spärra på ledningsfordonet, utnyttja den ökade kraften och minskade motorns belastning. Effekterna är särskilt gynnsamma på direkt. Men i hörnen spelar farorna in i minskad manövrerbarhet och större sannolikhet för att förlora kontrollen.

Aero push har nästan blivit det dominerande inslaget i NASCAR-lopp. Fans har klagat över att tävlingen har tappat en del av sitt överklagande, eftersom ryttarna förblir i fasta positioner för långa sträckor åt gången. Förarna utmanar varandra mindre och kör i snäva enfils snarare än sida vid sida. På den positiva sidan kan ett större antal fordon stanna nära förpackningsledaren.

Aero push - och all racing aerodynamik, för den delen - handlar om nedstyrkan.

Air on the Air

I ESPN: s NASCAR-täckning visar en specialeffekt-gimmick, Draft Track, tittarna hur aero push fungerar i realtid och representerar luftströmmar via animerade gröna puffar på skärmen [källa: Hiestand].

downforce är en nedåtriktad kraft som produceras av lufttrycket, vilket skapar ett starkare tryck mellan däcket och vägytan. Principen som är inblandad är densamma som den som ger lyft till flygplan, men omvänt.

Aerodynamisk kraft är resultatet av skillnader i tryck på det rörliga föremålets sidor. De vanligaste metoderna för att öka fordonets nedstyrka involverar att minska lufttrycket under fordonet.

För det mesta kommer varje ökning av nedkraften också att medföra en åtföljande ökning av aerodynamisk dragkraft. För hastighetsdemonen innebär mer dragkraft lägre hastigheter på direktväxten Men mer nedkraft innebär bättre hantering på svängar eftersom däcken greppar banan säkrare.

-Biltekniker och pitbesättningar strävar efter att hålla de två krafterna i balans. På en bana som Daytona, med sina långa raka sidor och bankade, skarpa hörn, tenderar designen att hålla drag till ett minimum. För kortbanatävling är strategin omvänd - eftersom föraren spenderar mer av loppet förhandlingskurvor, kommer en betoning på downforce att leda till ökad total hastighet och ökad säkerhet [källa: Tierney].

Att uppnå mer svårigheter genom att manipulera racerbilar är en obsessiv uppgift i aktiebilsbranschen. Kanske är det bästa stället att börja vid fordonets näsa. Ett ordentligt vinklat nässtycke, placerat lågt till marken, leder majoriteten av luften uppåt över bilens topp. Målet är att skapa ett lågtrycksområde, eller delvis vakuum, under näsan [källa: Circle 304].

Hjulbrunnarna är ett annat område att forma. En flared hjulbrunn som öppnar framför däcket kommer att tvinga rusande luft bort från sidorna och botten av bilen, vilket ytterligare minskar lufttrycket [källa: Boone, "Race Car Aerodynamics"].

För alla tekniska förmågor som ägnas åt att bygga upp kraften bakom framhjulen på lagerbilen är det viktigt att överväga balans. Baksidan av bilen måste ha sin andel av nedkraften för att hantera ordentligt.

-Att studera understyrka innebär att uppmärksamma dess motsatta kraft, lyfta.

Sidokjolar Sidofält

Sidokjolar -- långa horisontella bitar som löper lågt längs sidan av ett fordon - utvecklades i biltävlingar som ett sätt att minska lufttrycket under och öka kraften. Men denna yttre funktion kunde slås av fordonet, vilket resulterar i en plötslig förlust av nedstyrka och stor sannolikhet för en olycka [Källa: Cislunar Aerospace]. Många tävlingsmyndigheter har förbjudit sidokjolar, men de är fortfarande en prickig funktion hos vissa personbilar [Källa: BMW].

-Vingarna på en fågel eller ett flygplan är de mest uppenbara producenterna av hiss. Men lyft betyder inte nödvändigtvis en uppåtgående kraft som motverkar tyngdkraften. I själva verket är downforce en form av hiss - negativ lyft.

Lift är den aerodynamiska kraften vinkelrätt mot kroppens riktning i rörelse. Omvänt, drag är en motståndskraft som är parallell med, men kommer motsatt, från det rörliga objektet. Lyft - kallas i allmänhet a skyward force -- är vanligtvis närvarande i en eller annan grad i ett rörligt objekt. Eftersom hiss och nedstyrka är motsatta krafter, innebär en del av ansträngningen att bygga en lagerbil med en stark nedstyrka att övervinna lyft.

-De tekniska målen är att begränsa mängden luft som strömmar under chassit för att säkerställa en närmare attraktion mellan däcken och marken och för att möjliggöra enkel utrymning för luft som kommer under.

Lagerbilar är karakteristiskt utformade med räfsa -- vilket betyder att bilens bakre del är högre än markens främre ände. Det håller trycket under bilen nere och förhindrar lyft.

Spoilers, främre luftdammar och vingar ger denna effekt. En luftdammen är monterad under den främre stötfångaren för att blockera luftflödet under kroppen. Vingbilagor, som används på Formel One- och Indy-bilar, vänds upp och ner för att ge nedkraft istället för hiss.

Racebilar blir ibland luftburna trots dessa enheter. Faren är särskilt närvarande när en bil snurrar, vilket radikalt förändrar de aerodynamiska krafterna i spel. Under en snabb hastighet kan luft röra sig tillräckligt snabbt över tak och huva för att ge en kraftfull lyftkraft.

Flera säkerhetsinnovationer installeras på NASCAR-fordon för sådana nödsituationer, till exempel ett infälld högerfönster. Lagerbilar som cirklar ovala spår till vänster är mer benägna att visa sitt högra ansikte i en snurr. Den vassa kanten till högerfönster avleder luft i stället för att låta den flyta fritt över taket. Klaffar infällda i bilens tak, en annan säkerhetsfunktion, börjar stiga om lufttrycket plötsligt sjunker över bilen, vilket hindrar luftflödet [Källa: Leslie-Pelecky].

-

Speedy Science

Om du är nyfiken på aerodynamik, gör ytterligare undersökningar på Internet eller på ditt lokala bibliotek. En bok från 2008 som heter "The Physics of NASCAR: How To Make Steel + Gas + Rubber = Speed", av Diandra Leslie-Pelecky, förklarar aerodynamik och andra vetenskapliga principer inom biltävling.

Aerodynamisk drag är luftens kraft längs den resande bilens längd, motsatt bilens kraft. När bilen skär en väg genom luften kolliderar vissa luftmolekyler med den främre stötfångaren och ger motstånd.

-Andra molekyler flödar längs huven, bara för att komma upp mot vindrutan - en annan dragkälla. Luften som glider smidigt över taket växer turbulent över bakrutan och bakom bilen och utövar en bakåtkraft på fordonet.

Hastighet, lufttäthet och bilstorlek, form och design bestämmer alla storleken på bilens dragkraft.

"En snabbare bil upplever mer drag eftersom den måste driva luftmolekyler ur vägen snabbare," förklarar Diandra Leslie-Pelecky i sin bok, "The Physics of NASCAR." "Tät luft ökar dra eftersom det finns fler luftmolekyler som träffar varje område på bilen. Ett större tvärsnittsområde ökar dra eftersom fler luftmolekyler måste flyttas ur vägen" [källa: Leslie-Pelecky].

Drag är det största hindret för acceleration och tävlingshastighet. En personbil som kör på motorvägen spenderar uppskattningsvis 60 procent av sin energi att övervinna luftmotstånd, en mycket större andel än däckfriktion och energibehovet i själva drivtåget [källa: Beauchamp].

Att besegra drag var det första huvudfokuset för aerodynamik i fordon, början på 1960-talet. Det är fortfarande den viktigaste variabeln i tävlingsförhållanden som lägger en mindre premie på downforce, till exempel längre banor med mer direkt.

De eleganta linjerna, lutade vindrutor och rundade hörn av moderna racerbilar - och personbilar för den delen - är utformade för att minimera dragkraften. Men strävan att konstruera racerbilar med hög nettostyrka leder ibland till ytterligare drag. Den bakre spoilern som finns på NASCAR-fordon är ett exempel: Det ökar dragkraften genom att fördela vikten från framsidan till baksidan av bilen [källa: Circle Track]. Aerodynamik är fortfarande ett livligt och ungt teknikområde, med många innovationer som fortfarande kommer att komma ner på vägen.

Besök länkarna på nästa sida för att hålla jämna steg med de senaste innovationerna inom aerodynamik.

Aerodynamik och bränsleeffektivitet

Vanliga förare behöver inte oroa sig för deras fordons nedsättning, men personbilar kan minska dragkraften genom att sänka chassit, lägga till en luftspjäll, hjulbrunn och huvskåp [källa: Beauchamp].

Relaterade artiklar

  • Vad är historien med tävlingsbilsracing?
  • Hur lagerbilskannrar fungerar
  • Hur lagerbilsracingtekniker fungerar
  • Hur lagertelstelemetry fungerar
  • Hur lagerbilsupphängningar fungerar

källor

  • Opartisk Press. "Att gå med flödet." (Åtkomst 12/15/08) http://hosted.ap.org/specials/interactives/nascar2005/aerodynamics/aerodynamics.swf
  • Beauchamp, Warren. "Personbilens aerodynamik." (Tillträde 12/15/08) http://www.recumbents.com/car_aerodynamics/
  • BMW. "BMW Sidokjolar." (Åtkomst 12/17/08) http://www.bmwsideskirts.com/history.php
  • Boone, Jerry F. "Dålig luft? Fysiken bakom bilracing." Lager Bilracing. (Åtkomst 12/14/08) http://www.stockcarracing.com/techarticles/scrp_0301_the_physics_behind_auto_racing/index.html
  • Boone, Jerry F. "Race Car Aerodynamics - Short Track Auto." Lager Bilracing. (Åtkomst 12/14/08) http://www.stockcarracing.com/techarticles/scrp_0702_race_car_aerodynamics/index.html
  • Circle Track. "Aerodynamik - Definierad bil Aero definierad." (Åtkomst 12/14/08) http://www.circletrack.com/techarticles/0304_aerodynamics_tech_definitions/index.html
  • Cislunar Aerospace. "Aerodynamik och racerbilar." K-8 Aeronautics Internet Textbook. (Åtkomst 12/15/08) http://wings.avkids.com/Book/Sports/advanced/racecar-01.html
  • ESPN. "Aero Push." (Åtkomst 12/14/08) http://sports.espn.go.com/rpm/nascar/icons/news/story?id=3426389
  • Hiestand, Michael. "ESPN kommer att visa det osynliga från NASCAR." USA I dag, 24 juli 2007. (Åtkomst 12/15/08) http://www.usatoday.com/sports/columnist/hiestand-tv/2007-07-24-ESPN-NASCAR_N.htm
  • Leslie-Pelecky, Diandra. Fysiken i NASCAR: Hur man gör stål + gas + gummi = hastighet. Dutton: 2008. (Åtkomst 12/17/08 via Google Books) http://books.google.com/books?id=OAK3yFlHoTAC
  • Tierney, John. "NASCAR's Screech and Slam? Det är allt aerodynamik." New York Times, 12 februari 2008. (Åtkomst 12/15/08) http://www.nytimes.com/2008/02/12/science/12tier.html?pagewanted=all
  • Turner, Charlie. "Utkast och Aero." Bench Racing med Steve och Charlie. (Åtkomst 12/16/08) http://benchracing.typepad.com/bench_racing_with_steve_a/drafting_and_aero.html

-




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