Більшість людей вважає, що для визначення аеродинамічного опору їхнього транспортного засобу потрібен об’єкт вартістю 50 000 доларів та команда інженерів. Це негаразд. Насправді ви можете розрахувати опір вашого автомобіля, використовуючи базову фізику, секундомір та друга. Це напрочуд просто, якщо відкинути корпоративний жаргон і дотримуватися другого закону Ньютона.
Основна концепція проста. Другий закон Ньютона свідчить, що сила дорівнює масі, помноженої прискорення (F = ma ). Коли ви рухаєтеся з постійною швидкістю, потужність двигуна перетворюється на колесах. У цей момент аеродинамічний опір, що діє назад, дорівнює силі, що штовхає вперед. Сумарна сила дорівнює нулю. Ви не прискорюєтеся. Ви не сповільнюєтеся. Ви у рівновазі.
Переключіть коробку передач у нейтральне положення, і ця рівновага порушиться. Двигун перестає зволікати. Набувають чинності гравітація та опір коченню, але основною силою, що уповільнює вас, є опір повітря. Вимірявши, як швидко ви сповільнюєтеся, ви можете визначити силу опору.
Рівняння дорожнього навантаження
Перш ніж виїжджати на шосе, вам потрібно зрозуміти сили, які діють. Загальний опір руху, який часто називають силою дорожнього навантаження, підпорядковується наступній формулі:
сила дорожнього навантаження = a + bv + cv²
Тут v – ваша швидкість. Літери a, b та c — це константи, що становлять різні фізичні опори:
- Член ‘a’: Він не залежить від швидкості. Він виникає через опір коченню шин та внутрішнього тертя, наприклад, коли гальмівні колодки злегка труться або виникає опір у підшипниках коліс.
- Член ‘b’: Він також походить з тертя компонентів і опору коченню, хоча масштабується трохи швидше зі збільшенням швидкості.
- Член ‘c’: Це найважливіший член для ентузіастів. Він становить аеродинамічний опір. Він залежить від площі вашого фронтального перерізу, коефіцієнта аеродинамічного опору (Cd) та щільності повітря.
Зверніть увагу на v² у рівнянні. Сила зростає не лінійно; вона росте експоненційно. Опір на швидкості 70 миль на годину значно вищий, ніж на 60 миль на годину. Саме тому ефективність на високих швидкостях має велике значення.
Оскільки сила швидко змінюється в залежності від швидкості, вам потрібно виміряти прискорення в дуже вузькому діапазоні. Ідеальним є діапазон 3 милі на годину або 5 км/год. Для розрахунків ми будемо використовувати метричні одиниці, оскільки вони чистіші.
Експеримент
Припустимо, ваш автомобіль разом з вами та вашим пасажиром важить 2000 кілограмів. Ви хочете перевірити опір на швидкості близько 60 миль на годину. У метричній системі це приблизно 97,5 км/год. Таким чином, вам потрібно виміряти уповільнення в діапазоні від 100 км/год до 95 км/год.
Знайдіть довгу, рівну ділянку шосе. Низький трафік необхідний. Виберіть день із тихим вітром та сухою дорогою. Дощ додає вагу та змінює зчеплення шин; вітер вносить змінні, які ви не можете контролювати.
Нехай ваш пасажир розженеться до 105 км/год. Переключіть передачу на нейтральне положення. Почніть рух накатом. Коли спідометр покаже 100 км/год, запустіть таймер. Зупиніть його, коли швидкість впаде до 95 км/год. Зробіть це кілька разів, можливо, проїхавши у протилежному напрямку, щоб усереднити будь-які невеликі підйоми або пориви вітру. Запишіть час.
Допустимо, ваш середній час становить 10 секунд. Тепер давайте порахуємо.
Спочатку переведіть падіння швидкості метри в секунду. Падіння на 5 км/год дорівнює 5000 метрів на годину. Розділіть на 3600, щоб отримати секунди. Це 1,389 метри за секунду.
Якщо падіння цієї швидкості пішло 10 секунд, то уповільнення одно:
1,389 м/с ÷ 10 с = 0,1389 м/с²
Тепер підставте це F = ma.
Маса = 2000 кг
Прискорення = 0,1389 м/с²
Сила = 2000 × 0,1389 = **277,8 Ньютона **
Щоб перевести це в імперські одиниці (оскільки більшість американських ентузіастів мислить у фунтах), 277,8 Ньютона – це приблизно 60 фунтів сили. Це означає, що на швидкості 60 миль на годину ваш автомобіль бореться із 60 фунтами опору вітру. Щоб підтримувати цю швидкість, двигун повинен створювати 60 фунтів сили на колесах.
Розрахунок втрати кінських сил
Знання сили корисне, але більшості людей хочеться дізнатися про втрату потужності. Потужність це просто сила, помножена на швидкість.
Використовуйте середню швидкість для тесту: 97,5 км/год, що становить 27 метрів за секунду.
Потужність (Ватти) = Сила (Ньютони) × Швидкість (м/с)
Потужність = 278 Н × 27 м/с = 7 500 Ватт
Переведіть це в кіловати, і ви отримаєте 7,5 кВт. У кінських силах це приблизно 10 л.
Отже, на швидкості 60 миль на годину, щоб подолати аеродинамічний опір та опір коченню, ваш автомобіль використовує близько 10 кінських сил. Решта потужності двигуна йде на такі речі, як генератор, компресор кондиціонера та подолання внутрішнього тертя.
Це невелике число, але воно складається. На швидкості 100 миль на годину ця сила опору потроюється, а потужність, необхідна її подолання, збільшується драматично. Саме тому обтічний седан має кращу паливну економічність на шосе, ніж незграбний позашляховик, навіть якщо у них однаковий двигун. Повітря не дбає про вашу лояльність до бренду. Його турбують лише форма та швидкість.
Виміряйте це один раз. Ви можете бути здивовані, скільки енергії просто … зникає. Вітер.
