Většina lidí věří, že určení aerodynamického odporu jejich vozidla vyžaduje zařízení v hodnotě 50 000 USD a tým inženýrů. To je špatně. Ve skutečnosti můžete vypočítat odpor vašeho auta pomocí základní fyziky, stopek a přítele. Je to překvapivě jednoduché, pokud zahodíte korporátní žargon a budete se držet druhého Newtonova zákona.
Základní koncept je jednoduchý. Druhý Newtonův zákon říká, že síla se rovná hmotnost krát zrychlení (F = ma ). Když se pohybujete konstantní rychlostí, výkon motoru se převádí na sílu kol. V tomto bodě se aerodynamický odpor působící dozadu rovná síle tlačící dopředu. Celková síla je nulová. Nezrychlíš. Nezpomalíš. Jste v rovnováze.
Zařaďte neutrál a tato rovnováha se naruší. Motor přestane tahat. Do hry vstupuje gravitace a valivý odpor, ale hlavní silou, která vás zpomaluje, je odpor vzduchu. Měřením toho, jak rychle zpomalíte, můžete vypočítat sílu odporu.
Rovnice silničního zatížení
Než vyrazíte na dálnici, musíte pochopit síly, které jsou ve hře. Celkový jízdní odpor, často nazývaný silniční zatížení, se řídí následujícím vzorcem:
silniční zatížení = a + bv + cv²
Tady v je vaše rychlost. Písmena a, b a c jsou konstanty představující různé fyzikální odpory:
- Člen ‘a’: Je nezávislý na rychlosti. Dochází k němu v důsledku valivého odporu pneumatiky a vnitřního tření, například když brzdové destičky lehce drhnou nebo dochází k vlečení v ložiskách kol.
- Výraz ‘b’: Toto také pochází z tření součástí a valivého odporu, i když se s rostoucí rychlostí mění o něco rychleji.
- Člen ‘c’: Toto je nejdůležitější člen pro nadšence. Představuje aerodynamický odpor. Záleží na vaší čelní průřezové ploše, koeficientu odporu vzduchu (Cd) a hustotě vzduchu.
Všimněte si v² v rovnici. Síla neroste lineárně; roste exponenciálně. Odpor při rychlosti 70 mph je výrazně vyšší než při rychlosti 60 mph. To je důvod, proč je účinnost při vysokých rychlostech tak důležitá.
Protože se síla rychle mění s rychlostí, musíte měřit zrychlení ve velmi úzkém rozsahu. Ideální je dosah 3 mph nebo 5 km/h. Pro výpočty budeme používat metrické jednotky, protože jsou čistší.
Experiment
Řekněme, že vaše auto, včetně vás a vašeho spolujezdce, váží 2000 kilogramů. Chcete otestovat odpor při rychlosti asi 60 mph. V metrickém systému je to přibližně 97,5 km/h. Musíte tedy změřit zpomalení mezi 100 km/h a 95 km/h.
Najděte dlouhý, plochý úsek dálnice. Vyžaduje nízký provoz. Vyberte si den s klidným větrem a suchými silnicemi. Déšť zvyšuje hmotnost a mění přilnavost pneumatik; vítr přináší proměnné, které nemůžete ovládat.
Nechte svého spolujezdce zrychlit na 105 km/h. Zařaďte neutrál. Začněte setrvat. Když rychloměr ukazuje 100 km/h, spusťte časovač. Zastavte jej, když rychlost klesne na 95 km/h. Udělejte to několikrát, možná jeďte v opačném směru, abyste zprůměrovali jakékoli mírné stoupání nebo poryvy větru. Zapište si čas.
Řekněme, že váš průměrný čas je 10 sekund. Teď pojďme spočítat.
Nejprve převeďte pokles rychlosti na metry za sekundu. Pád o rychlosti 5 km/h se rovná 5000 metrům za hodinu. Vydělením 3600 získáte sekundy. To je 1,389 metru za sekundu.
Pokud trvalo 10 sekund, než tato rychlost klesla, pak se zpomalení rovná:
1,389 m/s ÷ 10 s = 0,1389 m/s²
Nyní to zapojte do F = ma.
Hmotnost = 2000 kg
Zrychlení = 0,1389 m/s²
Síla = 2000 × 0,1389 = 277,8 Newtonů
Abychom to převedli na imperiální jednotky (protože většina amerických nadšenců uvažuje v librách), 277,8 Newtonů je asi 60 lbf. To znamená, že při rychlosti 60 mph vaše auto bojuje s odporem větru 60 liber. K udržení této rychlosti musí váš motor vyvinout sílu 60 liber na kola.
Výpočet ztráty koňské síly
Znát sílu je užitečné, ale většina lidí chce znát ztrátu moci. Síla je prostě síla krát rychlost.
Pro test použijte svou průměrnou rychlost: 97,5 km/h, což je 27 metrů za sekundu.
Výkon (Watty) = síla (newtony) × rychlost (m/s)
Výkon = 278 N × 27 m/s = 7 500 Watt
Převeďte to na kilowatty a dostanete 7,5 kW. V koňských silách je to přibližně 10 koní.
Takže při rychlosti 60 mph vaše auto spotřebuje asi 10 koňských sil k překonání aerodynamického a valivého odporu. Zbytek výkonu motoru jde do věcí, jako je alternátor, kompresor klimatizace a překonání vnitřního tření.
Je to malé číslo, ale sčítá se. Při rychlosti 100 mph se tato brzdná síla ztrojnásobí a výkon potřebný k jejímu překonání se dramaticky zvýší. Proto má aerodynamický sedan na dálnici lepší spotřebu paliva než krabicovité SUV, přestože mají stejný motor. Air se nestará o vaši věrnost značce. Jde mu jen o formu a rychlost.
Změřte to jednou. Možná budete překvapeni, kolik energie prostě… zmizí. Vítr.
