Die meisten Leute denken, dass die Ermittlung des Luftwiderstands ihres Fahrzeugs eine 50.000-Dollar-Anlage und ein Team von Ingenieuren erfordert. Das ist nicht der Fall. Sie können tatsächlich berechnen, wie viel Luftwiderstand Ihr Auto hat, indem Sie grundlegende Physik, eine Stoppuhr und einen Freund verwenden. Es ist überraschend einfach, wenn man den Firmenjargon weglässt und sich an Newtons zweites Gesetz hält.
Das Kernkonzept ist unkompliziert. Newtons zweites Gesetz besagt, dass Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist (F = ma ). Wenn Sie mit konstanter Geschwindigkeit fahren, überträgt sich die Motorleistung auf die Reifen. Genau in diesem Moment ist der Luftwiderstand, der nach hinten drückt, gleich der Kraft, die nach vorne drückt. Die Nettokraft ist Null. Du beschleunigst nicht. Du wirst nicht langsamer. Sie sind im Gleichgewicht.
Wenn Sie das Auto in den Leerlauf schalten, verschwindet das Gleichgewicht. Der Motor hört auf zu ziehen. Schwerkraft und Rollwiderstand übernehmen die Oberhand, aber die dominierende Kraft, die Sie verlangsamt, ist der Luftwiderstand. Indem Sie messen, wie schnell Sie abbremsen, können Sie rückwärts arbeiten, um die Widerstandskraft zu ermitteln.
Die Straßenlastgleichung
Bevor Sie auf die Autobahn rennen, müssen Sie die wirkenden Kräfte verstehen. Der gesamte Bewegungswiderstand – oft auch Straßenlastkraft genannt – folgt einer bestimmten Formel:
Straßenlastkraft = a + bv + cv²
Hier ist v Ihre Geschwindigkeit. Die Buchstaben a, b und c sind Konstanten, die unterschiedliche physikalische Widerstände darstellen:
- Der „a“-Begriff: Dies ist geschwindigkeitsunabhängig. Es entsteht durch den Rollwiderstand der Reifen und durch innere Reibung, etwa durch leichtes Reiben der Bremsbeläge oder den Widerstand der Radlager.
- Der „b“-Begriff: Dies ergibt sich auch aus der Komponentenreibung und dem Rollwiderstand, obwohl es leicht mit der Geschwindigkeit skaliert.
- Der „c“-Begriff: Dies ist der große Begriff für Enthusiasten. Es repräsentiert den Luftwiderstand. Es hängt von Ihrer Frontfläche, Ihrem Luftwiderstandsbeiwert (Cd) und der Luftdichte ab.
Beachten Sie das v² in der Gleichung. Die Kraft wächst nicht linear; es wächst exponentiell. Der Luftwiderstand ist bei 70 Meilen pro Stunde deutlich höher als bei 60 Meilen pro Stunde. Deshalb ist Hochgeschwindigkeitseffizienz so wichtig.
Da sich die Kraft schnell mit der Geschwindigkeit ändert, müssen Sie die Beschleunigung in einem sehr engen Fenster messen. Ideal ist eine Geschwindigkeit von 3 Meilen pro Stunde oder 5 km/h. Für die Mathematik verwenden wir metrische Einheiten, da diese übersichtlicher sind.
Das Experiment
Nehmen wir an, Ihr Auto wiegt zusammen mit Ihnen und Ihrem Co-Piloten 2.000 Kilogramm. Sie möchten den Luftwiderstand bei etwa 60 Meilen pro Stunde testen. In der Metrik sind das ungefähr 97,5 km/h. Sie müssen also die Verzögerung zwischen 100 km/h und 95 km/h messen.
Suchen Sie sich einen langen, flachen Abschnitt der Autobahn. Ein geringer Verkehr ist unerlässlich. Wählen Sie einen Tag mit ruhigem Wind und trockener Fahrbahn. Regen erhöht das Gewicht und verändert die Reifenhaftung; Wind führt Variablen ein, die Sie nicht kontrollieren können.
Lassen Sie Ihren Beifahrer bis zu 105 km/h fahren. Auf Neutral schalten. Beginnen Sie mit dem Ausrollen. Wenn der Tacho 100 km/h anzeigt, starten Sie den Timer. Stoppen Sie es, wenn das Auto auf 95 km/h absinkt. Machen Sie dies ein paar Mal und fahren Sie dabei vielleicht in die entgegengesetzte Richtung, um leichte Steigungen oder Windböen auszugleichen. Notieren Sie die Zeiten.
Nehmen wir an, Ihre durchschnittliche Zeit beträgt 10 Sekunden. Rechnen Sie jetzt nach.
Rechnen Sie zunächst den Geschwindigkeitsabfall in Meter pro Sekunde um. Bei einer Geschwindigkeit von 5 km/h beträgt die Geschwindigkeit 5.000 Meter pro Stunde. Teilen Sie durch 3.600, um Sekunden zu erhalten. Das sind 1,389 Meter pro Sekunde.
Wenn es 10 Sekunden dauerte, um diese Geschwindigkeit zu senken, beträgt die Verzögerung:
1,389 m/s ÷ 10 s = 0,1389 m/s²
Fügen Sie dies nun in F = ma ein.
Masse = 2.000 kg
Beschleunigung = 0,1389 m/s²
Kraft = 2.000 × 0,1389 = 277,8 Newton
Um das in imperialen Maßstäben auszudrücken (da die meisten amerikanischen Enthusiasten in Pfund denken), entsprechen 277,8 Newton ungefähr 60 Pfund Kraft. Das bedeutet, dass Ihr Auto bei 60 Meilen pro Stunde gegen 60 Pfund Windwiderstand kämpft. Um diese Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, muss Ihr Motor eine Kraft von 60 Pfund an den Rädern erzeugen.
Berechnung des PS-Verlusts
Die Kraft zu kennen ist nützlich, aber die meisten Menschen möchten den Leistungsverlust wissen. Kraft ist einfach Kraft multipliziert mit Geschwindigkeit.
Nutzen Sie für den Test Ihre Durchschnittsgeschwindigkeit: 97,5 km/h, also 27 Meter pro Sekunde.
Leistung (Watt) = Kraft (Newton) × Geschwindigkeit (m/s)
Leistung = 278 N × 27 m/s = 7.500 Watt
Rechnet man das in Kilowatt um, erhält man 7,5 kW. In PS ausgedrückt sind das ungefähr 10 PS.
Bei einer Geschwindigkeit von 60 Meilen pro Stunde verbraucht Ihr Auto etwa 10 PS, um den Luftwiderstand und den Rollwiderstand zu überwinden. Der Rest der Motorleistung wird für Dinge wie die Lichtmaschine, den Klimakompressor und die Überwindung der inneren Reibung verwendet.
Es ist eine kleine Zahl, aber sie summiert sich. Bei 100 Meilen pro Stunde verdreifacht sich diese Widerstandskraft und die zu ihrer Überwindung erforderliche Kraft steigt dramatisch an. Aus diesem Grund erreicht eine schlanke Limousine eine bessere Kilometerleistung auf der Autobahn als ein kastenförmiger SUV, selbst wenn sie den gleichen Motor haben. Die Luft kümmert sich nicht um Ihre Markentreue. Es kommt nur auf Form und Geschwindigkeit an.
Messen Sie es einmal. Sie werden überrascht sein, wie viel Energie einfach… weg ist. In den Wind.
