Kebanyakan orang berpikir untuk mengetahui hambatan aerodinamis pada kendaraan mereka memerlukan fasilitas senilai $50.000 dan tim insinyur. Tidak. Anda sebenarnya dapat menghitung berapa banyak hambatan yang terjadi pada mobil Anda menggunakan fisika dasar, stopwatch, dan teman. Ini sangat sederhana jika Anda menghilangkan jargon perusahaan dan tetap berpegang pada hukum kedua Newton.
Konsep intinya sangat mudah. Hukum kedua Newton menyatakan bahwa Gaya sama dengan massa dikalikan percepatan (F = ma ). Saat Anda melaju dengan kecepatan tetap, tenaga mesin diubah menjadi gaya pada ban. Pada saat yang sama, gaya hambat aerodinamis yang mendorong ke belakang sama dengan gaya yang mendorong ke depan. Gaya totalnya adalah nol. Anda tidak mempercepat. Anda tidak melambat. Anda berada dalam keseimbangan.
Letakkan mobil di posisi netral, dan keseimbangan itu hilang. Mesin berhenti menarik. Gravitasi dan hambatan bergulir mengambil alih, namun kekuatan dominan yang memperlambat Anda adalah hambatan udara. Dengan mengukur seberapa cepat Anda mengurangi kecepatan, Anda dapat menghitung mundur untuk menemukan gaya hambat.
Persamaan Beban Jalan
Sebelum Anda keluar ke jalan raya, Anda perlu memahami kekuatan yang berperan. Hambatan total terhadap gerakan—sering disebut gaya beban jalan—mengikuti rumus tertentu:
gaya beban jalan = a + bv + cv²
Di sini, v adalah kecepatan Anda. Huruf a, b, dan c adalah konstanta yang mewakili hambatan fisik yang berbeda:
- Istilah ‘a’: Ini tidak bergantung pada kecepatan. Hal ini disebabkan oleh hambatan gelinding pada ban dan gesekan internal, seperti gesekan ringan pada bantalan rem atau tarikan bantalan roda.
- Istilah ‘b’: Istilah ini juga berasal dari gesekan komponen dan hambatan gelinding, meskipun skalanya sedikit seiring dengan kecepatan.
- Istilah ‘c’: Ini adalah istilah yang paling umum bagi para penggemar. Ini mewakili hambatan aerodinamis. Itu tergantung pada area depan Anda, koefisien hambatan (Cd), dan kepadatan udara.
Perhatikan v² dalam persamaan. Kekuatannya tidak tumbuh secara linier; itu tumbuh secara eksponensial. Hambatan pada kecepatan 70 mph secara signifikan lebih tinggi dibandingkan pada kecepatan 60 mph. Inilah sebabnya mengapa efisiensi kecepatan tinggi sangat penting.
Karena gaya berubah dengan cepat seiring dengan kecepatan, Anda perlu mengukur percepatan melalui jendela yang sangat sempit. Rentang 3 mph atau 5 kpj sangat ideal. Kami akan menggunakan satuan metrik untuk perhitungannya, karena lebih bersih.
Eksperimen
Katakanlah mobil Anda, ditambah Anda dan co-pilot Anda, memiliki berat 2.000 kilogram. Anda ingin menguji hambatan pada kecepatan sekitar 60 mph. Secara metrik, itu kira-kira 97,5 kpj. Jadi, Anda perlu mengukur deselerasi antara 100 kpj hingga 95 kpj.
Temukan bentangan jalan raya yang panjang dan datar. Lalu lintas rendah sangat penting. Pilih hari dengan angin tenang dan trotoar kering. Hujan menambah bobot dan mengubah cengkeraman ban; angin memperkenalkan variabel yang tidak dapat Anda kendalikan.
Minta penumpang Anda berkendara hingga 105 kpj. Beralih ke netral. Mulai meluncur. Saat speedometer mencapai 100 kpj, nyalakan pengatur waktu. Hentikan saat kecepatan mobil turun hingga 95 kpj. Lakukan ini beberapa kali, mungkin berkendara ke arah yang berlawanan untuk mengurangi sedikit tanjakan atau hembusan angin. Catat waktunya.
Anggaplah waktu rata-rata Anda adalah 10 detik. Sekarang, hitunglah.
Pertama, ubah penurunan kecepatan menjadi meter per detik. Penurunan 5 kilometer per jam berarti 5.000 meter per jam. Bagilah dengan 3.600 untuk mendapatkan detik. Itu berarti 1,389 meter per detik.
Jika diperlukan waktu 10 detik untuk menurunkan kecepatan tersebut, perlambatannya adalah:
1,389 m/dtk 10 dtk = 0,1389 m/dtk²
Sekarang, masukkan ini ke F = ma.
Massa = 2.000kg
Percepatan = 0,1389 m/s²
Gaya = 2.000 × 0,1389 = 277,8 Newton
Dalam istilah imperial (karena sebagian besar penggemar Amerika berpikir dalam pound), 277,8 Newton kira-kira sama dengan 60 pon gaya. Ini berarti pada kecepatan 60 mph, mobil Anda melawan hambatan angin seberat 60 pon. Untuk mempertahankan kecepatan tersebut, mesin Anda harus menghasilkan tenaga sebesar 60 pon pada roda.
Menghitung Kehilangan Tenaga Kuda
Mengetahui gaya memang berguna, tetapi kebanyakan orang ingin mengetahui kehilangan daya. Kekuatan hanyalah Kekuatan dikalikan dengan Kecepatan.
Gunakan kecepatan rata-rata Anda untuk tes: 97,5 kpj, yaitu 27 meter per detik.
Daya (Watt) = Gaya (Newton) × Kecepatan (m/s)
Daya = 278 N × 27 m/s = 7.500 Watt
Ubah menjadi kilowatt, dan Anda mendapatkan 7,5 kW. Dalam tenaga kuda, itu kira-kira 10 HP.
Jadi, pada kecepatan 60 mph, hanya untuk mengatasi hambatan aerodinamis dan hambatan gelinding, mobil Anda menggunakan sekitar 10 tenaga kuda. Sisa keluaran mesin Anda digunakan untuk hal-hal seperti alternator, kompresor AC, dan mengatasi gesekan internal.
Jumlahnya kecil, tapi jumlahnya bertambah. Pada kecepatan 100 mph, gaya tarik tersebut menjadi tiga kali lipat, dan tenaga yang dibutuhkan untuk mengatasinya meningkat secara dramatis. Inilah sebabnya mengapa sedan ramping memiliki jarak tempuh jalan raya yang lebih baik daripada SUV kotak, meskipun mesinnya sama. Udara tidak peduli dengan loyalitas merek Anda. Ia hanya peduli pada bentuk dan kecepatan.
Ukur sekali. Anda mungkin terkejut betapa banyak energi yang… hilang. Ke dalam angin.
