La maggior parte delle persone pensa che per determinare la resistenza aerodinamica del proprio veicolo siano necessari una struttura da $ 50.000 e un team di ingegneri. Non è così. Puoi effettivamente calcolare quanta resistenza aerodinamica grava sulla tua auto utilizzando la fisica di base, un cronometro e un amico. È sorprendentemente semplice se si elimina il gergo aziendale e ci si attiene alla seconda legge di Newton.
Il concetto di base è semplice. La seconda legge di Newton afferma che la Forza è uguale alla massa moltiplicata per l’accelerazione (F = ma ). Quando si viaggia a velocità costante, la potenza del motore si traduce in forza sugli pneumatici. In quel preciso momento, la resistenza aerodinamica che spinge indietro è uguale alla forza che spinge in avanti. La forza netta è zero. Non stai accelerando. Non stai rallentando. Sei in equilibrio.
Metti l’auto in folle e l’equilibrio svanisce. Il motore smette di tirare. La gravità e la resistenza al rotolamento prendono il sopravvento, ma la forza dominante che ti rallenta è la resistenza dell’aria. Misurando la velocità con cui deceleri, puoi lavorare all’indietro per trovare la forza di resistenza.
L’equazione del carico stradale
Prima di correre in autostrada, devi comprendere le forze in gioco. La resistenza totale al movimento, spesso chiamata forza di carico stradale, segue una formula specifica:
forza di carico stradale = a + bv + cv²
Qui, v è la tua velocità. Le lettere a, b e c sono costanti che rappresentano diverse resistenze fisiche:
- Il termine “a”: Questo è indipendente dalla velocità. Deriva dalla resistenza al rotolamento dei pneumatici e dall’attrito interno, come il leggero sfregamento delle pastiglie dei freni o la resistenza dei cuscinetti delle ruote.
- Il termine “b”: Anche questo deriva dall’attrito dei componenti e dalla resistenza al rotolamento, sebbene cambi leggermente con la velocità.
- Il termine “c”: Questo è il termine più importante per gli appassionati. Rappresenta la resistenza aerodinamica. Dipende dalla tua area frontale, dal coefficiente di resistenza aerodinamica (Cd) e dalla densità dell’aria.
Notare v² nell’equazione. La forza non cresce in modo lineare; cresce in modo esponenziale. La resistenza a 70 mph è significativamente più alta che a 60 mph. Ecco perché l’efficienza ad alta velocità è così importante.
Poiché la forza cambia rapidamente con la velocità, è necessario misurare l’accelerazione in una finestra molto ristretta. L’ideale è un intervallo di 3 mph o 5 km/h. Utilizzeremo le unità metriche per i calcoli, poiché sono più pulite.
L’esperimento
Diciamo che la tua macchina, più te e il tuo copilota, pesa 2.000 chilogrammi. Vuoi testare la resistenza a circa 60 mph. In termini metrici, sono circa 97,5 km/h. Pertanto, è necessario misurare la decelerazione tra 100 e 95 km/h.
Trova un lungo tratto pianeggiante di autostrada. Il traffico ridotto è essenziale. Scegli una giornata con venti calmi e asfalto asciutto. La pioggia aggiunge peso e cambia l’aderenza degli pneumatici; il vento introduce variabili che non puoi controllare.
Fai guidare il tuo passeggero fino a 105 km/h. Passa al neutro. Inizia a costeggiare. Quando il tachimetro raggiunge i 100 km/h, avvia il timer. Fermalo quando l’auto scende a 95 km/h. Fallo alcune volte, magari guidando nella direzione opposta per compensare eventuali leggere pendenze o raffiche di vento. Registra i tempi.
Supponiamo che il tuo tempo medio sia di 10 secondi. Adesso fai i conti.
Innanzitutto, converti la caduta di velocità in metri al secondo. Un dislivello di 5 km orari corrisponde a 5.000 metri orari. Dividi per 3.600 per ottenere i secondi. Sono 1.389 metri al secondo.
Se per diminuire quella velocità fossero necessari 10 secondi, la decelerazione sarebbe:
1,389 m/s²**
Ora collegalo a F = ma.
Massa = 2.000 kg
Accelerazione = 0,1389 m/s²
Forza = 2.000 × 0,1389 = 277,8 Newton
Per dirla in termini imperiali (poiché la maggior parte degli appassionati americani pensa in libbre), 277,8 Newton equivalgono a circa 60 libbre di forza. Ciò significa che a 60 mph, la tua auto sta lottando contro 60 libbre di resistenza al vento. Per mantenere quella velocità, il tuo motore deve generare 60 libbre di forza alle ruote.
Calcolo della perdita di potenza
Conoscere la forza è utile, ma la maggior parte delle persone vuole conoscere la perdita di potenza. La potenza è semplicemente la forza moltiplicata per la velocità.
Usa la tua velocità media per il test: 97,5 km/h, ovvero 27 metri al secondo.
Potenza (Watt) = Forza (Newton) × Velocità (m/s)
Potenza = 278 N × 27 m/s = 7.500 Watt
Convertilo in kilowatt e ottieni 7,5 kW. In potenza, sono circa 10 HP.
Quindi, a 60 mph, solo per superare la resistenza aerodinamica e la resistenza al rotolamento, la tua auto utilizza circa 10 cavalli. Il resto della potenza del tuo motore è destinato a cose come l’alternatore, il compressore CA e il superamento dell’attrito interno.
È un numero piccolo, ma si somma. A 100 miglia orarie, la forza di resistenza triplica e la potenza richiesta per superarla aumenta notevolmente. Questo è il motivo per cui un’elegante berlina ottiene un chilometraggio autostradale migliore rispetto a un SUV squadrato, anche se hanno lo stesso motore. L’aria non si preoccupa della fedeltà al tuo marchio. Si preoccupa solo della forma e della velocità.
Misuralo una volta. Potresti rimanere sorpreso da quanta energia è semplicemente… scomparsa. Nel vento.
