De meeste mensen denken dat het uitzoeken van de aerodynamische weerstand van hun voertuig een faciliteit van $ 50.000 en een team van ingenieurs vereist. Dat is niet het geval. Je kunt feitelijk berekenen hoeveel weerstand er op je auto zit met behulp van basisfysica, een stopwatch en een vriend. Het is verrassend eenvoudig als je het bedrijfsjargon achterwege laat en vasthoudt aan de tweede wet van Newton.
Het kernconcept is eenvoudig. De tweede wet van Newton stelt dat kracht gelijk is aan massa maal versnelling (F = ma ). Wanneer u met een constante snelheid vaart, vertaalt het motorvermogen zich in kracht op de banden. Op dat exacte moment is de aerodynamische weerstand die naar achteren duwt gelijk aan de kracht die naar voren duwt. De nettokracht is nul. Je versnelt niet. Je vertraagt niet. Je bent in evenwicht.
Zet de auto in neutraal en dat evenwicht verdwijnt. De motor stopt met trekken. De zwaartekracht en de rolweerstand nemen het over, maar de dominante kracht die je afremt is de luchtweerstand. Door te meten hoe snel u vertraagt, kunt u achteruit werken om de sleepkracht te vinden.
De vergelijking van de wegbelasting
Voordat je de snelweg op rent, moet je de krachten die een rol spelen begrijpen. De totale weerstand tegen beweging, vaak wegbelastingskracht genoemd, volgt een specifieke formule:
wegbelastingskracht = a + bv + cv²
Hier is v uw snelheid. De letters a, b en c zijn constanten die verschillende fysieke weerstanden vertegenwoordigen:
- De ‘a’-term: Dit is snelheidsonafhankelijk. Het komt door de rolweerstand in de banden en interne wrijving, zoals licht wrijven van de remblokken of weerstand van de wiellagers.
- De ‘b’-term: Dit komt ook voort uit de wrijving en rolweerstand van componenten, hoewel deze enigszins schaalt met de snelheid.
- De ‘c’-term: Dit is de grote term voor liefhebbers. Het vertegenwoordigt aerodynamische weerstand. Het hangt af van uw frontale oppervlak, uw luchtweerstandscoëfficiënt (Cd) en de luchtdichtheid.
Let op de v² in de vergelijking. De kracht groeit niet lineair; het groeit exponentieel. De luchtweerstand bij 120 km/uur is aanzienlijk hoger dan bij 100 km/uur. Dit is de reden waarom hogesnelheidsefficiëntie zo belangrijk is.
Omdat de kracht snel verandert met de snelheid, moet je de versnelling over een heel smal venster meten. Een spanwijdte van 3 mph of 5 km/u is ideaal. We gebruiken metrische eenheden voor de wiskunde, omdat deze schoner zijn.
Het experiment
Stel dat uw auto, samen met u en uw co-piloot, 2.000 kilogram weegt. Je wilt de weerstand testen bij een snelheid van ongeveer 100 km/uur. In metrische gegevens is dat ongeveer 97,5 km/u. U moet dus de vertraging tussen 100 km/u en 95 km/u meten.
Zoek een lang, vlak stuk snelweg. Weinig verkeer is essentieel. Kies een dag met rustige wind en droog asfalt. Regen voegt gewicht toe en verandert de grip van de banden; wind introduceert variabelen waar je geen controle over hebt.
Laat uw passagier tot 105 km/u rijden. Schakel over naar neutraal. Begin met uitrollen. Wanneer de snelheidsmeter 100 km/u bereikt, start u de timer. Stop ermee als de auto naar 95 km/u zakt. Doe dit een paar keer, waarbij u eventueel in de tegenovergestelde richting rijdt om eventuele lichte hellingen of windstoten te compenseren. Noteer de tijden.
Laten we aannemen dat uw gemiddelde tijd 10 seconden is. Doe nu de wiskunde.
Converteer eerst de snelheidsdaling naar meters per seconde. Een val van 5 km/u is 5.000 meter per uur. Deel door 3.600 om seconden te krijgen. Dat is 1.389 meter per seconde.
Als het 10 seconden duurde om die snelheid te verlagen, is de vertraging:
1,389 m/s ÷ 10 s = 0,1389 m/s²
Sluit dit nu aan op F = ma.
Massa = 2.000 kg
Versnelling = 0,1389 m/s²
Kracht = 2.000 × 0,1389 = 277,8 Newton
Om dat in imperiale termen te zeggen (aangezien de meeste Amerikaanse enthousiastelingen in ponden denken): 277,8 Newton is ongeveer 60 pond kracht. Dit betekent dat uw auto bij 100 km/uur vecht tegen 60 pond windweerstand. Om die snelheid te behouden, moet uw motor 60 pond kracht op de wielen genereren.
Het paardenkrachtverlies berekenen
Het kennen van de kracht is nuttig, maar de meeste mensen willen het vermogensverlies weten. Kracht is eenvoudigweg Kracht vermenigvuldigd met Snelheid.
Gebruik voor de test uw gemiddelde snelheid: 97,5 km/u, dat is 27 meter per seconde.
Vermogen (Watt) = Kracht (Newton) × Snelheid (m/s)
Vermogen = 278 N × 27 m/s = 7.500 Watt
Converteer dat naar kilowatt en je krijgt 7,5 kW. In pk’s is dat ongeveer 10 pk.
Dus bij een snelheid van 100 km/uur gebruikt uw auto, alleen al om de luchtweerstand en de rolweerstand te overwinnen, ongeveer 10 pk. De rest van het vermogen van uw motor gaat naar zaken als de dynamo, AC-compressor en het overwinnen van interne wrijving.
Het is een klein aantal, maar het klopt wel. Bij 160 km/uur verdrievoudigt die weerstandskracht, en neemt het vermogen dat nodig is om deze te overwinnen dramatisch toe. Dit is de reden waarom een slanke sedan betere kilometers op de snelweg haalt dan een boxy SUV, zelfs als ze dezelfde motor hebben. De lucht geeft niets om uw merkloyaliteit. Het gaat alleen om vorm en snelheid.
Meet het een keer. Het zal je misschien verbazen hoeveel energie er gewoon… verdwenen is. Tegen de wind in.
