Większość ludzi uważa, że określenie oporu aerodynamicznego ich pojazdu wymaga ośrodka o wartości 50 000 dolarów i zespołu inżynierów. To jest błędne. Możesz obliczyć opór samochodu, korzystając z podstaw fizyki, stopera i znajomego. Jest to zaskakująco proste, jeśli odrzucisz korporacyjny żargon i zastosujesz się do drugiego prawa Newtona.
Podstawowa koncepcja jest prosta. Drugie prawo Newtona stwierdza, że siła równa się masa razy przyspieszenie (F = ma ). Kiedy poruszasz się ze stałą prędkością, moc silnika przekształca się w siłę koła. W tym momencie opór aerodynamiczny działający do tyłu jest równy sile pchającej do przodu. Całkowita siła wynosi zero. Nie przyspieszasz. Nie zwalniasz. Jesteś w równowadze.
Przełącz skrzynię biegów na neutralny, a ta równowaga zostanie zakłócona. Silnik przestaje ciągnąć. Grawitacja i opór toczenia wchodzą w grę, ale główną siłą spowalniającą jest opór powietrza. Mierząc szybkość zwalniania, możesz obliczyć siłę oporu.
Równanie obciążenia drogowego
Zanim wyruszysz na autostradę, musisz zrozumieć działające siły. Całkowity opór jazdy, często nazywany siłą obciążenia drogowego, określa następujący wzór:
siła obciążenia drogowego = a + bv + cv²
Tutaj v to Twoja prędkość. Litery a, b i c to stałe reprezentujące różne opory fizyczne:
- Członek „a”: Jest niezależny od prędkości. Dzieje się tak na skutek oporów toczenia opon i tarcia wewnętrznego, na przykład podczas lekkiego tarcia klocków hamulcowych lub wystąpienia oporu w łożyskach kół.
- Termin „b”: Wynika to również z tarcia komponentów i oporów toczenia, chociaż skaluje się nieco szybciej wraz ze wzrostem prędkości.
- Członek „c”: To najważniejszy człon dla entuzjastów. Reprezentuje opór aerodynamiczny. Zależy to od przekroju poprzecznego przodu, współczynnika oporu powietrza (Cd) i gęstości powietrza.
Zwróć uwagę na v² w równaniu. Siła nie rośnie liniowo; rośnie wykładniczo. Opór przy prędkości 70 mil na godzinę jest znacznie większy niż przy prędkości 60 mil na godzinę. Dlatego tak ważna jest wydajność przy dużych prędkościach.
Ponieważ siła zmienia się szybko wraz z prędkością, przyspieszenie należy mierzyć w bardzo wąskim zakresie. Idealny jest zakres 3 mil na godzinę lub 5 km/h. Do obliczeń będziemy używać jednostek metrycznych, ponieważ są one czystsze.
Eksperyment
Załóżmy, że Twój samochód łącznie z Tobą i pasażerem waży 2000 kilogramów. Chcesz przetestować opór przy prędkości około 60 mil na godzinę. W systemie metrycznym jest to około 97,5 km/h. Musisz więc zmierzyć opóźnienie w zakresie od 100 km/h do 95 km/h.
Znajdź długi, płaski odcinek autostrady. Wymagany mały ruch. Wybierz dzień ze spokojnym wiatrem i suchymi drogami. Deszcz zwiększa wagę i zmienia przyczepność opon; wiatr wprowadza zmienne, których nie możesz kontrolować.
Pozwól swojemu pasażerowi rozpędzić się do 105 km/h. Przełącz bieg na neutralny. Zacznij żeglować. Gdy prędkościomierz wskaże 100 km/h, włącz stoper. Zatrzymaj go, gdy prędkość spadnie do 95 km/h. Zrób to kilka razy, być może jadąc w przeciwnym kierunku, aby uśrednić wszelkie niewielkie wzniesienia lub podmuchy wiatru. Zapisz godzinę.
Załóżmy, że Twój średni czas wynosi 10 sekund. Teraz zróbmy matematykę.
Najpierw przelicz spadek prędkości na metry na sekundę. Spadek o 5 km/h równa się 5000 metrów na godzinę. Podziel przez 3600, aby otrzymać sekundy. To 1,389 metra na sekundę.
Jeżeli zmniejszenie tej prędkości zajęło 10 sekund, wówczas opóźnienie jest równe:
1,389 m/s ÷ 10 s = 0,1389 m/s²
Teraz podłącz to do F = ma.
Waga = 2000 kg
Przyspieszenie = 0,1389 m/s²
Siła = 2000 × 0,1389 = 277,8 Newtona
Aby przeliczyć to na jednostki imperialne (ponieważ większość amerykańskich entuzjastów myśli w funtach), 277,8 Newtona to około 60 funtów siły. Oznacza to, że przy prędkości 60 mil na godzinę samochód stawia czoła oporowi wiatru wynoszącemu 60 funtów. Aby utrzymać tę prędkość, silnik musi wytworzyć 60 funtów siły na kołach.
Obliczanie utraty mocy
Znajomość mocy jest przydatna, ale większość ludzi chce znać utratę mocy. Moc to po prostu siła razy prędkość.
Do testu użyj swojej średniej prędkości: 97,5 km/h, czyli 27 metrów na sekundę.
Moc (waty) = siła (niutony) × prędkość (m/s)
Moc = 278 N × 27 m/s = 7500 W
Zamień to na kilowaty, a otrzymasz 7,5 kW. Jeśli chodzi o moc, jest to około 10 KM.
Zatem przy prędkości 60 mil na godzinę samochód zużywa około 10 koni mechanicznych, aby pokonać opór aerodynamiczny i toczenia. Pozostała część mocy silnika trafia do alternatora, sprężarki klimatyzacji i pokonywania tarcia wewnętrznego.
To niewielka liczba, ale się sumuje. Przy prędkości 160 km/h siła oporu wzrasta trzykrotnie, a moc potrzebna do jej pokonania dramatycznie wzrasta. Właśnie dlatego opływowy sedan charakteryzuje się niższym zużyciem paliwa na autostradzie niż pudełkowaty SUV, mimo że mają ten sam silnik. Air nie dba o lojalność wobec Twojej marki. Dba tylko o formę i szybkość.
Zmierz raz. Możesz być zaskoczony, ile energii po prostu… znika. Wiatr.
