Большинство людей считает, что для определения аэродинамического сопротивления их транспортного средства требуется объект стоимостью 50 000 долларов и команда инженеров. Это не так. На самом деле вы можете рассчитать сопротивление вашего автомобиля, используя базовую физику, секундомер и друга. Это удивительно просто, если отбросить корпоративный жаргон и придерживаться второго закона Ньютона.
Основная концепция проста. Второй закон Ньютона гласит, что сила равна массе, умноженной на ускорение (F = ma ). Когда вы движетесь с постоянной скоростью, мощность двигателя преобразуется в силу на колесах. В этот момент аэродинамическое сопротивление, действующее назад, равно силе, толкающей вперед. Суммарная сила равна нулю. Вы не ускоряетесь. Вы не замедляетесь. Вы находитесь в равновесии.
Переключите коробку передач в нейтральное положение, и это равновесие нарушится. Двигатель перестает тянуть. Вступают в силу гравитация и сопротивление качению, но основной силой, замедляющей вас, является сопротивление воздуха. Измерив, как быстро вы замедляетесь, вы можете вычислить силу сопротивления.
Уравнение дорожной нагрузки
Прежде чем выезжать на шоссе, вам нужно понять силы, которые действуют. Общее сопротивление движению, часто называемое силой дорожной нагрузки, подчиняется следующей формуле:
сила дорожной нагрузки = a + bv + cv²
Здесь v — ваша скорость. Буквы a, b и c — это константы, представляющие различные физические сопротивления:
- Член ‘a’: Он не зависит от скорости. Он возникает из-за сопротивления качению шин и внутреннего трения, например, когда тормозные колодки слегка трутся или возникает сопротивление в подшипниках колес.
- Член ‘b’: Он также проистекает из трения компонентов и сопротивления качению, хотя масштабируется немного быстрее с увеличением скорости.
- Член ‘c’: Это самый важный член для энтузиастов. Он представляет аэродинамическое сопротивление. Он зависит от площади вашего фронтального сечения, коэффициента аэродинамического сопротивления (Cd) и плотности воздуха.
Обратите внимание на v² в уравнении. Сила растет не линейно; она растет экспоненциально. Сопротивление на скорости 70 миль в час значительно выше, чем на 60 миль в час. Именно поэтому эффективность на высоких скоростях имеет такое большое значение.
Поскольку сила быстро меняется в зависимости от скорости, вам нужно измерять ускорение в очень узком диапазоне. Идеальным является диапазон в 3 мили в час или 5 км/ч. Для расчетов мы будем использовать метрические единицы, так как они чище.
Эксперимент
Допустим, ваш автомобиль вместе с вами и вашим пассажиром весит 2000 килограммов. Вы хотите проверить сопротивление на скорости около 60 миль в час. В метрической системе это примерно 97,5 км/ч. Таким образом, вам нужно измерить замедление в диапазоне от 100 км/ч до 95 км/ч.
Найдите длинный, ровный участок шоссе. Низкий трафик необходим. Выберите день с тихим ветром и сухой дорогой. Дождь добавляет вес и меняет сцепление шин; ветер вносит переменные, которые вы не можете контролировать.
Пусть ваш пассажир разгонится до 105 км/ч. Переключите передачу в нейтральное положение. Начните движение накатом. Когда спидометр покажет 100 км/ч, запустите таймер. Остановите его, когда скорость упадет до 95 км/ч. Сделайте это несколько раз, возможно, проехав в противоположном направлении, чтобы усреднить любые небольшие подъемы или порывы ветра. Запишите время.
Допустим, ваше среднее время составляет 10 секунд. Теперь давайте посчитаем.
Сначала переведите падение скорости в метры в секунду. Падение на 5 км/ч равно 5000 метров в час. Разделите на 3600, чтобы получить секунды. Это 1,389 метра в секунду.
Если на падение этой скорости ушло 10 секунд, то замедление равно:
1,389 м/с ÷ 10 с = 0,1389 м/с²
Теперь подставьте это в F = ma.
Масса = 2000 кг
Ускорение = 0,1389 м/с²
Сила = 2000 × 0,1389 = 277,8 Ньютона
Чтобы перевести это в имперские единицы (поскольку большинство американских энтузиастов мыслит в фунтах), 277,8 Ньютона — это примерно 60 фунтов силы. Это означает, что на скорости 60 миль в час ваш автомобиль борется с 60 фунтами сопротивления ветра. Чтобы поддерживать эту скорость, ваш двигатель должен создавать 60 фунтов силы на колесах.
Расчет потери лошадиных сил
Знание силы полезно, но большинству людей хочется узнать потерю мощности. Мощность — это просто сила, умноженная на скорость.
Используйте вашу среднюю скорость для теста: 97,5 км/ч, что составляет 27 метров в секунду.
Мощность (Ватты) = Сила (Ньютоны) × Скорость (м/с)
Мощность = 278 Н × 27 м/с = 7 500 Ватт
Переведите это в киловатты, и вы получите 7,5 кВт. В лошадиных силах это примерно 10 л.с.
Итак, на скорости 60 миль в час, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление и сопротивление качению, ваш автомобиль использует около 10 лошадиных сил. Остальная часть мощности двигателя идет на такие вещи, как генератор, компрессор кондиционера и преодоление внутреннего трения.
Это небольшое число, но оно складывается. На скорости 100 миль в час эта сила сопротивления утраивается, а мощность, необходимая для ее преодоления, увеличивается драматически. Именно поэтому обтекаемый седан имеет лучшую топливную экономичность на шоссе, чем угловатый внедорожник, даже если у них одинаковый двигатель. Воздух не заботится о вашей лояльности к бренду. Его заботят только форма и скорость.
Измерьте это один раз. Вы можете быть удивлены тем, сколько энергии просто… исчезает. Ветер.
