Как это работает: Аэродинамическая прижимная сила
В Формуле 1 эффективность аэродинамики имеет решающее влияние на результат, но создаваемая машиной прижимная сила зависит от нескольких факторов. О них, а также о предстоящих изменениях в регламенте, на страницах британского F1 Racing говорил глава технического департамента Williams Пэт Симондс…
Когда инженеры говорят о прижимной силе или лобовом сопротивлении, они стараются исключить влияние внешних условий. Прижимная сила на скорости за 320 км/ч будет варьироваться в теплый день, когда плотность воздуха низкая, и в холодную погоду, когда плотность значительно выше. Пилоты самолетов знают об этом и корректируют скорость отрыва от взлетно-посадочной полосы, ведь и подъемная сила крыла меняется в зависимости от температуры и давления воздуха.
Чтобы устранить неопределенность, инженеры выражают прижимную силу с помощью так называемого «коэффициента подъема». В случае с прижимной силой — когда крыло направлено вниз — он имеет отрицательное значение.
Предположим, машина имеет коэффициент подъема -3,5. За счет работы в аэродинамической трубе можно улучшить его на сотые доли. Для удобства специалисты по аэродинамике называют значение, равное 0,01, пунктом. Таким образом, при повышении прижимной силы на один пункт значение коэффициента изменится с -3,5 до -3,51. Но добиться даже такого эффекта настолько сложно, что речь обычно идет о тысячных, и каждую такую долю именуют единицей.
Эффект от прогресса в один пункт может варьироваться от трассы к трассе, но повышение коэффициента на 3 пункта позволяет сбросить примерно одну десятую на круге. Учитывая плотность результатов, это может стать решающим фактором.
Создаваемая машиной прижимная сила зависит от величины дорожного просвета, угла установки колес, силы потока выхлопных газов и других факторов. Чтобы оценить взаимное влияние, инженеры изображают их на специальном графике, где по осям размещены, например, величины дорожного просвета на передней и задней осях, а точки показывают уровень прижимной силы.
Форма графика столь же важна в работе над скоростью, как описанные коэффициенты, специалисты по аэродинамике стараются свести её к максимально плавной линии – это позволяет настроить машину таким образом, чтобы при определённой скорости и величине дорожного просвета обеспечить заранее рассчитанное значение прижимной силы. Если форма графика далека от идеальной, подобрать настройки крайне сложно, как и управлять машиной на трассе.
В 2014 году параметры аэродинамического обвеса сильно изменятся. В частности, ширина переднего антикрыла уменьшится с 1800 до 1650 мм, а инженерам придется разместить носовой обтекатель ниже, чтобы гарантировать большую безопасность в случае происшествий.
Аэродинамические элементы машины должны работать, как единое целое, но ключевым остается переднее антикрыло. Когда в 2009 году ширина антикрыла была увеличена, инженерам потребовалось немало времени, чтобы оптимизировать воздушный поток. В результате на антикрыле появились торцевые пластины сложной формы. Теперь края крыла будут смещены к центру машины, на них иначе повлияет вращение передних колес – оптимизацию придётся начинать заново.
В задней части машины сейчас можно увидеть небольшое крыло, обеспечивающее связь воздушного потока, проходящего над машиной, и потока, отводимого от диффузора. В 2014 году этого элемента не будет, и общая эффективность аэродинамики существенно снизится.
Изменится и расположение выхлопа: единственное выхлопное отверстие разместят над коробкой передач, и оно не сможет обеспечить столь значительный эффект, какой создается выхлопной системой сейчас. Если учесть, что верхняя плоскость заднего антикрыла тоже потеряет в площади, уровень прижимной силы снизится и спереди, и сзади.
Сложно сказать, к какой потере в скорости это приведет. Когда новую аэродинамическую спецификацию впервые протестировали в аэродинамической трубе, она оказалась на 30% менее эффективной – и это без выхлопной системы, которая сейчас очень помогает. С тех пор инженерам удалось добиться определенного прогресса, но в начале года мы всё равно увидим существенное снижение скорости.
Возврат к сегодняшнему уровню аэродинамической эффективности с машиной 2014 года потребует времени, но инженеры Формулы 1 весьма изобретательны. В 2009 году изменения в правилах преследовали цель замедлить прогресс, однако неоднозначное толкование правил позволило внедрить двойные диффузоры и добиться гораздо большего эффекта. Ждет ли нас такой же прорыв в 2014-м? Поживем – увидим.
Аэродинамика автомобиля
В соответствии с законами физики движение любого механизма является результатом взаимодействия нескольких сил. Причем при различных внешних условиях, вклад тех или иных воздействий будет отличаться.
В применении к ТС часто приходится пользоваться таким понятием как аэродинамика автомобиля. Что это такое – ясно интуитивно, а вот коснуться некоторых подробностей будет, как минимум, просто интересно.
Содержание
- Несколько слов о самом движении
- Немного теории
- Улучшение аэродинамики автомобиля
Несколько слов о самом движении
Хотим мы этого или нет, но машине при движении требуется преодолевать противодействие внешней среды. На нее действуют силы тяжести, инерции, сцепления с дорожным полотном, трения сопротивления качения, но для нас сейчас более интересны те из них, которые имеют отношение к аэродинамике. Для автомобиля с этой точки зрения актуальны:
- сила сопротивления среды;
- подъемная сила, образованная воздушным потоком;
- прижимная сила.
Именно их соотношение (равнодействующая) определяет устойчивость, маневренность и экономичность автомобиля на дороге. Величина отмеченных сил во многом зависит от параметров движения.
При разгоне и движении ТС, препятствующий этому воздух делится на несколько потоков. Один из них обтекает машину сверху и прижимает ее к дороге. Другой проходит под днищем, по закону Бернулли он является более плотным и приподнимает машину, а остальные обтекают ее с боков.
Это самое краткое и минимальное описание сил аэродинамики. Как пример можно привести их распределение, действующих на автомобиль при определенной скорости в зависимости от формы машины и наличия внешних элементов.
Простое сравнение результатов показывает, что даже минимальное улучшение, такое как изменение формы кузова и использование внешних элементов (спойлеров), приводит к тому, что аэродинамика автомобиля может поменяться самым кардинальным образом. Но относиться к этому надо достаточно осторожно, и вряд ли целесообразно экспериментировать самому.
Немного теории
Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля указывается в величине Cx, обычно она меньше 1. Чем он будет меньше, тем меньше мощностей он будет затрачивать для движения. Так показатель Cx у AUDI A8 — 0.37, Lexus LS 460 — 0.26. Весьма странным может показаться тот факт, что у спорткаров этот показатель значительно выше (Porsche 911 Turbo 997 — 0.31, Bugatti Veyron — 0.42). На самом же деле все довольно просто. Мощные двигатели требуют охлаждения, в том числе и воздушными потоками. Добиться этого можно увеличив площадь радиатора, а значит и поперечное сечение машины.
Улучшение аэродинамики автомобиля
Машина движется в воздушной среде, преодолевая ее сопротивление. Оно во многом определяется формой автомобиля, наличием и конструкцией внешних устройств. Для первых представителей авто, например «жестянка Лиззи», это не имело никакого значения, скорости движения были невелики, и время думать о том, что надо улучшать аэродинамику автомобиля, еще не пришло.
Однако по мере взросления автопрома росли скорости и мощности моторов, так что для дальнейшего развития и совершенствования автомобиля, вопросы, затрагивающие улучшение его аэродинамики, становились все более и более актуальными. Главные цели улучшения аэродинамических показателей — увеличение скоростей и экономия топлива. В таблице показано как меняется сопротивление воздуха в зависимости от скорости.
Первыми с этим столкнулись спортивные машины, именно там стали появляться обтекаемые формы, позволившие снизить сопротивление внешней среды, благодаря чему повысились скорости движения. Надо сразу отметить, что в тот момент именно скоростные характеристики стояли на первом месте, об экономичности речи еще не шло.
Но со временем именно топливная экономичность, вопросы безопасности и управляемости стали решающими. За счет оптимальных форм кузова, а также обтекаемости внешних элементов отделки и дизайна (фар, ручек, решеток и т.д.) удалось поднять скорость движения и повысить топливную эффективность автомобиля.
Как пример – в таблице приведены некоторые данные о влиянии внешних элементов на расход топлива.
Так что со временем улучшение эксплуатационных характеристик автомобиля, стало просто невозможно без учета влияния на них его аэродинамики. И достигается это кропотливым трудом многочисленных специалистов на специальных стендах.
Что такое прижимная сила? | The Drive
Каждая мельчайшая деталь экстерьера высококлассных потребительских автомобилей, таких как McLaren 620R, и профессиональных гоночных автомобилей, таких как IndyCar или болид Формулы-1, разработана таким образом, чтобы механическая физика работала в интересах водителя. Каждый миллиметр кузова влияет на то, как автомобиль движется и работает, и отношение автомобиля к воздуху, который он прорезает, имеет первостепенное значение. Важнейшей частью этой взаимосвязи является прижимная сила, которая может быть использована и применена аэродинамическими деталями по всей форме автомобиля.
Наука о прижимной силе может быть довольно глубокой, но мы здесь, чтобы дать обзор того, что это значит, и понять, почему это важно для достижения успеха.
Чтобы определить прижимную силу всего парой слов, это вертикальная нагрузка, создаваемая аэродинамическими частями автомобиля во время его движения. Если еще больше упростить, внешние компоненты автомобиля разделяются, направляют и направляют поток воздуха таким образом, что он толкает автомобиль вниз и увеличивает сцепление с дорогой и устойчивость. Передние сплиттеры, утки (также известные как пикирующие самолеты), задние спойлеры, передние спойлеры, те массивные регулируемые воздушные крылья, которые Chaparral прикрепляли к своим крутым гоночным автомобилям Can Am в свое время, и другие аэродинамические детали создают прижимную силу. Прижимная сила удерживает автомобили на дороге на скорости и обеспечивает плотное прижатие шин к дороге для максимального сцепления.
Прижимная сила хороша тем, что ее можно использовать как на высоких, так и на низких скоростях в зависимости от возможностей автомобиля.
Прижимная сила часто ассоциируется с высокоскоростным вождением, особенно с прохождением поворотов, как, например, IndyCar, которому требуется каждое крошечное сцепление с дорогой, которое он может собрать, когда он проходит по трассе Гран-при Лонг-Бич. Шасси, разработанное Dallara, является ярким примером из-за интенсивного использования аэродинамических элементов.
Однако прижимная сила влияет и на характеристики на низких скоростях — вот почему часто можно увидеть сильно модифицированные автомобили для автокросса с массивными крыльями. Несмотря на то, что на узких трассах автокросса часто встречаются низкоскоростные участки, автомобили с крыльями, имеющими большую площадь поверхности, по-прежнему могут использовать этот воздух, чтобы оставаться на месте и сокращать время пробега на тысячные доли секунды.
Где прижимная сила имеет наибольшее значение: медленный технический участок трассы Гран-при Лонг-Бич. Проверьте угол этих передних частей, а также задний спойлер. Peter Nelson В зависимости от обстоятельств и стиля вождения автомобили могут иметь слишком большую или даже несбалансированную прижимную силу.
Из-за дополнительного веса, вызванного прижимной силой, неправильно отрегулированное крыло или спойлер могут вызвать слишком большое аэродинамическое сопротивление и замедлить автомобиль, особенно если у автомобиля недостаточно хорошее соотношение мощности и веса. Вот почему любое крыло, стоящее своего веса в захвате, регулируется, то есть вы можете изменить угол, под которым воздух соприкасается и движется над ним. Некоторые из них можно настроить двумя или тремя способами, в то время как многие профессиональные приложения можно настроить более чем 10 способами. Многие другие части аэродинамического обвеса гоночного автомобиля также регулируются, особенно в носовой части.
Прижимная сила необходима как в поворотах, так и при торможении. Для трасс с большим количеством прямых и меньшим количеством низкоскоростных технических участков угол наклона различных компонентов, добавляющих прижимную силу автомобиля, не так важен, а это означает, что они расположены так, чтобы по-прежнему создавать прижимную силу, не вызывая такого большого сопротивления.
Для трасс с большим количеством низкоскоростных, технических участков и меньшим количеством прямых эти компоненты будут расположены под большим углом, чтобы добавить больше прижимной силы для увеличения сцепления на поворотах и торможения, поскольку сопротивление не вызывает беспокойства.
Балансировка прижимной силы тоже имеет решающее значение. Если у автомобиля массивное антикрыло сзади и нет переднего сплиттера, чтобы сбалансировать его спереди, автомобиль может демонстрировать недостаточную поворачиваемость, поскольку заднее антикрыло разгружает переднюю часть и крадет решающее сцепление с дорогой. Настройка подвески также имеет к этому отношение, но мы сохраним это для будущего блога.
Прижимная сила является важнейшим компонентом динамичного вождения и даже обладает преимуществами, повышающими устойчивость уличных автомобилей, например, она интегрирована в оригинальную Audi TT, чтобы держать заднюю часть под контролем. Мы надеемся, что вы усвоите это базовое объяснение и будете следовать ему, пока мы будем больше обсуждать аэродинамику в будущем.
Видео
В этом коротком видеоролике профессиональный гонщик Нельсон Пике-младший объясняет основы аэродинамики болида Формулы Е и то, как прижимная сила применяется к этим гоночным автомобилям.
Часто задаваемые вопросы о прижимной силе
В. Замедляет ли прижимная сила автомобиль?
А . Всегда есть компромисс между прижимной силой и сопротивлением, и все сводится к используемому шасси и трассе, по которой он движется. Если у машины большая прижимная сила, это замедлит ее на прямой.
2. Он также включает в себя несколько отличных ссылок для продолжения выяснения научных измерений. Чтобы углубиться, на Formula1-Dictionary.net есть подробное объяснение расчета общей прижимной силы автомобиля.
Прижимная сила
Загрузка
Автоспорт – это максимальная производительность, и быть самым быстрым – это абсолют. Ничего другого нет.
Чтобы быть быстрее, вам нужна сила, но есть предел тому, сколько энергии вы можете положить на землю. Чтобы увеличить этот предел, необходимо приложить к колесам усилие на землю. Увеличение веса может сделать это, но вес ухудшает управляемость и требует большей мощности. Итак, нам нужен некоторый виртуальный вес, мы называем его прижимной силой и получаем его от обтекания автомобиля воздушным потоком.
Крыло может заставить самолет летать, но если мы перевернем его, оно может заставить машину НЕ летать.
Обычно термин «подъемная сила» используется, когда речь идет о любом виде аэродинамической силы, действующей на поверхность.
Сила сопротивления и прижимная сила пропорциональны квадрату скорости автомобиля. Сила сопротивления определяется как:
|
Cd — коэффициент аэродинамического сопротивления, определяемый точной формой автомобиля.
и его угол атаки.
Прижимная сила определяется по формуле:
|
Cl — коэффициент подъемной силы, опять же определяемый точной формой автомобиля
В современных автогонках, включая Формулу 1, DTM, Indy cars и Touring Car, аэродинамическая прижимная сила играет наиболее важную роль в характеристиках автомобилей.
В середине 1960-х годов использование мягких резиновых смесей и более широких шин продемонстрировало, что хорошее сцепление с дорогой и, следовательно, способность проходить повороты так же важны, как и чистая мощность двигателя, для быстрого прохождения круга.
Фактор ширины шины стал неожиданностью. При трении скольжения между твердыми поверхностями сила сопротивления трению не зависит от площади контакта (о криминалистике при торможении читайте здесь). Столь же неожиданным было обнаружить, что трение может быть больше, чем контактная сила между двумя поверхностями, что, по-видимому, дает коэффициент больше единицы. Это было бы похоже на клей на шинах, заставляющий их «прилипать» к земле.
Прижимная сила также позволяет шинам передавать большую силу тяги без пробуксовки колес, увеличивая максимально возможное ускорение. Без аэродинамической прижимной силы, увеличивающей сцепление с дорогой, современные гоночные автомобили обладают такой мощностью, что могли бы раскручивать колеса даже на скорости более 160 км/ч.
Прижимная сила, или отрицательная подъемная сила, выталкивает автомобиль на трассу.
Говорят, что на максимальной скорости болид Формулы-1 производит прижимную силу 5 г на ! в 5 раз больше своего веса прижимает его к гусенице.
Производится почти всеми частями автомобиля F1, но в основном с использованием диффузора и крыльев таким образом, что более длинный шнур направлен вниз.
Помогает улучшить сцепление шин, но большая прижимная сила обычно вызывает большее сопротивление.
Прижимная сила должна быть сбалансирована между передней и задней, левой и правой. Мы можем легко достичь баланса между левым и правым с помощью простой симметрии, так что это не будет обсуждаться.
Перед и зад это разные вещи. Поток спереди сильно влияет на поток сзади автомобиля, и наоборот.
Прижимная сила должна быть отрегулирована в соответствии с гоночной трассой и поведением автомобиля. Слишком большая передняя прижимная сила вызывает избыточную поворачиваемость. Слишком большая прижимная сила вызывает недостаточную поворачиваемость. Варьируя прижимную силу, можно решить проблемы с избыточной или недостаточной поворачиваемостью автомобиля. Нормально, с ценой добавления сопротивления.
Успех этих функций прежде всего зависит от правильного и эффективного использования лобового сопротивления и прижимной силы, которые управляются физическими принципами, объясняемыми уравнением Бернулли. Хотя принцип Бернулли является основным источником подъемной или прижимной силы в крыле самолета или гоночного автомобиля, эффект Коанда играет еще большую роль в создании подъемной силы.
Понимание основ аэродинамики – прижимная сила и сопротивление, разбивка на основные компоненты. (Из «Aeronautical Journal», январь 2013 г., любезно предоставлено Виллемом Тоетом, руководителем отдела аэродинамики Sauber F1 Team , Sauber Motorsport AG) |
Чтобы обсудить подъемную силу и прижимную силу, может оказаться полезным дать дополнительное объяснение связи, возникающей в приведенной выше форме уравнения Бернулли. Если жидкость обтекает объект с разными скоростями, более медленная жидкость будет оказывать большее давление на объект, чем более быстрая жидкость. Затем объект будет вынужден приближаться к более быстро движущейся жидкости. Результатом этого события является либо подъемная сила, либо прижимная сила, каждая из которых зависит от положения более длинной хорды крыла. Подъемная сила возникает, когда более длинная хорда направлена вверх, а прижимная сила возникает, когда она направлена вниз. Более длинные аккорды всегда создают меньшее давление.
Подъемная сила
Прижимная сила
Как мы объясняли ранее, вся поверхность кузова может создавать прижимную силу, и мы можем разделить автомобиль на три части: переднюю, среднюю и заднюю.
На задней части основным источником прижимной силы являются задние спойлеры, крылья и диффузор. О крыльях вы можете прочитать в отдельной статье.
Спойлер представляет собой простую пластину, размещаемую где-то на кузове автомобиля, чтобы она могла мешать или «портить» обтекание автомобиля, создавая контролируемое разделение потока в нужном месте. Это делается потому, что быстрый, плавный воздушный поток приводит к положительной подъемной силе, поэтому, искажая этот поток, подъемная сила либо уменьшается, либо, возможно, полностью нейтрализуется.
Задний спойлер представляет собой пластину в задней части автомобиля, и чтобы считаться спойлером, эта пластина должна быть интегрирована с кузовом. Если между пластиной и корпусом есть пространство, то оно считается крылом. Как видно на рисунке, спойлер вызывает разделение в задней части автомобиля, создавая турбулентность непосредственно перед потоком, эта турбулентность заставляет поток двигаться медленнее, тем самым снижая низкое давление в области непосредственно перед этим спойлером.
Таким образом, исключается подъемная сила задней части автомобиля. Правильно спроектированный задний спойлер создаст прижимную силу в задней части автомобиля.
Диффузоры после крыльев являются наиболее часто встречающимися устройствами для создания прижимной силы в задней части гоночного автомобиля. В них мы используем уравнение Бернулли почти так же, как мы делаем с трубкой Вентури. В трубке Вентури мы можем ясно видеть, что квадраты давления и скорости обратно пропорциональны, поэтому диффузоры могут помочь уменьшить давление потока под автомобилем за счет увеличения его скорости.
На передней части автомобиля основными источниками прижимной силы являются передние спойлеры (называемые спойлерами, демпферами или сплиттерами), канарды (называемые также ныряющими пластинами), генераторы вихрей, днище с передним диффузором.
Спойлер , дамба или сплиттер объясняются лучше, если вы перейдете по ссылке. Они уменьшают зазор между землей и транспортным средством, блокируя большую часть воздуха, который может попасть под транспортное средство (направляя его по бокам автомобиля).
Если спойлер используется на автомобиле с негладкой нижней частью, где воздушный поток чрезвычайно турбулентный, сопротивление значительно снижается, поскольку через все элементы в днище автомобиля проходит меньше воздуха, мы также можем ожидать получить снижение подъемной силы (и, возможно, немного прижимной силы) в этом случае. Передний сплиттер и спойлер — это не совсем одно и то же, но мы не будем здесь вдаваться в подробности.
Утки и вихревые генераторы подробно описаны здесь. Эти маленькие плавники как бы прикреплены к передним углам автомобиля. Наклон этих пластин создает прижимную силу на переднюю часть автомобиля, хотя и в незначительной степени. Эти же устройства можно использовать и в других частях автомобиля; однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы вихри передней кромки не влияли на работу заднего крыла или других аэродинамических устройств. Эти пластины для ныряния являются скорее триммерами, чем что-либо еще, они слишком малы, чтобы создавать большую прижимную силу; вместо этого они используются для настройки управления автомобилем перед гонкой.
Нижний поддон с передним диффузором почти исключительно используется спортивными автомобилями LMP. Автомобили LMP имеют плоское днище, но в передней части автомобиля могут быть каналы для питания двигателя и тому подобное. Эти воздуховоды также используются для получения определенной прижимной силы. Как вы можете видеть на изображении Toyota GT-One, переднее днище автомобиля сильно очерчено, так что воздух, поступающий под автомобиль, разделяется, часть его проходит в заднюю часть автомобиля, а другая часть направляется в выходы за переднее колесо.
Этот поток направляется вверх в отсек, похожий на диффузор, где его давление снижается, создавая таким образом прижимную силу непосредственно перед передней осью. Эффект в основном такой же, как у воздушной заслонки, но здесь поток также направлен в стороны и к разделителю, который отмечает начало плоского пола. Для получения дополнительной информации проверьте мою статью о диффузоре.
На средней части автомобиля основным источником прижимной силы являются боковые юбки, боковые воздуховоды и вихрегенераторы.
Они подробно описаны в моих статьях, просто перейдите по ссылкам!
Джеки Стюарт трижды побеждала на Нюрбургринге. Такой полет со всей прижимной силой Формулы-1 сегодня невозможен |
В качестве вывода мы можем сказать, что поток воздуха нельзя разделить, то, что происходит в одной части, влияет на то, что происходит в другой. Таким образом, передний спойлер влияет на задний диффузор и наоборот. Мы должны быть осторожны с потоком воздуха и тем, как мы его используем.
Передние спойлеры используются для уменьшения потока на днище автомобиля; это очень желательно, когда у автомобиля нет гладкой нижней части с диффузором или другим устройством, просто для полученного снижения лобового сопротивления. Однако, если у нас плоская нижняя сторона, на самом деле хуже иметь спойлер спереди. Гладкая нижняя сторона требует большого количества воздуха, чтобы быть действительно эффективной, поэтому спойлер здесь уменьшит количество воздуха и не будет желательным.
Тем не менее, бывают случаи, когда мы можем увидеть применение небольшого спойлера, причины этого могут варьироваться от некоторых особенностей аэродинамического дизайна до простого незнания.
Диффузор используется для увеличения скорости потока в днище автомобиля, так как существует ограничение на количество воздуха, которое мы можем всосать туда спереди, воздух будет поступать с боков, иногда мы можем использовать это, чтобы наше преимущество, иногда мы этого не делаем. Вот почему в некоторых автомобилях используются юбки. Передний спойлер или дамба наверняка нарушат работу диффузора. Передний вихревой генератор поможет.
Обычно в этой статье мы не говорим о крыльях, так как стараемся избегать их использования. Однако практически во всех классах гоночных автомобилей мы можем найти переднее или заднее антикрыло. Это связано с их легкой регулировкой, что невозможно с днищем. Итак, у нас, вероятно, будет крыло, это крыло должно получать довольно устойчивый поток, чтобы оно работало, поэтому мы должны быть осторожны, чтобы корпус автомобиля мог его обеспечить.