Как рассчитать прижимную силу на автомобиле. Как это работает: Аэродинамическая прижимная сила

ОГЭ 2018 Физика Часть 1 Задание 20

Прочитайте текст и выполните задания 20-22.

Антикрыло
Рассмотрим движение жидкости в трубе переменного сечения (рис. 1). В широких частях трубы жидкость должна течь медленнее, чем в узких, так как количество жидкости, протекающей за одинаковые промежутки времени, одинаково для всех сечений трубы. Давление же внутри жидкости, которое измеряется с помощью манометрических трубок, ведёт себя обратным образом: давление жидкости больше там, где скорость движения жидкости меньше, и наоборот. Эта зависимость между скоростью жидкости и её давлением известна в физике как закон Бернулли. Закон Бернулли справедлив для жидкостей и газов.

Для увеличения прижимной силы, придавливающей автомобиль к дорожному покрытию, используется специальное приспособление – антикрыло. Рассмотрим сначала крыло симметричного профиля, установленное строго горизонтально (рис. 2а). В этом случае набегающие на него струйки воздуха будут огибать его совершенно одинаково и давление воздуха под и над крылом будет тоже одинаковым.

Теперь установим крыло под углом к потоку (рис. 2б). Скорость движения воздушного потока под нижней поверхностью крыла становится больше скорости над верхней поверхностью. Соответственно, давление воздуха на верхнюю поверхность крыла будет больше, чем давление на нижнюю поверхность. Из-за образовавшейся разности давлений возникает аэродинамическая сила(рис. 2б), вертикальная составляющая которой называется прижимной силой, а горизонтальная составляющая – силой лобового сопротивления.

Прижимная сила антикрыла возникает благодаря тому, что

Глава 7: Аэродинамика

Аэродинамика важна, каждый, наверное, это знает. Особенно, когда вы едете быстро.

Если вы не уверены, что аэродинамика играет сегодня главную роль в автомодельных гонках, запустите ваш автомобиль без корпуса. Вы заметите разницу.

Но к сожалению, лежащие в основе физика и математика очень сложны. Именно поэтому, в этой главе я попытаюсь объяснить основн ые аэродинамические эффекты с помощью некоторых примеров из реальной жизни и большого количества картинок.

7.1 Сопротивление

Вы когда-нибудь замечали, как за эти годы автомобили начали выглядеть все более похоже на женские бритвы? С гладкими поверхностями и закругленными краями. В прошлом, автомобили имели агрессивные радиаторы, острые грани, заостренные носовые и задние части, несколько антенн с кубиками на них, задние плавники и различные украшения, прилепленные повсюду.

Следующие картинки проиллюстрируют мою мысль:

Причиной всего этого развития является то, что все острое или угловатое создает сопротивление, а сопротивление замедляет автомобиль.

Известно, что форма капли является наилучшей, это форма, которая создает наименьшее сопротивление. Недавние исследования показали, что форма пингвина еще лучше. Серьезно. Но особенность такова: воздух движется более эффективно вдоль тупых объектов, закругленность поверхностей позволяет воздуху течь вокруг объекта, не разбиваясь на небольшие вихри.

По существу все, что является острым или торчащим, создает вихри (вихри - шумные объекты, подобные тому, как вы спускаете воду в туалете). И это поглощает энергию, так как теперь воздух скользит относительно себя, а также относительно внешней поверхности вашего автомобиля. Энергия, которая потеряна на трение, могла бы быть использована для ускорения вашего автомобиля.

Вы могли бы разбить сопротивление на два компонента, сопротивление от увеличенного лобового давления и сопротивление от заднего вакуума. Это достаточно просто, так как для того, чтобы автомобиль двигался через воздух, он сначала должен переместить воздух со своего пути и затем, когда автомобиль прошел, воздух должен устремиться назад, чтобы заполнить "пустоту".

Когда автомобиль перемещается через воздух, передняя часть автомобиля сталкивается с воздушной массой и частично сжимает ее. Результат - увеличенное давление на фронтальную поверхность автомобиля. И как каждый должен помнить из начального курса физики, давление умножить на площадь равно силе. Поэтому, воздушное давление умножить на фронтальную площадь автомобиля равно силе лобового сопротивления. Двигатель, или мотор, должен преодолеть эту силу, поэтому вы или движетесь медленнее, или потребляете больше энергии.

Таким образом, чем больше область автомобиля, когда смотришь спереди, тем большее сопротивление он будет создавать.

Поэтому, если вы уменьшите фронтальную площадь вашего автомобиля, будет создаваться меньшее сопротивление. Только не перестарайтесь, как эти парни:

Имея это в виду, если вы можете установить ваш корпус на несколько миллиметров ниже без нарушения правил, было бы разумно так сделать. Это также одна из причин, почему на длинных, больших, высокоскоростных трассах "Alfa Romeo 156" работает лучше, чем "Dodge Stratus". Крыша "Stratus" очень широкая, что делает больше его фронтальную поверхность и таким образом создает большее сопротивление.

Но, есть и второй компонент, который часто упускается. Когда автомобиль движется на скорости, многое происходит позади него.

Я могу привести 2 примера из реальной жизни. Во-первых, вы когда-либо замечали, что автомобили, использующиеся в 24 часовых гонках в Ле-Мане, всегда имеют тщательно проработанные задние части?

Причина вполне очевидна, трасса в Ле-Мане имеет чрезвычайно длинные прямые участки и эти автомобили могут достигать очень больших скоростей. И так как это 24 часовые гонки, эффективность и экономия топлива также являются важными.

Нелепо длинные задние части обеспечивают ровное схождение воздуха позади автомобиля, без распадения на большие вихри и без отделения от поверхности автомобиля.

Примером номер 2 является использование спойлеров (или антикрыльев) на многих современных дорожных автомобилях. Особенно на хетчбек автомобилях. Спойлер снижает сопротивление путем устранения небольших вихрей вдоль заднего ветрового стекла.

Различие между спойлером и антикрылом: спойлер присоединен к кузову и, более или менее, является его частью, а антикрыло является отдельным элементом, который обычно размещен над корпусом и имеет боковые отбойники.

Пожалуй, достаточно полномасштабных примеров, эта статья больше ориентирована на автомодели. Возьмем корпуса "Dodge Stratus" и "Alfa Romeo 156".

Носовая часть "Alfa" до некоторой степени скошенная, переднее ветровое стекло и крыша узкие, и размещены относительно далеко назад. Задняя часть загибается внутрь и к концу получается довольно узкой.

Носовая часть "Stratus" очень тупая, переднее лобовое стекло огромное, имеет хороший наклон и размещено прямо над центром автомобиля. Задний конец очень большой и квадратный.

В терминах сопротивления это означает, что "Alfa" имеет отчетливое преимущество. Ее фронтальная поверхность меньше и задняя часть больше напоминает автомобили из Ле-Манса, которые мы обсуждали перед этим. Отчасти именно поэтому на больших, высокоскоростных трассах "Alfa" будет наилучшим выбором.

Есть еще другие вопросы при сравнении этих двух корпусов, в основном в области прижимной силы.

7.2 Прижимная сила

Следующая проблема, касающаяся аэродинамики, это прижимная сила. Прижимная сила является великим изобретением, она позволяет вам получить большее сцепление от ваших колес без утяжеления автомобиля. Другими словами: вы можете проходить через повороты быстрее. Единственным недостатком является то, что большая прижимная сила также означает большее сопротивление.

7.2.1 Создание прижимной силы

Есть два способа объяснить прижимную силу, один простой и другой сложный.

Давайте попробуем сначала простой способ. Спойлеры, антикрылья, наклоненные носы - все они "отталкивают" воздух вверх. Воздух толкается вверх, автомобиль толкается вниз. Действие равно противодействию. Чем больше поверхность и чем более она наклонена, тем большая прижимная сила создается.

Теперь приступим к сложному объяснению.

Способ, которым работают настоящие, имеющие определенную форму, антикрылья, по существу такой же, как у обычных крыльев, но он перевернут. Крыло самолета производит подъем, антикрыло автомобиля производит отрицательный подъем, который является только причудливым словом для прижимной силы. Этот подъем (или отрицательный подъем) вызывается различием в давлении на обеих сторонах крыла. И, как объяснялось ранее, давление, умноженное на площадь, равно силе. Таким образом, большее различие в давлении или большее антикрыло являются способами увеличения прижимной силы.

Но как производится различие в давлении? Если вы внимательно посмотрите на рисунки, вы увидите, что верхняя сторона антикрыла относительно прямая, а нижняя сторона изогнута. Это означает, что воздух, который проходит над антикрылом, перемещается по относительно прямому пути, который является коротким. Воздух под антикрылом должен следовать по кривой и следовательно проходит большее расстояние. Есть закон Бернулли, который утверждает, что общая величина энергии в объеме жидкости должна оставаться постоянной (если только вы не нагреваете его или не подвергаете заключенный объем некоторой форме механической работы). Если вы предполагаете, что воздух не слишком много двигается вверх и вниз, то это сводится к следующему: если воздух (или жидкость, для этого случая) ускоряется, ее давление падает. С энергетической точки зрения, это имеет смысл: если больше энергии требуется для поддержания скорости частиц, тогда меньше энергии остается для выполнения работы по оказанию давления на поверхность.

Вкратце: с нижней стороны, воздух должен проходить больший путь за тот же промежуток времени, это означает, что он должен ускориться, что означает снижение его давления. Большее давление с верхней стороны антикрыла и меньшее с нижней стороны имеет результатом чистую силу вниз. Это прижимная сила.

Поэтому, если вы хотите знать, что некоторое тело производит прижимную силу, ищите что-нибудь наклонное или имеющее форму крыла (обратного).

7.2.2 Центр давления ( CP )

Но дело гораздо сложнее, чем просто высокая и низкая прижимная сила. Существует так называемый центр давления. Подобно распределению веса, существует распределение прижимной силы. Или распределение давления, как для вас более понятно.

Давайте начнем с центра давления и центра тяжести (или центра массы).

Центр тяжести является воображаемой точкой, в которой могла бы быть сосредоточена вся масса автомобиля. Так, если вы сложите массы всех компонентов автомобиля и их положения, вы придумали центр тяжести, или ЦТ. Преимущество состоит в том, что вы можете теперь делать вид, что вместо тяжести, воздействующей на каждую часть автомобиля, есть только одна гравитационная сила равная весу автомобиля, действующая на центр тяжести.

То же самое работает для центра давления. Вместо воздуха, оказывающего давление по всему корпусу автомобиля, вы можете сложить все это вместе и придумать одну аэродинамическую силу, действующую на центр давления. Обычно эта сила будет действовать вниз (прижимная сила) и назад (сопротивление).

Итак, вы можете построить компьютерную симуляцию корпуса вашего автомобиля, поместить ее в какой-нибудь аэродинамический симулятор и определить центр давления вашего автомобиля. Либо так, или просто критически осмотрите ваш автомобиль, пытаясь определить, где находится центр давления (CP) по отношению к ЦТ, и работайте с этим.

Я думая, что здесь необходим пример. Пример номер один: волан для бадминтона. Примерно 95% массы волана расположено в куполообразном пробковом наконечнике. Поэтому очевидно, что ЦТ расположен около вершины.

Но с аэродинамической точки зрения, если вы думаете о том, где создается давление, это будет происходить в основном сзади, где расположены перья. Они создают большую поверхность и выталкивают воздух в стороны, когда волан летит через воздух. Поэтому центр давления (CP) находится где-то возле перьев, относительно далеко назад.

Теперь, когда вы ударяете волан вашей ракеткой, он почти немедленно переворачивается, чтобы лететь наконечником вперед. Почему так происходит?

Сначала вы должны понять этот небольшой кусочек элементарной физики:
Следующая диаграмма должна прояснить, как две равных, но противоположных силы, которые не действуют на одной линии, эквивалентны вращающему моменту.

В нашем случае это означает, пока ЦТ не расположен непосредственно перед центром давления (CP), будет существовать вращающий момент, пытающийся это исправить. Чем больше две силы или больше расстояние между центром давления (CP) и ЦТ, тем больше вращающий момент.

В применении к волану: сила от вашей ракетки действует в ЦТ, прочь от вас, а аэродинамическая сила, в этом случае чистое сопротивление, действует в центре давления (CP), в вашу сторону. Если ЦТ не находится прямо перед центром давления (CP), будет существовать вращающий момент, исправляющий это. Положение ЦТ перед центром давления является самым устойчивым и естественным положением.

На рисунке, предполагается, что волан движется к левой стороне вашего экрана.

То же самое происходит с дротиком дартса. Его масса сконцентрирована вокруг заостренного кончика, так что ЦТ снова находится спереди. А центр давления расположен больше в заднюю сторону, около стреловидных лопастей. И снова, если у вас не опыта игры в дартс в состоянии опьянения или нет его вообще, и вы бросаете дротик боком, он скорректирует себя сам и полетит кончиком вперед.

Это не должно вас удивить, когда я пишу: то же самое происходит с автомобилем. Центр давления (CP) автомобиля расположен позади (и обычно выше, я думаю) центра тяжести. Хотя и не так экстремально, как в примерах с дартсом и воланом. Но тем не менее, эффект тот же самый.

Чем дальше назад расположен центр давления (CP), тем больше будет корректирующий вращающий момент, когда вы идете боком. Другими словами: если центр давления (CP) расположен дальше назад, чем ЦТ, автомобиль будет очень стабильным, и будет нелегко менять направление или идти боком.

Итак, как вы измените положение центра давления (CP)? В основном, путем перемещения антикрыла. Двигайте антикрыло назад и центр давления (CP) будет перемещаться назад вместе с ним. Двигайте антикрыло вперед, и центр давления будет перемещаться вперед. Переднее ветровое стекло здесь также достаточно важно, его размер и положение. Большое ветровое стекло, находящееся спереди автомобиля, означает, что центр давления также перемещается в переднюю часть автомобиля.

Пример из реальной жизни: удачи вам в попытках повернуть "Dodge Viper" на скорости.

Я боюсь, что это еще не все, что нужно сказать о центре давления. Его высота также важна. И об этом часто забывают.

Если смотреть со стороны и центр давления (CP) выше, чем ЦТ, или наоборот, тогда существует вращающий момент, так как сопротивление действует в центре давления (CP), а сила, которая двигает автомобиль, действует в ЦТ. Этот вращающий момент создает некоторое дополнительное давление на задних колесах и немного снижает его спереди.

Этот момент буквально пытается перевернуть ваш автомобиль назад, подобно тому, как это иногда делают игрушки механических собак.

Это означает, что когда вы устанавливаете антикрыло "выше", вы получаете большее заднее сцепление и меньшую поворачиваемость.

И снова, пример из реальной жизни: мощные драгстеры. Я не думаю, что они могут установить свои антикрылья еще выше без опрокидывания. Причина номер 1, стоящая за этим, состоит в том, они нуждаются только в сцеплении для своих задних колес, передние не так важны, поскольку драгстеры предназначены для поездок по прямой. Причиной номер 2 является то, что чем выше они стоят, тем "чище" воздух, чище в смысле отсутствия завихрений.

7.2.3 Распределение давления

Теперь приступим к распределению давления. Это во многом напоминает распределение веса и вращательный момент инерции.

По существу, если вес сконцентрирован возле середины автомобиля, вращательный момент инерции будет очень низким, а автомобиль может менять направление, крениться и отклоняться очень быстро, без слишком больших усилий. Если вес распределен повсюду, вращательный момент инерции будет высоким, а автомобиль будет чрезмерно устойчивым и нежелающим менять направление.

Распределение давления действует очень похожим образом. Автомобиль с одним большим антикрылом прямо в середине будет быстро и легко менять направление. Автомобиль с большим антикрылом спереди и еще большим антикрылом сзади будет очень стабилен на высоких скоростях, а поворачивать будет весьма затруднительно.

Пример из реальной жизни: миниатюрные гоночные автомобили против автомобилей из Ле-Манса, обсуждавшихся ранее. Я думаю, что картинки говорят сами за себя.

Я думаю, что наибольшее различие между кузовами "Alfa" и "Stratus" находится в распределении давления.

Как уже обсуждалось ранее, "Stratus" имеет огромное переднее ветровое стекло с хорошим наклоном. И этот наклон начинается даже раньше, с капота. Поэтому большая часть давления сконцентрирована около центра автомобиля. Спереди прижимная сила достаточно слабая, из-за тупого носа. Заднее антикрыло недостаточно эффективно, так как ветровое стекло и крыша настолько широкие, что антикрыло не попадает в "чистый" поток воздуха.

"Alfa", с другой стороны, имеет совершенно противоположное распределение давления. Ее крыша является очень маленькой и узкой. Но передок круто наклонен и тоже самое происходит с передней частью капота. Поэтому спереди присутствует достаточно большая прижимная сила. А так как крыша очень узкая, заднее антикрыло выставлено на поток "чистого" воздуха, делая его достаточно эффективным в создании прижимной силы. Поэтому "Alfa" обеспечивает большую прижимную силу спереди и на багажнике, и не слишком много в середине.

Различия в управлении являются весьма драматическими. "Alfa" имеет большую начальную поворачиваемость из-за наклонного переднего радиатора, но с другой сторону, она достаточна стабильна в том смысле, что ее нелегко круто и быстро повернуть. На высоких скоростях она ведет себя очень хорошо, так как прижимная сила действует по всему корпусу. Все это делает ее очень подходящей для больших, свободных, высокоскоростных трасс.

Кузов "Stratus", по моему скромному мнению, является одним из самых удачно выполненных. Он всегда ощущается прямым и сбалансированным. Поскольку большая часть прижимной силы действует по центру, он очень подвижный и очень стабильный. При прохождении через повороты прижимная сила остается очень стабильной. Я думаю, что это происходит из-за тупой формы кузова. Поэтому, если трасса маленькая, тесная или имеет множество поворотов, корпус "Stratus" будет вашим выбором.

Есть еще кое-что, что в значительной степени недооценивается, это важность боковых ограничителей (отбойников) на антикрыльях. Лично я думаю, что правила несколько жестковаты в этом.

Ограничители предотвращают "стекание" воздуха с боковой стороны антикрыла. Это особенно важно на высоких скоростях, когда давление на поверхности антикрыла чрезвычайно возрастает. Большие ограничители делают антикрыло намного более эффективным.

Но это не все, они также действуют, как лопасти на дротике дартса, если вы должны идти боком (чего не должно быть, но вы всегда можете возложить ответственность на кого-нибудь, кто столкнулся с вами), они представляют большую фронтальную поверхность, создающую большое сопротивление в боковом направлении, и эффективно останавливают вращение.

Поэтому будет хорошей мыслью сделать боковые ограничители на заднем антикрыле настолько большими насколько возможно без нарушения правил.

7.2.4 Эффект влияния земли (граунд-эффект)

Есть одна вещь, о которой я умалчивал на протяжении всей статьи, так как это нарушает правила, я думаю, во всех категориях гонок радиоуправляемых автомомоделей. Это эффект влияния земли.

Эффект влияния земли может обеспечить прижимную силу более эффективно, чем антикрылья или спойлеры, потому что поблизости от земли (или воды) вы можете получить некоторые специальные эффекты. Кто-нибудь помнит русский экраноплан?

Хорошо, это был дальний выстрел, кто-нибудь помнит эру эффекта влияния земли в гонках Формулы-1?

Это было великолепно, именно поэтому в конечном счете, эффекты влияния земли были строго ограничены, с помощью деревянных пластин, минимальной высоты и прочего.

Но тем не менее: эффект влияния земли является более эффективным, чем антикрылья или спойлеры. Он может производить большую прижимную силу (или подъем, в случае экраноплана) при той же величине сопротивления.

7.2.4.1 Диффузор

Однако, есть способ обойти правила: если вы обрежете заднюю часть кузова непосредственно под бампером и оставите "щитки" сразу за задними колесами, это создаст некоторую форму эффекта влияния земли. Задний бампер должен быть нетронутым, таковы правила. Поскольку у вас есть большой зазор сзади, воздух будет высасываться, когда автомобиль едет на скорости. Воздух должен быть высосан из кузова откуда-то. Если в кузове нет отверстий и колесные арки хорошей формы и плотные, воздух должен будет высосан снизу. Другими словами, ваш автомобиль будет присасывать себя к трассе. Это очень изящный эффект, я рекомендую вам его попробовать.

Заметьте, как щитки также немного отогнуты наружу. Это выполняет 2 функции. Первая: это усиливает щитки, предотвращает их изгибание внутрь и касание колес на высоких скоростях. И вторая: это создает эффект диффузора.

Я догадываюсь, что теперь вы задаетесь вопросом, что такое диффузор и что он делает. Если это не так, перейдите на другую страницу.

Диффузор - похожее на туннель устройство, встроенное в нижнюю часть автомобиля. Он становится шире или выше в сторону задней части автомобиля.

Диффузор работает следующим образом: воздух, проходящий под автомобилем, "растягивается" по мере прохождения вдоль автомобиля. Поэтому, чем дальше воздух продвигается к задней части автомобиля, тем ниже становится его давление. Это низкое давление буквально присасывает автомобиль к асфальту.

Другой приятный эффект заключается в том, что воздух, выходящий из диффузора, хорошо "заполняет вакуум" под задним антикрылом, делая антикрыло более эффективным.

Итак, как мы можем применить это знание к нашим автомоделям? Очень просто, сделайте весь кузов похожим на один большой диффузор.

Видите сходство?

Другой возможностью является срезание всей области под задним бампером, для кузовов трековых автомобилей.

Но моим личным предпочтением является изгибание наружу боковых сторон корпуса в задней части. Подобно следующему рисунку:

Если смотреть сверху, кузов теперь имеет форму трапецоида, с широкой стороной в задней части. Корпуса, которые являются узкими спереди и широкими в задней части, не нуждаются в изгибании боковых сторон.

Кроме того, эта небольшая уловка имеет дополнительное преимущество: на больших скоростях, корпус имеет немного большее сопротивление засасыванию мусора под автомобиль, который может сталкиваться с компонентами шасси или колесами.

7.2.4.2 Рассекатель

Существует еще одно любопытное устройство, которое позволяет создать прижимную силу в передней части автомобиля - это рассекатель. Рассекатель производит прижимную силу спереди автомобиля, создавая перепады давления.

Чтобы понять, как рассекатель создает прижимную силу, вам необходимы небольшие познания о механике жидкостей. Нужно, по крайней мере, знать о различии между статическим и динамическим давлением. Также полезно будет знать, как динамическое давление связано со скоростью потока. Это соотношение дается известным уравнением Бернулли. Существенный момент, который будет взят из уравнения Бернулли - это то, что давление в воздушном потоке связано со скоростью, с которой движется воздушный поток. По мере того, как скорость воздушного потока повышается, динамическое давление в воздухе понижается. В случае автомобиля будет полезно счесть автомобиль неподвижным, а воздушный поток считать двигающимся навстречу автомобилю. Приближающийся воздух достигает автомобиля со скоростью V 1, которая является скоростью автомобиля, и с давлением P 1, которое связано с V 1 согласно уравнению Бернулли. P 1 будет несколько меньше атмосферного давления.

Рисунок показывает, что как только поступающий воздух достигает передка автомобиля, он должен остановиться прежде, чем повернуть вверх или вниз и под автомобиль, или вокруг автомобиля. Область, в которой прибывающий воздушный поток останавливается, называют "областью застоя". Так как скорость понизилась, давление повышается (давление застоя). Таким образом, передок движущегося автомобиля является областью относительно высокого давления. Большинство людей уже хорошо знают об этом.

Одно из свойств давления - это то, что оно действует во всех направлениях. Таким образом, относительно высокое давление застоя спереди движущегося автомобиля толкает его назад (создает сопротивление). Теперь, если мы прикрепим рассекатель снизу к основанию спойлера, тогда давлений застоя также будет давить вниз на верхнюю поверхность рассекателя. Но каково давление на нижней стороне рассекателя? Если оно такое же, как давление сверху рассекателя, тогда не будет никакой силы, действующей на рассекатель. Давайте проанализируем давление снизу рассекателя.

Так как рассекатель находится близко к поверхности дороги, он создает ограничение для потока воздуха, протекающего под ним (мини-трубка Вентури, если хотите). Также как вода в реке ускоряется, когда русло сужается, воздух, который накапливается перед спойлером, должен ускориться, если он хочет протиснуться под рассекателем. И как мы знаем из уравнения Бернулли, когда воздушный поток ускоряется, его давление понижается. Таким образом, область между рассекателем и дорожным покрытием является областью низкого давления. Резюмируем это - есть высокое давление сверху рассекателя и есть низкое давление снизу рассекателя. Это приводит к созданию прижимной силы на рассекателе. И эта прижимная сила прямо пропорциональна площади поверхности рассекателя. Итак, чем больше рассекатель, тем большую прижимную силу он может создавать.

Ниже показаны фотографии примеров реализации рассекателя. Обратите внимание на огромный размер рассекателя на левом снимке. И на автомобиле Ford Mondeo BTCC мы можем ясно видеть очень узкий профиль "Вентури" под рассекателем. Это ускоряет поток воздуха и снижает локальное давление.

Некоторые проектировщики спортивных автомобилей придают огромное значение использованию трубки Вентури переднего спойлера.

7.2.4.3 Использование эффекта Вентури

Если мы исследуем спойлер на DTM / ITC Mercedes Benz 1996 года, показанном выше, мы заметим, что он не имеет никакого рассекателя. В действительности, это противоположность рассекателя. Нижняя часть спойлера искривляется назад к автомобилю, вместо того, чтобы выдаваться вперед в область застоя. Проектировщики попытались заставить течь воздух высокого давления перед спойлером под автомобилем. Таким способом они могли максимизировать эффект Вентури под передней частью автомобиля. В сущности, область переднего спойлера автомобиля образует "мини туннель граунд-эффекта". В области "сужения" Вентури воздушный поток ускоряется и, следовательно, локальное давление понижается. Это создает прижимную силу. Чем длиннее будет область сужения, тем большая прижимная сила может быть создана. На рисунке ниже приведена упрощенная схема потоков воздуха над и под автомобилем со спойлерным Вентури.

Есть множество возможных модификаций идеи рассекатель/спойлерный Вентури. Некоторый спортивные автомобили используют только рассекатель или только спойлерный Вентури. Другие разработчики попытались объединить эти два устройства в попытке максимизировать переднюю прижимную силу в пределах современных правил (которые обычно требуют плоского днища от передней до задней оси). Ниже показано два примера использования комбинированных конструкций рассекатель/Вентури. Обратите особое внимание, что Volvo S -40 имеет передний рассекатель, находящийся вверху над входом в Вентури.

И настало время поговорить о вещах, о которых я умалчивал: сопротивление и прижимная сила пропорциональны квадрату скорости. Вы можете это почувствовать: на низких скоростях, например при прохождении узких шпилек, имеет значение только чисто механический баланс автомобиля. Но как только вы набираете скорость, в действие вступают аэродинамические эффекты. И с определенной точки они даже становятся доминирующими. Обычно вождение автомобиля на и около максимальной скорости является вопросом чисто аэродинамического баланса. Запомните это. Если, например, ваш автомобиль обладает недостаточной поворачиваемостью в паре шпилек, но в остальных случаях ведет себя прекрасно, не пробуйте добавлять переднюю прижимную силу: это будет абсолютно бесполезно при прохождении шпилек и нарушит баланс вашего автомобиля на всей остальной части трассы.

7.2.5 Срыв потока

"Срыв потока" говорит сам за себя, это происходит, когда "поток" "отделяется" от поверхности. Фактически срыв потока отмечает начало турбулентного течения. На низких скоростях, жидкости текут ламинарным способом: прямо вперед, никаких завихрений, нет смешивания слоев. С энергетической точки зрения это очень выгодно, ламинарное течение требует очень небольшого количества энергии.

Как только превышена некоторая критическая скорость (или если падает плотность или вязкость жидкости, но это не происходит в случае радиоуправляемых автомоделей), в так называемом пограничном слое начинают появляться небольшие вихри. И довольно скоро течение становится полностью турбулентным, что требует намного больших затрат энергии.

Что касается антикрыла, срыв потока происходит, когда скорость воздуха или угол атаки слишком высоки.

Предположим, что вы нуждаетесь во всей прижимной силе, которую вы только можете получить, поэтому вы устанавливаете антикрыло под большим углом (Это так называемый "угол атаки").

Что это означает: антикрыло потеряло св ою аэродинамическую эффективность. Область под задним краем антикрыла, которая должна быть областью низкого давления, теперь заполнена небольшими вихрями.

Попросту, вы можете перестараться с этим. Любое данное антикрыло может обеспечить только определенную прижимную силу, и если вы установите его с углом атаки, который слишком велик, или оно должно работать на слишком больших скоростях, антикрыло станет чрезвычайно неэффективным. Что вам нужно, так это большое антикрыло (большая поверхность).

7.2.6 Щитки Гурней ( Gurney Flaps )

Щиток Гурней (Gurney flap) - это небольшая полоска, установленная перпендикулярно на заднем краю антикрыла. Его также называют wickerbill или кромка Гурней (Gurney lip). Он был назван в честь Дена Гурней, если вы хотите прочитать историю, лежащую в основе, посетите: http://www.allamericanracers.com/gurney_flap.html .

Первое, что произойдет: увеличится сопротивление. Естественно, мы только что поместили барьер для сжатого воздуха, который проходит на большой скорости, по существу это не очень умная идея.

Но очень интересным побочным эффектом позади щитка Гурней является то, что мы создали область очень низкого давления. Это почти такой же эффект, как "задний вакуум", который мы обсуждали в разделе о сопротивлении.

Очень низкое давление на заднем крае снижает срыв потока на нижней стороне антикрыла, так как низкое давление "присасывает" воздух наверх, фактически вынуждая воздух следовать по контуру антикрыла. Если нет срыва потока, область низкого давления, которую мы только что создали, также всасывает вверх воздух, проходящий под задним краем, что создает небольшую дополнительную прижимную силу.

Итак, мы нашли эффективное средство борьбы со срывом потока на высоких скоростях: щиток Гурней (Gurney flap). Однако ничто не дается даром: вы должны нести бремя большего сопротивления на скоростях ниже, чем скорость, на которой происходил срыв потока до установки щитка Гурней. Если вы еще здесь, я просто хочу сказать, что существует небольшая проблема с сопротивлением.

Попробуйте вспомнить это, когда вы пытаетесь выяснить, как сделать маленькое антикрыло более эффективным на высоких скоростях.

Я уже упоминал, что правила немного жесткие, когда это касается размеров антикрыла. Наши относительно небольшие антикрылья могут использовать небольшую помощь на высоких скоростях, именно поэтому щитки Гурней часто используются, они увеличивают эффективность заднего антикрыла на высоких скоростях.

Причина, по которой реалистичные антикрылья не работают в автомоделях, состоит в том, что жидкости не масштабируются: вы можете уменьшить автомобиль, корабль и самолет, но не можете уменьшить воду и воздух.

Автомодели никогда, похоже, не используют аэродинамические профили антикрыльев, в то время как полномасштабные автомобили и самолеты их используют. Почему это происходит?

Причина вполне проста: автомодели слишком малы и ездят слишком быстро.

Воздух это жидкость, а жидкости всегда до некоторой степени медленны в движении. Это называется инерцией. Воздух является не слишком плотной жидкостью, поэтому для него не является большой проблемой сдвинуться вверх или вниз на несколько сантиметров, протекая по крылу полномасштабного самолета, которое, кстати говоря, пару метров в ширину. Даже при скоростях в несколько сотен километров в час.

Аэродинамические профили имеют максимальный угол атаки 17 градусов. При углах атаки больших, чем этот, происходит срыв потока, как объяснялось ранее. Также, около 80% прижимной силы, которую они производят, обеспечивается низким давлением на нижней стороне. Только 20% обеспечивается увеличенным давлением сверху. Это означает, что антикрыло должно устанавливаться высоко, чтобы воздух мог легко протекать под ним. Они также нуждаются в очень, очень чистом, ровном воздухе, чтобы работать должным образом. Любая турбулентность будет создавать срыв потока.

Ясно, что это не будет ограничивать нас в автомоделях. Угла атаки в 17 градусов недостаточно, чтобы обеспечить необходимую прижимную силу с помощью выполненного в масштабе антикрыла. Воздух не масштабируется, как вы помните?

И в большинстве случаев устанавливать антикрыло высоко, далеко от корпуса, в чистом воздухе, не разрешено правилами. И к тому же это не очень хорошая идея, если вы планируете иногда попадать в аварии.

Поэтому, если вы хотите сделать дополнительное антикрыло с реалистичным видом, как на трековом автомобиле, это должно быть нечто подобное "совку". Просто "заставьте" воздух идти вверх, используйте большой угол атаки, если пожелаете, и не беспокойтесь о том, что происходит на нижней стороне антикрыла. Если вы просто отбрасываете воздух вверх, вы не должны беспокоиться о соединении вместе потоков, проходящих выше и ниже антикрыла.

Конечно, оно не будет настолько эффективно, как аэродинамический профиль, но по крайней мере оно будет обеспечивать некоторую прижимную силу.

И как дополнительное преимущество, антикрылья из изогнутых пластин остаются более или менее эффективными в "грязном", турбулентном воздухе: не имеет значения какой воздух, ламинарный или турбулентный, вы отбрасываете наверх, воздух есть воздух. Тем не менее, они не являются полностью нечувствительными, чистый воздух всегда лучше.

7.3 Практический материал

Хороший корпус имеет колесные арки, которые ничуть не больше, чем это необходимо. Но вы должны также попытаться установить ваш корпус настолько низко, насколько это возможно, без задевания за землю. Любое задевание за землю отнимает огромное количество сцепления, поэтому вы должны всячески избегать этого.

Когда вы устанавливаете корпус, обратите особое внимание на сверление монтажных отверстий, убедитесь, что корпус не нарушил баланс по осям. Отверстия должны очень точно соответствовать опорным стойкам корпуса. Корпус, нарушающий баланс по осям, будет смещать ЦТ на сторону, заставляя ваш автомобиль отклоняться к одной стороне.

И, подобно мощным драгстерам, заднее антикрыло будет более эффективно, если будет установлено выше, где воздух свободен от завихрений. Но правила обычно подразумевают некоторые ограничения на высоту антикрыла. Для трековых автомобилей, антикрыло не может располагаться выше уровня крыши.

Я надеюсь, что после прочтения этого, у вас есть ясное представление о том, как работает аэродинамика автомобиля. Я также надеюсь, что время от времени, вы будете внимательно осматривать строение кузова вашего автомобиля и думать о том, что может быть отрегулировано или улучшено.

При движении автомобиля торможение и ускорение создаются в области контакта между шиной и дорогой, поэтому сильно зависят от вертикальной силы, приложенной на колеса, а также ограничиваются некоторым максимальным коэффициентом трения. Если бы мы смогли каким-то образом увеличить нормальную силу, действующую на колесо, а также максимальное значение коэффициента трения, то боковая сила, возникающая при повороте, также увеличилась бы без потери устойчивости автомобиля. Одним из способов увеличить нормальную силу является увеличение веса автомобиля, но естественно это не самый удачный способ, поскольку это повлияет на его боковую силу в пропорциональном отношении. Следовательно, не удастся улучшить скорость прохождения поворотов, а также автомобиль будет тяжелее.

Для увеличения нормальной силы можно использовать аэродинамическую прижимную силу, причем без добавления дополнительного веса, что позволяет увеличить скорость прохождения поворотов и соответственно уменьшить время прохождения круга. Этот эффект был применен аэродинамиками только в середине 1960-х годов.

С тех пор технологии ушли далеко вперед. Существенно были улучшены аэродинамические аспекты, характеристики двигателя, качество шин, шасси и т.д. Большая часть этих улучшений в различных дисциплинах приводила к улучшению производительности, увеличению максимальной скорости, увеличению скорости в поворотах и соответственно к уменьшению времени прохождения круга. Этот тренд можно продемонстрировать на рисунке зависимости максимальной скорости при прохождении круга с течением времени. С 1950 года можно наблюдать резкое увеличение наклона кривой, что частично может быть связано с проведением аэродинамического эксперимента. Также это связано и с развитием технологий в шинной индустрии.Самый большой скачок в скорости произошел в 1972 году в связи с установкой передних и задних антикрыльев. Интересно, что контролирующие организации сразу же отметили сильное влияние аэродинамики на увеличение скорости, и для уменьшения скорости вводились различные ограничения на использование аэродинамических поверхностей, таких как антикрыльев.

Несмотря на все ограничения, максимальная скорость на круге продолжала расти. В конечном итоге, скорость практически перестает расти и находится в пределах от 365 до 385 км/ч. По-видимому, это связано с недостаточным временем реакции человеческого организма для того, чтобы контролировать ситуацию на дороге, а также с введенными ограничениями для того, чтобы не выходить за эти пределы.

Как было отмечено, одно из самых важных преимуществ аэродинамической прижимной силы является увеличение скорости автомобиля при повороте. Для того, чтобы продемонстрировать этот тренд, давайте рассмотрим две кривые.Если бы улучшения проводились только в технологии производства шин без каких-либо дополнительных несущих поверхностей, то увеличение скорости при повороте двигалось бы по непрерывной синей линии. Пунктирная красная линия представляет собой тренды в производительности современных гоночных автомобилей. Именно за счет использования антикрыльев удалось существенно улучшить эффективность при прохождении поворота. Этот тренд был усилен в конце 1970-х годов за счет использования экранного эффекта, который использовал сам кузов автомобиля для создания дополнительной прижимной силы.

Кроме этого, за счет более улучшенной аэродинамики автомобиль стал намного более устойчивым и управляемым, также сильно улучшилось торможение при больших скоростях, что снова поспособствовало уменьшению времени на круг. Необходимо также отметить, что добавление дополнительных аэродинамических поверхностей увеличивает сопротивление автомобиля, уменьшая максимальную скорость движения по прямой, поэтому для каждой конкретной гонки соотношение прижимной силы и силы сопротивления должно быть тщательным образом подобрано. Уменьшение сопротивления является главной проблемой только для автомобилей, целью которых является достижение максимальной скорости по прямой, а также обычных повседневных автомобилей, для которых важна топливная экономичность.

Благодаря несимметричному профилю поток над плоскостью крыла течет быстрее, что, согласно закону Бернулли, создает над крылом зону разрежения а, в конечном итоге, и подъемную силу.

Почему крыло самолета создает подъемную силу? Отнюдь не из-за угла между ним и набегающим потоком, как кажется на первый взгляд – угол этот может быть и нулевым (хотя при его увеличении подъемная сила и возрастает). Секрет крыла кроется в его особом профиле. Оказывается, будучи несимметричным, оно разрезает набегающий воздух таким образом, что верхний поток проходит больший путь, чем нижний. С учетом несжимаемости воздуха (на малых скоростях) это означает, что над крылом скорость потока выше, а статическое давление, соответственно, ниже. Эта разность давлений и создает подъемную силу.

При чем же здесь автомобиль? А притом, что характер его обтекания воздухом практически тот же: нижний поток, ныряя под днище, обходит кузов по прямой, а верхний вынужден ускоряться, дабы успеть обогнуть автомобиль сверху. Отсюда все та же разница в давлении и подъемная сила. Правда, во многом она компенсируется динамическим давлением воздуха на капот и лобовое стекло - отталкивая поток вверх, автомобиль, согласно закону сохранения импульса, сам дополнительно прижимается к земле. В итоге подъемная сила получается невелика – как правило, даже на предельной скорости автомобиль разгружается не более чем на 100 кг.

Характер обтекания автомобиля во многом повторяет ситуацию с крылом -все так же воздух сверху ускоряется, а его давление падает.

В общем-то, этой величиной можно и пренебречь, но беда в том, что по осям она распределяется неравномерно – если передок автомобиля, как уже было сказано, догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова нередко оказывается еще и в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса. С этой неприятностью в основном и борются производители массовых автомобилей, тем более что до некоторого момента снижение подъемной силы не противоречит уменьшению лобового сопротивления.

Например, стремление к безотрывному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает локальных зон резко пониженного давления. Аналогично две цели преследует и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает.

На устойчивость автомобиля влияет и характер обтекания кузова воздушными потоками, направленными под определенным углом к его продольной оси. В этом случае результирующая сила лобового сопротивления, приложенная к его центру парусности, который находится на некотором расстоянии от поверхности контакта автомобиля с дорогой, а также смещен от его центра масс, создает разворачивающий момент и крен автомобиля. Ощутить всю прелесть данного явления можно, например, на "Таврии" при движении на высокой скорости в момент прохождения рядом "фуры".

Аэродинамические шумы, возникающие при движении автомобиля, свидетельствуют о плохой его аэродинамике или же о ее отсутствии вообще. Генерируются они за счет вибраций элементов кузова в моменты срыва воздушного потока с их поверхности. По наличию или отсутствию шумов на высоких скоростях движения можно определить степень проработки конструкции автомобиля в аэродинамическом смысле.

Как Вы понимаете, просчитать такое огромное количество параметров аэродинамики автомобиля невозможно. Поэтому ее созданием и доводкой конструкторы занимаются путем многочисленных продувок в аэродинамических трубах, как моделей автомобилей, так и натурных образцов.

К удивлению многих автолюбителей и почитателей тюнинга, антикрыло и спойлер – разные по своему назначению устройства. Проведем небольшой экскурс в мир аэродинамики автомобиля, чтобы понять роль спойлера и заднего антикрыла.

Из теории аэродинамики

Антикрыло, что явствует уже из названия, является противоположностью крыла. Главный принцип работы крыла – создание подъемной силы. Разница давлений между нижней и верхней плоскостью профилированного тела была описана Бернулли. Именно профилированная форма крыла, при которой верхняя плоскость имеет большую площадь, используется в авиации для создания подъемной силы. В случае с антикрылом имеет место тот же физический процесс, но только крыло перевернуто. Таким образом, плоскость, на которой устанавливается приспособление, получает дополнительную прижимную силу. В этом и заключается основное предназначение аниткрыльев.

Как работает антикрыло на автомобиле

Площадь нижней части антикрыла больше площади верхней плоскости, поэтому воздух над антикрылом проходит быстрее. В нижней части создается область низкого давления, а в верхней – зона высока давления. Увеличению эффекта способствует расположение эпод отрицательным углом атаки. Между нижней частью и плоскостью, на которой установлено антикрыло, должно быть расстояние для прохождения воздушных потоков. Именно таким образом установка заднего и переднего антикрыльев придает автомобилю дополнительное давление на площадь контакта колеса с дорогой. Иными словами, увеличивается прижимная сила.

Немного о спойлере

Но для чего тогда спойлер? Этот термин в автомобильный мир также попал из авиации. В крыле самолета используются специальные многофункциональные интерцепторы, именуемые спойлерами. Их главное предназначение – противодействие подъемной силе. Что касается автомобильного спойлера, то это устройство для перенаправления воздушных потоков с целью уменьшения аэродинамического сопротивления. Дополнительной, но не менее важной, функцией заднего спойлера является отвод грязевых потоков. Во время движения на большой скорости позади автомобиля образовывается турбулентность, что приводит к засасыванию грязевых потоков, проходящих под днищем. Поэтому в конструкцию заднего спойлера заложена функция уменьшения турбулентности.

В автоспорте, как ни странно, спойлеры применяются для создания разряжения за автомобилем. Завихрения создают зону низкого давления у заднего бампера, что способствует увеличению прижимного усилия. Увеличивается скорость прохождения воздушных потоков под днищем автомобиля. В таком случае спойлер помогает всему кузову автомобиля выступать в роли антикрыла (нужно вспомнить закон Бернулли).

Основные характеристики

Подводя небольшие итоги, можно провести общее сравнение. Антикрыло:

• создает прижимное усилие;
• повышает коэффициент лобового сопротивления.

На гражданские автомобили монтируются только спойлеры, так как использование антикрыла ведет к возрастанию расхода топлива и, как следствие, количеству вредных веществ от выхлопных газов. Именно поэтому конструкторские бюро работают над уменьшением значения Сх (коэффициент воздушного сопротивления).

Чудеса аэродинамики

Заядлые автолюбители могут вспомнить классический аэродинамический элемент, используемый Porsche. Так называемый ducktail (утиный хвост), который получают многие заднемоторные спорткары. Название заднего антикрыла ducktail получить не может, так как не имеет расстояния между кузовом и нижней кромкой аэродинамического элемента. Но и спойлером задумка Порше быть не может, так как располагается задолго до места срыва воздушных потоков. А этот аспект – один из главных, если мы говорим об определении заднего спойлера.

Благодаря большому углу атаки ducktail значительно увеличивает прижимающую силу задней оси. А ведь именно эту роль выполняет антикрыло. Также за аэродинамическим элементом создается разряжение, что заставляет воздушные потоки скользить по кормовой части автомобиля, попутно захватывая горячий воздух с моторного отсека. Таким образом, инженеры решили две немаловажные задачи.

Многие современные спортивные автомобили имеют управляемое антикрыло. Оно не только может изменять угол атаки, но и вовсе быть единым целым с кузовом до определенного момента. Антикрыло автоматически выезжает при достижении определенной скорости, изменяет угол наклона в зависимости от тормозного усилия и интенсивности маневрирования.

Аэродинамика передней части

Несмотря на то что при упоминании спойлера у большинства людей возникает представление заднего аэродинамического аксессуара, к разряду распределителей воздушных потоков может быть отнесена даже «губа» переднего бампера. Такой передний спойлер отводит часть воздуха около дорожного полотна, направляя его обиход кузова автомобиля. «Юбка» позволяет уменьшить завихрения, которые неминуемо возникают при огибании деталей подвески, трансмиссии, выхлопной системы. Конструкторы современных авто пытаются сделать днище обтекаемым, пряча элементы под аэродинамическими кожухами.

В автоспорте применяются не только классические «юбки», но и более развитые спойлеры переднего бампера. Так называемые сплитеры, предназначение которых – отсекать наплывающий воздушный поток, пропуская его через внутренние каналы воздуховодов. Забираемый воздух может быть использован для охлаждения двигателя, тормозов либо для диффузора в заднем бампере.

В гонках на время возросшее сопротивление набегающему воздуху компенсируется увеличением мощности. Главная цель – улучшить управляемость автомобиля, устойчивость и эффективность торможения.