Pages Menu
Categories Menu

Paskelbta - 2015-08-27 | 0 komentarų

Aerodinamika

Aerodinamika

Kodėl berods panašūs ir beveik  tokios pačios masės ir tokios pačios galios automobiliai išvysto skirtingą max.greitį? Ir kodėl pas vieną per lietų per pravirus langus prilaša salonan, pas kitą ne; ir kodėl vieno galinis stiklas kaupia purvus, o kito ne? Ir kodėl berods toks pats, netgi visiškai identiškas automobilis autostradoje suryja žymiai daugiau, nei analogas su kitu vairuotoju?…

Nors automobilių gamintojai jau kelintą dešimtmetį beveik verčiasi per galvą, bandydami suderinti pirkėjams įtinkančią automobilio išvaizdą ir automobilio vidų (sėdėseną ir pan.) su aerodinamika, srities pasiekimai dėl šių prieštaravimų kol kas nėra tobuli, o daugumai eilinių eilinių automobilių naudotojų žodis „aerodinamika“ skamba beveik kaip „kosmosas“- tai kažkas, kas kažkur yra, bet manęs tiesiogiai neliečia… Tai nėra teisingas požiūris, nes aerodinamika automobiliui dažnai reiškia kur kas daugiau, nei variklio galia ar apmušalų spalva. Čia bus bandymas ir dešimtokui, ir profesoriui-lingvistui suprantama kalba paaiškinti, kas yra toji aerodinamika.

Priešistorė

Pradėsime nuo senovės istorijos :). (Jei kam įdomu vien teorija, išsyk eikite prie paskutinio skirsnio, kur vien formulės šmėžuoja).

Ligi pat aštuntojo dešimtmečio naftos krizės laikų automobilių aerodinamika mažai kam rūpėjo, išskyrus sportinių automobilių gamintojus. O ir kam galėjo rūpėti, jei tie pora kibirų benzino, reikalingų su vėjeliu nuvažiuoti iš Vilniaus Kaunan šviežiai nutiesta autostrada, kainavo beveik tiek pat, kiek dabar kainuoja pora kibirų vandens?

Pats pirmasis keturratis ekipažas, įveikęs 100km/h ribą, tą atliko dar 1899 metais. Tai buvo elektra varomas, bendros 67AG galios, kaip dabar pavadintume, motorizuotas vežimėlis. Jo „kėbulo“ forma mėgdžiojo kulkos formą, ir aerodinaminiu požiūriu tai buvo daug geresnis sprendimas, nei tuomet tarp pirmųjų automobilių vyravę modifikuotų karietų „dėžės“.  Bet atvira važiuoklė, kaip ir gerokai virš kėbulo kyšantis vairuotojas, šiai mašinai aerodinaminių savybių tikrai nepagerino. Todėl ir rezultatas tebuvo 100km/h, kai tuo tarpu šiandien mašinos su 67AG laisvai pasiekia 150km/h ir daugiau. Bet 100km/h tais laikais buvo milžiniškas greitis!

image002

Keturratis ekipažas, įveikęs 100km/h ribą (1899 metais).

Praeito amžiaus pradžioje, kaip ir laikotarpyje  tarp pasaulinių karų, į aerodinamiką nebuvo kreipiama didesnio dėmesio, nes nebuvo nei galimybių ją patikrinti (pamatuoti) praktiškai, nei kam smarkiau rūpėjo tojo oro pasipriešinimo sąlygotos sąnaudos ar galios kritimas. Paprasčiausiai tebuvo mėgdžiojamos jau žinomos lėktuvų ir dirižablių formos (aniems kriterijai irgi buvo – jei skrenda, tai geras, jei krenta – vadinasi, fu 🙂 ). Tačiau net ir tarpukaryje jau  buvo entuziastų, kurie kūrė aerodinamines automobilių formas. Žinoma, vadovaudamiesi tų laikų grožio (dizaino) supratimu, ir su tų laikų medžiagomis.  Vienas puikus pavyzdys yra ribotu tiražu išleistas Adler Triumph: kai tuo metu gamintų daugumos automobilių Cx siekė 0,7, jis vos viršyjo 0,4.

image004

Adler Triumph

image006

Adler Triumph

Pats pirmasis automobilis, pralaužęs tuos aerodinaminius „ledus”, buvo  1921m Edmundo Rumplerio sukurtas „Tropfenwagen” (lietuviškai būtų daugmaž „Lašmobilis”). Kai 1978m Volkswagen kompanija atliko išlikusio egzemplioriaus aerodinaminius tyrimus, paaiškėjo,  kad jo Cx tėra 0,28. Kaip ir dauguma „šiuolaikiškų ir modernių” aparatų, iš kurių šią ribą pasiekia toli gražu ne kiekvienas „modernusis”; taip ir tais laikais tai buvo nesuprasta „balta varna”. Kam to reikia? Jo automobilio „paslaptis” glūdi tik tame, kad jis didumą priešpriešinio oro srauto praleisdavo per savo šonus, o ne virš ar apačioje kėbulo; ir už automobilio srautai gan dailiai susiliedavo, nesukeldami didesnės turbulencijos.

image008

„Tropfenwagen“

Nuo ~1930-ųjų metų, kai daugmaž masiškai buvo pradėtos organizuoti ilgų distancijų  lenktynės, kuriose skirtumas tarp automobilių finišų buvo nebe paros ar valandos, o minutės ir sekundės, automobilių gamintojai ėmė ieškoti kelių laimėti tas minutes ir sekundes. Paaiškėjo, kad ilgesnėse distancijose, ypač jei kelias nėra tiesus,  variklio galios kėlimas nėra efektyvus (nes jis sąlygoja mašinos masės augimą, didesnį reikalingą vežtis kuro kiekį, dėl didesnės masės didesnes išcentrines jėgas posūkiuose ir pan.); kur kas efektyviau buvo mažinti automobilio masę, ir ypač gerinti aerodinamiką, kad automobiliai būtų kuo lengvesni, kuo geriau prispaudžiami prie kelio, kad kuo mažiau vartotų kuro (kad sustoti reiktų tik sudilus padangoms ar kaladėlėms, o ne pasibaigus kurui), ir kad leistų pasiekti kuo didesnį max.greitį. Tarpukaryje šiuo klausimu konkuravo daug komandų, pokaryje daugiau nei dešimtmetį su nedidelėmis išimtimis karaliavo Alfa Romeo. Tai (ne Alfa, o reikalavimai automobiliams) privedė ligi to, kad dauguma šiandieninių sportinių bolidų kaip Lamborghini, Bugatti ar Ferrari Cx turi 0,35-0,38 ribose ir jau vien dėl to ryja sąlyginai daug kuro, kai tuo tarpu dauguma šeimyninių lengvųjų automobilių telpa ribose ligi 0,32 J . Bet lenktyninės mašinos turi didelį Cx ne tam, kad sudeginti kuo daugiau kuro. Oro pasipriešinimas  visokių (tame tarpe ir su valdomu atakos kampu) spoilerių bei difuzorių yra naudojamas pagerinti aušinimui ir padidinti prispaudžiamajai jėgai, o ne kad išdeginti kuo daugiau benzo, kaip kad “amerikonuose”, ir ne tam, “kad geriau atrodytų”, kaip masių „tiuninguotuose” automobiliuose.

Kaip su metais vidutiniškai kito vidutinis vidutinio šeimyninio automobilio (imant visų klasių vidurkį) Cx, parodyta žemiau esančioje lentelėje.

image010

Labiau savo laikais aerodinaminėmis formomis išsiskyrę automobiliai buvo ne vien tie keli išvardintieji, buvo dar ir 1940m Tatra 87 (Cx 0,36),  1955m Citroen DS (Cx 0,38), 1959m Porsche 356 (Cx0,39), gaminti ne vienetais, o nemenkomis serijomis (DSo tiražas siekė beveik milijoną).

Aerodinamika, fizika ir istorija

Automobilių aerodinamika savo kelią skynėsi  ne laurais barstytame  take, ir jos pradžia buvo anaiptol ne Archimedo laikais. Pats pagrindinis prietaisas- aerodinaminis vamzdis- automobilių Cx matavimui masiškai imtas naudoti mažiau nei prieš pusšimtį metų.  O kitokių būdų, išskyrus eksperimentinį, nustatyti bet kokio netaisyklingos formos objekto Cx-ui nėra.

Bet jau ir prieš masinį automobilių testavimą aerodinaminiuose vamzdžiuose buvo nustatyti ir kai kurių geometrinių figūrų Cx, ir absoliutus Cx, už kurį mažesnio būti negali.

Absoliučiai mažiausias gamtoje įmanomas Cx yra lygus 0,04; jį duoda figūra, primenantį smarkiai ištęstą vandens lašą, ir joks kūnas negali turėti mažesnio oro pasipriešinimo. Iš žmogaus sukurtų daiktų, panašų profilį teturėjo II-ojo pasaulinio ikigarsinių naikintuvų sparnų skerspjūvis (tiek viršgarsinių naikintuvų, tiek ikigarsinių bombonešių ar keleivinių lėktuvų sparnų skerspjūviai dėl kitokių jiems keliamų uždavinių turi gerokai kitokį Cx).

Daugumos “kasdienių” geometrinių figūrų oro pasipriešinimo koeficientas  (Cx) yra nustatyti; pvz. sferos, kuri daugumai atrodo aptakiu kūnu, Cx yra net 0,47.

Kubas, atsuktas oro srautui briauna, sukelia  pasipriešinimą, lygų  1,05. To paties kubo, atsukto bet kuriuo smaigaliu priekin, Cx krenta ligi 0,8. Įprastos plytos (kurią formomis mėgdžiojo aštuntojo dešimtmečio automobiliai arba sekančio dešimtmečio „Volvo”, o amerikiečiai ir iki šios dienos) pasipriešinimas didele dalimi panašus į kubo, bet priklausomai nuo pasukimo prieš srautą kampo bei ilgio/aukščio/pločio santykio, įvairuoja 1,1-0,55 ribose (jei „plyta” netampa „sija” ar panašiu geometriniu prajovu, ir tebeišlaiko atitinkamas geometrines proporcijas). Gal todėl plyta dažnai ir skrenda geriau ir toliau, nei kubas :D.

Fizika

Dujų (kitaip- oro) pasipriešinimui jose esančio kūno judėjimui apskaičiuoti naudojama formulė

image012

Čia F- oro pasipriešinimo jėga (kitaip sakant, pasipriešinimui nugalėti reikalinga variklio galia), Cx- oro pasipriešinimo koeficientas (kiekvienam objektui nustatomas tik eksperimentiniu būdu), ro- dujų (šiuo atveju oro) oro tankis (vid. 1,23kg/m³), V- kūno judėjimo greitis m/s, S- maksimalaus skerspjūvio plotas, išreikštas kvadratiniais metrais.

Nors šios formulės veikimą dauguma suvokia empiriškai jau nuo vaikystės, ne vienas yra lenktyniavęs dviračiu ar slidėmis pavėjui ir prieš vėją, bet naudinga  bus leistis ir į kai kurias smulkmenas.

Iš formulės akivaizdžiai matome keletą dalykų. Pirmas dalykas, tai oro tankis. Kuo šilčiau, tuo oro tankis mažesnis, nes įšilę dujos retėja J . Tuo turėtų būti mažesnė ir dujų (oro) pasipriešinimo jėga. Bet formulėje matosi, kad dujų tankio pokytis procentu ar keliais  pasipriešinimo jėgai teturi minimalią įtaką. Todėl šiltas yra oras, ar šaltas, ne rekordiniams užvažiavimams galima nė neatsižvelgti (nors net ir rekordiniams šaltas oras yra geriau, nes variklis gauna daugiau deguonies. Todėl, nežiūrint į kažkiek padidėjusį oro pasipriešinimą, visus rekordinius užvažiavimus su vidaus degimo varikliais stengiamasi atlikti šaltu metų laiku).

Kitas iš formulės automobilininkui akivaizdus dalykas yra tai, kad jei jau nusipirkai kažkokį automobilį, tu esi pririštas prie jo S ir Cx. Tiesa, jei S galima kažkiek pakeisti  brutaliais metodais (pvz. nusukant išorinius veidrodėlius ar žeminant pakabą), tai Cx šiek tiek galima pakeisti ir be kraujo. Panaudojant tiksliai apskaičiuotus galinį ir priekinį spoilerius, pridengiant galinių ratų arkas ir pan. O didžiausią įtaką oro pasipriešinimui turi automobilio greitis. Jei kaip pavyzdį formulėje tam pačiam automobiliui paimsime 30m/s (~110km/h) ir trečdaliu didesnį, 40m/s (~140km/h) greitį, pamatysime, kad oro pasipriešinimo jėga (taigi, ir vien tam nugalėti sunaudojama variklio galia) padidėja beveik 1,8 karto. Beveik tiek pat pašoka ir kuro sąnaudos, nors distancija įveikiama vos trečdaliu greičiau. O tuos papildomus 10m/s laisvai gali sukurti ir priešinis vėjas…

Todėl aerodinamika tampa ypač svarbi ilgesnėse distancijose. Vienas iš šios pakraipos pavyzdžių yra „Aerocivic”- prailgintas Civic’as, turintis vieną mažiausių pasaulyje Cx (anot vienų šaltinių, vos 0,15, anot kitų- „net” 0,17, bet jau ir tai yra prie pat serijiniams automobiliams įmanomos pasiekti apatinės Cx’o ribos) plente naudojantis vos 2,5ltr/100km benzino, bet absoliučiai nepatogus parkuotis prie „Maximos” Plačiau apie jį paskaityti galima  kad ir  http://www.aerocivic.com/ ; apie panašų projektą http://ecomodder.com/forum/showthread.php/project-geo-metro-boat-tail-prototype-15-mpg-10691.html   Jau vien iš formų aišku, kad daug pasekėjų šiandien pat jie neįgis, bet juk visų automobilių gamintojai pamažu  artėja prie panašių formų… 😀  Žr. kad ir Hondą Insight, kurios Cx yra vos 0,25.

image014

„Aerocivic”

image016

„Aerocivic”

Šios formos nėra laužtos iš piršto.

Apie dešimtadalį dabartinių automobilių oro pasipriešinimo sudaro paviršiaus (kitaip tariant, dažų dangos) pasipriešinimas, dar dešimtadalį- vidinis pasipriešinimas (kaip tas oras praeina per variklio skyrių ir saloną), o likusią dalį- pačios automobilio kėbulo formos pasipriešinimas. Kažkiek tame lemia automobilio priekio forma, kažkiek- nepridengtos dugno detalės (tiek visos šakės lankstai traukės, tiek išmetimo sistema ar atsarginis ratas), bet absoliučiai didžiausia visų aerodinaminių nuostolių dalis susidaro automobilio gale; kur susidaro oro išretėjimas, tiesiog “siurbiantis” automobilį atgal. Žemiau esančiuose paveikslėliuose parodyti standartinio sedano ir sportinio automobilio sukuriami oro srautai. Raudonai pažymėtos aukšto oro slėgio zonos, mėlynai- oro išretėjimas.

image018 image020

Ir jei priekyje aukšto slėgio zoną galima kiek sumažinti nedidelio spoilerio pagalba (kuris, priešingai nei didelis, nors ir padidina frontalinį Cx’ą, bet dėl mažesnio po dugnu pratekančio oro srauto ženkliai sumažina sūkuriavimą automobilio gale), tai gale oro išretėjimą galima kontroliuoti praktiškai vien automobilio galo formos pagalba. Yra apskaičiuota, kad ideali galo forma, beveik eliminuojanti tą išretėjusio oro zoną, turėtų atitikti 3-ąją kreivę:

image021

Bet dėl formos nepraktiškumo (tiek nepatogumus sukeliantis bendro automobilio ilgio augimas, tiek ir komplikuotas praktinis tokio mažo aukščio erdvių panaudojimas), serijiniuose automobiliuose forma nenaudojama. Kadaise pagrinde buvo naudojama forma nr.1; vėliau ir po šiai dienai, vyrauja forma nr.2, kuri nors ir tolima nuo idealios, bet kur kas praktiškesnė už trečiają, ir leidžia žymiai sumažinti oro sūkuriavimus ir išretėjimus mašinos gale lyginant su pirmąja, nes oro srautas nuo kėbulo atitrūksta kur kas toliau. Tuo pačiu tikslu- kad oro srautas kuo toliau atitrūktų nuo kėbulo, ir leistų nors šimtąja sumažinti Cx, bei kad nebūtų apnešamas galinis stiklas, daugumoje mašinų su chečbeko ir ypač universalo kėbulais jau gamykloje virš galinio stiklo būna įtaisomi spoileriai arba deflektoriai. Sedanuose bagažinės liniją stengiamasi užbaigti aštriai ar netgi su nedideliu iškilimu; tam pačiam tikslui- sumažinti turbulenciją ir išretėjimus už automobilio – tarnauja ir mašinos galo siaurėjimas.

image022 image024

image025 image026

Vien dėl netikusios galo formos toks iš pažiūros aptakus Moskvič 2141 turėjo Cx═0,47 !

Kas nori plačiau pasiskaitinėti apie visokius spoileriukus, gali žvilgtelti kad ir http://www.autozine.org/technical_school/aero/tech_aero.htm ar  http://www.autos.lt/index.php?subj=readtopic&id=40

Tiek būtų “apie aerodinamiką paprastai” .Automobilių aerodinamika- tai ne vien frontalinis oro pasipriešinimas, bet ir šoninis pasipriešinimas vėjui, ir keliamoji galia (dėl kurios ratai praranda sukibimą su keliu), aerodinaminiai triukšmai ir daug kitų “smulkmenų”, bet kas norės gilintis į šias džiungles, tam teks rekomenduoti pasiieškoti specializuotos literatūros ir specializuotų puslapių. Šis straipsnelis nepretenduoja nei į disertaciją, nei į išsamumą. Tai tik tekstas paviršutiniškam eilinio automobilisto susipažinimui su pačia klausimo esme; kad “aerodinamika” nebūtų vien tuščias garsas.

 proffanas © 2010

Šaltinis: http://www.citrina.lt

Viršelio nuotrauka paimta iš http://fr.wikipedia.org

Komentarai

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *