Аэродинамические силы. Коэффициент Cx

Для многих из нас понятие "тюнинг" обязательно включает в себя навеску спойлеров и антикрыльев. Притом не меньшему количеству людей известно, что идеальная обтекаемая форма напоминает каплю. Да и в конструкторских бюро зарплату платят не просто так. Что же мешает конструкторам с самого начала либо сделать автомобиль каплевидным, либо навесить на него все эти спойлеры, раз уж они так хороши?

Вам никогда не приходилось летать на машине? Не в смысле "очень быстро ездить", а именно летать. Если приходилось - поздравляем с тем, что вы это пережили. Если нет, то можете сказать спасибо аэродинамике. И тому, что вашу машину решили сделать чуть менее экономичной, но зато более устойчивой.

Аэродинамические силы

Описывать воздействие воздуха на автомобиль принято тремя составляющими, которые направлены по продольной оси машины (X), перпендикулярно к ней по горизонтали (Y) и вертикали (Z). При движении особенно важны сопротивление воздуха и подъемная или прижимающая силы. Заметное воздействие боковой составляющей может появиться только в случае очень несимметричного кузова, что редкость, либо при боковом ветре - а это довольно сложно предсказать.

Критическое воздействие на автомобиль боковой ветер может оказать, если создаст разворачивающий или кренящий момент. Для машин большой площади, как минивэны, это неизбежно.

Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, - снижение лобового аэродинамического сопротивления. Вам наверняка приходилось идти против ветра, и вы замечали, что с ростом скорости увеличивается и сопротивление воздуха. То же происходит и с автомобилем, причем гораздо более ощутимо из-за больших размеров и скорости. Сопротивление воздуха рассчитывается по формуле:

F=0,5*Cx*S*p*v ²

S - площадь проекции автомобиля на вертикальную плоскость. p - плотность воздуха. V - скорость. Она в этой формуле в квадрате - то есть когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Audi A8 при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 191 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы только на это 331 л.с.

Коэффициент Cx (в английском его обозначают Cd, а в немецком - Cw) определяется экспериментально, и он-то и есть главная величина, которая описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины, однако, как выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной на самом деле ее Cx равен примерно 1,2. Самый низкий Cx у капли - примерно 0,05.

При нормальной эксплуатации автомобиля важнее всего его сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива. Снизить его можно двумя способами: либо улучшить форму (что выразится в снижении Cx), либо уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми все еще сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра, смена профиля местности. Зато влияние они оказывают небольшое.

О важности аэродинамики задумались еще в начале XX века, и уже тогда появились первые модели с улучшенной аэродинамикой. Некоторые из них были сделаны в форме капли - она и обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Однако уже тогда стало понятно, что ездить в такой машине неудобно. Поэтому в серийных автомобилях стали использовать отдельные элементы каплевидной формы: делать покатый задок и округлять переднюю часть. Топливный кризис семидесятых сделал вопрос аэродинамики особенно актуальным. Примерно в это время практически все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент таких лабораторий - аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные автомобили обдуваются очень сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова любого автомобиля. Так удалось достигнуть многого: у большинства современных серийных автомобилей этот коэффициент обычно равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,26-0,27. Хотя на самом деле он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова, и приведенные значения - можно сказать, идеал, которого может достичь данная модель.

Аэродинамические элементы

Однако низкое лобовое сопротивление иногда не слишком важно. Болиды "Формулы-1", как ни странно, имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колеса. Но дело даже не в этом. Для них важнее другие параметры и прежде всего - прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колес с дорогой, а также устойчивость в повороте. Поэтому для F1, да и для остальных гоночных и спортивных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это самой формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья. Первые просто отражают или перенаправляют поток воздуха. А вот если элемент обтекается воздухом со всех сторон, то это антикрыло.

Чаще всего для снижения подъемной силы используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление в этой зоне, так что машина, грубо говоря, присасывается к дороге. Когда-то на гоночных автомобилях Chaparral Джим Холл даже ставил вентиляторы для отсасывания воздуха из-под днища, но затем такое решение было запрещено правилами. Спойлер на крышке багажника ставят не только ради создания прижимной силы, но и для организации срыва воздушного потока до того, как он начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А вот антикрыло работает на создание прижимной силы в чистом виде. Оно имеет сходный с обычным крылом профиль, но перевернуто. Кстати, располагаться оно может где угодно, даже под днищем. Как на BMW Z1, где его роль выполнял... глушитель. Он расположен поперечно и имеет аэродинамический профиль.

От этих элементов мало проку в пробке, да и при обычном движении в городе. Заметный эффект они создают только при скоростях порядка 120 км/ч и выше. При этом надо иметь в виду, что выигрывая в одном, мы можем проиграть в другом. Работающий на создание прижимной силы воздух создает более заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом скорее всего будет ниже, а расход топлива - больше. Правда, если автомобилем занимались всерьез, то скорее всего и мотор у него будет помощнее, и передаточные числа трансмиссии другие, так что проигрыш будет компенсирован.

Но это все про тот случай, когда аэродинамические элементы действительно хоть как-то проверяли и настраивали. Сейчас доводкой автомобилей занимаются все кому не лень, можно найти варианты на любой вкус и кошелек. И многие из них делают в буквальном смысле "на глазок". Они хороши в тех случаях, если вам просто нужно изменить внешность машины. Если относиться к делу всерьез, то нужно выбирать комплекты, которые уже опробованы -- продуты в аэродинамической трубе, что вообще-то стоит недешево, или испытаны на полигоне. И лучше будут именно комплекты, детали которых рассчитаны на совместную работу.

Параллельные потоки

Доводка кузова с точки зрения аэродинамики часто имеет целью не только снижение расхода топлива или улучшение устойчивости. Гораздо заметнее типичному автовладельцу другие аспекты обтекания кузова воздухом. Например, насколько это сказывается на загрязнении кузова. Это касается зоны, где располагаются ручки дверей, и, конечно, заднего стекла. Иногда вопрос решается как бы сам собой. На "Москвиче-2141" были подобраны такой угол наклона двери багажника и длина крыши, что грязь туда просто не попадает. Не попадала она и на заднее стекло "Таврии" - только там его защищал маленький щиток под бампером. А вот на "самарах" 2108 и 2109 этот вопрос пришлось решать с помощью "дворника". Ради улучшения прижимной силы на крыше отформовано ребро. На нем воздушный поток срывается, и образуется зона пониженного давления, в нее засасываются брызги из-под машины. Можно перенаправить поток козырьком, но... тогда исчезает полезный эффект от ребра на крыше. Решайте сами, что для вас важнее: управляемость и ограничение видимости назад или чистое стекло и заметно возрастающий риск заноса на высокой скорости. Кстати, частично вопрос можно решить с помощью боковых дефлекторов.

Некоторые аэродинамические элементы становятся деталями фирменного стиля. В течение многих лет задние фонари на Mercedes-Benz имели ребристую поверхность. Грязь оседала на выступающих ребрах, оставляя чистыми участки между ними, и свет стоп-сигналов и габаритов был виден лучше. Вот до каких глубин может дойти пытливая мысль конструкторов!