Соперник ветра

Вот с каким противником автомобиль имеет дело. Приопустим стекло, подставим ладонь ветру - ощутимо давит? Если менять угол, под которым ладонь атакует ветер, можно обнаружить и вертикальную силу - как на крыле самолета.

Силы вертикального и поперечного направлений, дестабилизирующие машину, важны не меньше сопротивления. Кому понравится автомобиль, на 250 км/ч выходящий из-под контроля! Он должен быть устойчивым, не рыскать, не "соскальзывать" в поворотах, при порывах бокового ветра, разъезде со встречной машиной, въезде в тоннель и т. п. Да еще иметь просторный салон при небольших габаритах и при этом отвечать эстетическим требованиям дизайнеров! Полностью рассчитать его обтекаемость, заранее все увязать, увы, невозможно. Машину доводят в аэродинамической трубе, затрачивая огромные деньги.

Между тем, мода заставляет людей покупать сомнительные "прибамбасы", влияющие на аэродинамику. Сечение псевдокрыла часто совсем не похоже на крыльевой профиль: нарисовавший его дизайнер думал только об изяществе линий! К счастью, большинство "жертв рекламы" быстрее 160-180 км/ч не ездит - и действие какого-нибудь безграмотного "антикрыла" мало ощутимо. Если же автомобиль быстроходнее, неосторожные игры с аэродинамическими предметами чреваты печальными последствиями.

Даже серьезные фирмы не застрахованы от ошибок. Помните первые шаги " Ауди ТТ"? Не сразу его "научили" крепко держаться за дорогу. Но у такой фирмы побольше возможностей устранять промахи, чем у частного владельца - у него в списке "расходных материалов" может оказаться жизнь.

Вычислить прижимающую силу крыла не просто: не владея основами этой науки, автомобилисты, случается, спорят до третьих петухов. Поэтому приведем простой пример из параллельной области техники. У бомбардировщика В-1В площадь крыла 181 м2. Взлетный вес - 216 тонн. Самолет сверхзвуковой, но взлетает-то при скорости меньше 300 км/ч. Значит, каждый квадратный метр крыла несет груз в 1,2 тонны. Но некоторые спортивные автомобили ездят и быстрее, - так что их обтекатели, спойлеры, антикрылья инженеры "доводят" весьма дотошно. Хорошее антикрыло площадью всего треть квадратного метра способно создать прижимающую силу в четыре центнера, а то и больше.

Но иной "гонщик" может купить высокоэффективное антикрыло, а поставить его неправильно - например чрезмерно вынесет назад. На высоких скоростях передняя ось машины разгружается, автомобиль может стать неуправляемым. Утешает, что зачастую "крыло" помещают в зону срыва ("аэродинамическую тень" кузова), где оно практически не работает.

ЗАКОН "КВАДРАТА"

К счастью для загадочной русской души автомобилей, делающих 300 км/ч, у нас мало. Зато хватает тех, которым по плечу 180-200. А мысль о том, что "обвешанный" автомобиль на такой скорости может не послушаться руля, иные головы никогда не посещает. Зря что ли деньги уплачены на зависть соседям!

"Проколы" обтекаемости заявляют о себе громко лишь на высоких скоростях. Силы сопротивления воздуха растут пропорционально квадрату скорости потока - V2. Ведь затормаживая поток (например, плоским щитом, как на рис. 2), мы переводим его кинетическую энергию в дополнительное статическое давление. При плотности воздуха 1,3 кг/мз повышение давления от торможения потока ("скоростной напор") составит 1,3.V2/2=0,65V2 Н/м2.

Чтобы определить силу давления потока на щит (то есть аэродинамическое сопротивление), остается лишь умножить полученное давление на площадь щита S.

Допустим, S=1,8 м2 (лобовая площадь сопротивления "Жигулей"). Тогда скоростям 50, 100, 150 и 200 км/ч соответствуют силы сопротивления 226, 903, 2031 и 3611 Н - закон "квадрата". Удвоив скорость,учетверяем силу.

Кстати, определение величины S (рис. 1) - не самая простая задача. Делают это с очень высокой точностью на лазерном стенде.

Квадратичная зависимость аэродинамической силы от скорости потока порой вводит нас в заблуждение. Например, проехав по маршруту туда и обратно со скоростью 90 км/ч, вы забыли о слабом (20 км/ч) ветре, дующем вдоль трассы. Но в одном случае поток бьет в лоб машине со скоростью 70 км/ч, а в другом - 110 км/ч! Силы сопротивления пропорциональны квадрату скорости, а мощность на ведущих колесах - кубу. В итоге средний расход топлива больше, чем при скорости 90 км/ч в штиль. Ни дать ни взять - бензин, унесенный ветром!

Управляя автомобилем, объективно оценить силу и направление ветра, дующего над дорогой, трудно. Общее правило: встречный ветер отнимает больше, чем "дает" попутный той же силы.

НЕ ТОЛЬКО "ЦЕ-ИКС"

Только ли скоростным напором определяется аэродинамическая сила? Оказывается, нет! Огромную роль играет форма тела, подставленного потоку (рис. 2). Встретив щит, воздух не станет бесконечно скапливаться перед ним (а) - он пойдет в обход препятствия, образуя за ним вихри (б). Дополнительные движения струй требуют затрат энергии, и аэродинамическое сопротивление плоского щита намного (примерно на 17%) больше того, что дало полное торможение потока! Значит, для получения истинных сил сопротивления следует умножить полученные раньше значения на 1,17. Вот этот коэффициент, учитывающий форму тела, называют коэффициентом аэродинамического сопротивления - Сх. Одно из наиболее удобообтекаемых тел - удлиненная "капля", для которой Сх=0,04.

Каков же Сх реального автомобиля? Даже у самых непритязательных начала ХХ века - около 0,8. У символа советской эпохи - "Жигулей" - получше: 0,52-0,53. Для сегодняшнего дня многовато.

А вот результаты продувок в аэродинамической трубе НТЦ ВАЗа автомобилей "десятого" семейства: 2110 - 0,33, 2111 - 0,36, 2112 - 0,34. Это на уровне очень приличных зарубежных машин данного класса. Правда, "обмылки" некоторым не нравятся. Но законы движения воздуха-то всюду одни и те же! Считаясь с ними, непросто создать внешне оригинальную машину. А если не очень считаться?

В России до сих пор популярны автомобили "самарского" семейства. После "классических" ВАЗов показалось, что стремительные "восьмерка" и "девятка" - огромный шаг вперед. На деле революции не получилось. Хотя Сх=0,47 все же меньше, чем 0,52, он гораздо выше, чем сегодня имеют небольшие машины "гольф-класса". Даже самая "навороченная" из "самар" - VAZ 2115 аэродинамически продвинулась недалеко: Сх=0,435. Впрочем, техника развивается: все больше появляется автомобилей, у которых отличная аэродинамика сочетается с броской внешностью.

Если кому-то любопытно, для чего мы вспомнили о Сх, заметим: фактическое сопротивление "десятки" (даже с учетом большей, чем у "классики", лобовой площади) при одинаковых скоростях на 33-34% ниже, чем у "Жигулей". Отсюда улучшение скоростных и динамических показателей.

ПО КИРПИЧИКУ

А из чего складывается величина Сх?

Первое - сопротивление давления или формы. Иногда это до 60% общих аэродинамических потерь. Поток, бьющий "в лоб" автомобиля, несколько уплотняется, затем струи расходятся. Позади "сольются" не сразу - здесь видна зона общего срыва с мелкими завихрениями воздуха. Движению машины препятствует повышенное давление воздуха спереди и пониженное сзади.

В некоторых случаях по краям скоса задней части кузова индуцируются мощные вихревые "трубки" (рис. 3): они еще больше понижают статическое давление и существенно увеличивают потери. Сделать плавно спускающуюся (в подражание крыльевому профилю) "корму" - нереально, особенно для автомобилей малых классов. Один из способов борьбы с вредными вихрями - преднамеренный срыв потока, например небольшим спойлером (как на фото 1, 2 и рис. 4). Шлейф срыва (темный "мешок" на фото) отнимает меньше энергии, чем мощные вихри. На небольших автомобилях такой прием используют особенно часто.

К сопротивлению формы можно отнести потери при обтекании выступающих деталей - зеркал, брызговиков, приоткрытого люка и т. д. Навешивая на машину модные прибамбасы, обув ее в широкие шины и т. п., Сх недолго увеличить процентов на 15.

Обладая некоторой вязкостью, воздух "прилипает" ко всем поверхностям машины - а этот тонкий слой частично притормаживает соседние и т. д. В результате потери от трения воздуха могут достигать 20% общих. Это справедливо, по крайней мере, для автомобилей с малым Сх - особенно немытых. Но владельцы УАЗа, КамАЗа, или "Хаммера" могут быть спокойны: эта техника к грязи индифферентна.

Наконец, есть внутренние потери, вызванные необходимостью охлаждать двигатель, тормоза, вентилировать и отапливать кузов.

Специалисты-аэродинамики изучают и множество других вопросов. Например, как ведет себя машина в условиях косого обдува (при боковом ветре): насколько устойчива, управляема и т. д. Важно также, какие силы действуют на кузов в вертикальном направлении, какие моменты относительно осей они создают. Ни на каких скоростях подъемная сила кузова не должна разгружать колеса - автомобиль не самолет, его задача надежно двигаться по дороге. Поэтому стремятся упорядочить воздушные потоки снизу автомобиля (от них зависит до 15% общего сопротивления). Не обойтись без аэродинамики при доводке машины с точки зрения экономичности, при выборе передаточных чисел трансмиссии и так далее. Не гнушается наука и мелкими вопросами вроде правильной работы "дворников", рационального отвода дождевой воды, уменьшения шума от стоек, уплотнителей и т. п. Перечень задач можно продолжать...

Рис. 1. Площадь лобового сопротивления S - то же, что площадь проекции машины на поперечную плоскость.

Рис. 2. Полное торможение потока плоским щитом без учета других видов движения воздуха - "а", реальная картина - "б".

Характер обтекания современного кузова. За багажником - "организованный" шлейф срыва. Больших вихрей нет.

Небольшой спойлер над задним стеклом обеспечил чистый, без лишних вихрей, срыв потока у универсала.

Рис. 3. Образование мощных вихрей - явление нежелательное. Увеличивает разрежение за "кормой" автомобиля и сопротивление воздуха, снижает нагруженность задней оси.

Продувка модели грузовика.

Рис. 4. Характерные аэродинамические элементы. Спойлер (интерцептор) - щиток той или иной формы, выдвинутый в поток воздуха с целью его срыва. За спойлером, в шлейфе срыва, давление воздуха снижено. Спойлер под передним бампером, ограничивая "продувку" кузова снизу, одновременно увеличивает нагрузку на переднюю ось. Очень логичен в паре с антикрылом над крышкой багажника, как у зеленой машины. Спойлер под задним бампером, срывая поток, может свести к минимуму образование мощных вихрей. Аналогично работает спойлер на перегибе крыши над задним стеклом красного автомобиля. А вот "мухобойка", срывая поток на капоте, понижает здесь давление. Эффект - уменьшение нагрузки на переднюю ось.

Важно понимать, что сочетание спойлера на задней кромке крыши и антикрыла над багажником лишено смысла. В шлейфе срыва антикрыло работает не лучше, чем парус в полный штиль. Хорошо еще, что вреда от него нет. Так что и в "украшательстве" надо знать меру!

Специалистам-аэродинамикам случается исследовать законы обтекания и живых объектов.