NewLink.ru - Гоночная Библиотека Главная | Контакт | ПОиск  
  Новости | О проекте | Пилотаж | Настройка | Разное | Медиа | Ссылки | Блог  
       
.
Home > Настройка >
Воздушное искусство
От NewLink.ru:

Эта статья была любезно предоставлена блогом сайта autosim.ru. Атор статьи: Евгений Костяной.
Воздушное искусство

Часть 1
Когда гоночный автомобиль проносится по залитой дождем трасе и вздымает за собой красивый шлейф из водяной пыли, когда один болид становится вплотную за другим, а потом совершает резкий маневр и через несколько секунд оказывается впереди, когда без всякой видимой причины отрываются антикрылья, тогда все вспоминают про аэродинамику. Она как магия, своего рода алхимия, волшебство. Она о том, что не видно, о том, что скрыто от невооруженного глаза, но что таит в себе огромную силу. Она многолика, поскольку воздух повсюду окружает нас. Она помогает самолетам летать, небоскребам выдерживать ураганы, лыжникам с максимальной скоростью нестись по горным склонам приняв наилучшее положение для обтекания. Но нас интересуют автомобили.

Посмотрите на болиды Эдриана Ньюи √ гениального конструктора, работавшего в Уильямсе, Макларене, Ред Булле. Его по праву считают гением аэродинамики, волшебником. Просто посмотрите на любое из его творений и представьте, как оно врезается в стену воздуха, как своими грациозными обводами направляет поток именно туда, куда нужно. Работа аэродинамика сродни работе скульптора. Нужно лишь отсечь все лишнее. Вспомните каплю, простую каплю дождя. А ведь это идеальная форма, созданная самим воздухом. Именно так он хочет обтекать движущееся в нем тело. Задача специалистов по аэродинамике создать такую форму, которую воздуху будет удобно обтекать, и, обтекая которую, он принесет максимум пользы.

Давайте рассмотрим автомобиль и попытаемся разобраться в том, как на него воздействует набегающий поток воздуха. Хотя по своей сути набегающий поток, это своеобразная условность. Ведь на самом деле автомобиль набегает на неподвижный воздух. Но такую постановку задачи неудобно рассматривать и анализировать. Поэтому свяжем систему координат с автомобилем. В этом случае воздух будет двигаться относительно автомобиля. Это так называемые эйлеровы координаты (в честь известного ученого Леонарда Эйлера).

Мы еще вернемся к нашему автомобилю, но прежде необходимо познакомиться с некоторыми основами аэродинамики, которые помогут нам в дальнейшем.

Немного теории
В аэродинамике множество формул, законов, зависимостей. Мы не будем вдаваться в это поражающее своим разнообразием обилие символов и чисел и рассмотрим лишь 2 закона.

Первый мы наблюдаем каждый день. Представьте себе кран. Обыкновенный кран в ванной комнате, из которого спокойно вытекает струя воды. Давайте взглянем на нее повнимательнее. Что мы видим? Она сужается! На самом деле все очень просто. Каждая частица воды, находится под воздействием силы тяжести. Значит, на каждую частицу действует ускорение свободного падения, и каждая частица по мере удаления от крана падает все быстрее. Давайте возьмем и мысленно рассечем струю у самого крана и на удалении от него. Через полученные сечения будут двигаться частицы воды: у крана - с малой скоростью, а на отдалении - с большой. Если площадь сечений будет постоянной, то через более удаленное сечение в единицу времени будет проходить больше жидкости, чем через менее удаленное. Но откуда она возьмется, если кран у нас всего один и напор постоянный? Поэтому площадь поперечного сечения струи уменьшается с ростом скорости течения и через каждое сечение проходит одно и то же количество жидкости. Этот простой пример отражает смысл уравнения неразрывности: чем меньше площадь сечения, через которое течет жидкость, тем больше ее скорость. А причем здесь воздух, спросите вы? Оказывается, у жидкостей и газов много общего, и поведение газа при небольших скоростях во многом повторяет поведение жидкости. Поэтому уравнение неразрывности распространяется и для газовых течений. Главное, чтобы скорости не были очень большими, поскольку в этом случае газ можно считать почти несжимаемым. При больших скоростях газ начинает сжиматься. Например, на сверхзвуке уменьшение площади сечения приведет к появлению скачков уплотнения и снижению скорости. Но поскольку мы не рассматриваем автомобили-ракеты, пронзающие воздух на соляных озерах в погоне за очередным земным рекордом скорости, поскольку даже безумно быстрый Bugatti Veyron в два с лишним раза медленнее скорости звука, мы смело можем брать на вооружение уравнение неразрывности.


Другое уравнение называется уравнением Бернулли и говорит о давлении (точнее о законе сохранения энергии, выраженном через давления). Давление бывает полным, статическим и динамическим. Полное давление складывается из статического и динамического:

Статическое давление не зависит от скорости. То есть в движущемся с некоторой скоростью потоке для того, чтобы замерить статическое давление, необходимо двигаться со скоростью потока. В этом случае скорость потока относительно измерительного устройства (манометра) будет равно нулю.
Динамическое давление , напротив, зависит от скорости. Причем, что очень важно, не просто от скорости, а от квадрата скорости.

Представьте себе неподвижный газ, находящийся в некотором объеме. Элементарные частицы газа хаотично перемещаются на микроуровне (броуновское движение). При этом они сталкиваются друг с другом и со стенками резервуара, в котором газ находится. Вот эти вот удары о стенки сосуда и создают давление. В данном случае это будет статическое давление, которое равно полному. Другими словами √ динамическая составляющая давления отсутствует.

Теперь заставим этот же газ течь по трубке с некоторой скоростью. Часть энергии элементарных частиц уйдет на движение газа на макроуровне (перемещение больших объемов). А на удары о стенки трубки, по которой движется газ, у элементарных частиц останется меньше энергии. Поэтому статическое давление уменьшится по сравнению с первым случаем на величину динамической составляющей. Вот так можно проиллюстрировать уравнение Бернулли.

Воздействие набегающего потока воздуха сводят к аэродинамическим силам. Нас будут интересовать сила лобового сопротивления, направленная против движения автомобиля, и подъемная сила, перпендикулярная плоскости, в которой движется автомобиль (отрицательная подъемная сила называется прижимной). Аэродинамические силы вычисляются по формулам:

Как любому известно из школьного курса физики, сила √ это произведение давления и площади. Но форма автомобиля очень сложна, и трудно определить, на какую площадь какое давление действует. Поэтому берут уже знакомую нам динамическую составляющую давления (ее еще называют скоростным напором) и умножают на некоторую характерную площадь (например, на площадь поперечного сечения). А все особенности и нюансы учитывает одно число √ аэродинамический коэффициент . Другими словами √ это коэффициент незнания. Вычислить его теоретически очень сложно, а единственный достоверный метод определения √ продувки в аэродинамической трубе.

Рожденный бегать летать может
Вернемся к нашему автомобилю и рассмотрим, каким образом формируется подъемная (прижимная) сила. Встретившись с автомобилем, набегающий поток воздуха раздваивается. Одна часть уходит вниз, под днище автомобиля, а другая обтекает его сверху. Рассмотрим сначала поток, устремившийся под автомобиль.

Все, что связано с движением потока под автомобилем так или иначе связано с английским словосочетанием ╚граунд-эффект╩ (эффект земли). А смысл граунд-эффекта объясняется при помощи уравнения Бернулли. Представьте себе крыло дозвукового самолета. Основная его особенность заключается в том, что профиль несимметричен, и поток над крылом должен пройти больший путь, чем поток под крылом. Таким образом, поток над крылом разгоняется, а это, согласно уравнению Бернулли, приводит к уменьшению статического давления. Разница между давлением под крылом и над крылом приводит к появлению подъемной силы. Теперь возьмем и перевернем крыло. Подъемная сила превращается в прижимную. В этом и заключается граунд-эффект: если спрофилировать днище особым образом, то поток под автомобилем будет разгоняться, что приведет к формированию зоны с пониженным давлением.

Сделать днище такой формы, чтобы оно повторяло профиль дозвукового крыла достаточно проблематично, поскольку при проектировании спортивного автомобиля все не сводится к одной аэродинамике: необходимо как можно ниже опустить центр масс, обеспечить наилучшую развесовку по осям, разместить элементы подвески, трансмиссии и т.д. Кроме того, появление зоны с низким давлением под днищем неминуемо вызовет эффект пылесоса: воздух из зоны с высоким давлением устремится в зону с низким давлением. Поэтому необходимо использовать юбки, мешающие подсосу воздуха по бокам.

Как видите, граунд-эффект требует выполнения множества условий одновременно. Реализовать их все пытались в Формуле 1 в конце 70-х √ начале 80-х. Для болидов тех времен характерны минимальный клиренс, профилированное дно, боковые юбки. Тогда же на этапе гран-при 1-й и последний раз появилось легендарное творение великого хитреца из ЮАР Гордона Мюррея - Brabham BT46B, прозванный гоночным пылесосом. На нем был установлен вентилятор в задний части, служащий якобы для охлаждения двигателя. Во всяком случае, так обосновывалось его наличие с точки зрения согласования с регламентом. Но на самом деле этот вентилятор откачивал воздух из под болида. Это давало колоссальное преимущество и позволило Ники Лауде одержать уверенную победу в дебютной для гоночного пылесоса гонке. После этого на команду обрушилась лавина протестов и дальновидный Берни Эклстоун, руководивший Brabham в те времена, снял машину с соревнований, дабы не портить себе репутацию. Благодаря граунд-эффекту болиды с одной стороны действительно стали волшебным образом прилипать к трассе. Но с другой √ его применение оказалось небезопасным, поскольку стоило автомобилю подскочить на кочке, как под него сразу устремлялся воздух из областей с большим давлением, прижимная сила мгновенно падала, и болид терял устойчивость. А если происходил контакт или по каким-то другим причинам разрушались юбки, то эффективность граунд-эффекта падала на порядок. Опасность заключалась еще и в том, что значительно возросли скорости и перегрузки, особенно в поворотах, и любая потеря прижимной силы вела к опасной ситуации. Поэтому руководством Формулы 1 использование граунд-эффекта было запрещено. Но это совсем не означает, что о нем забыли. Запрет лишь положил начало новому раунду борьбы конструкторов с регламентом. А основной принцип граунд-эффекта: разгон потока под днищем и создание разряжения, - широко применяется в автоспорте. Это мы сейчас и увидим.

Загляните под любой среднестатистический автомобиль. Что попадает нам на глаза? Элементы двигателя и трансмиссии, выхлопной и топливной систем, подвески. Все они своими выступающими частями тормозят поток, делают течение под днищем вихревым, что приводит к снижению скорости потока и росту статического давления. Поэтому, если заглянуть под спортивный автомобиль, то вы увидите ровное дно с пластиковыми накладками, скрывающими отверстия и выступающие элементы.

Вспоминаем уравнение неразрывности: чтобы увеличить скорость надо уменьшить площадь канала, по которому течет газ. Область между днищем и дорожным полотном является своего рода каналом. Значит надо уменьшить клиренс. У спортивных автомобилей он настолько мал, что зачастую мы видим, как из под дна вырываются искры, образующиеся при соприкосновении его с асфальтом. Кроме того, под автомобиль стараются пускать как можно меньше воздуха. Чем меньше воздуха попадет под дно, тем меньшее давление он сможет создать. Поэтому передний бампер спорткаров украшают массивные спойлеры, отсекающие часть воздуха, стремящегося ворваться под днище автомобиля. Цель ограничить количество воздуха, проникающего под автомобиль, преследуют и юбки по бокам, о которых уже упоминалось выше.

Неотъемлемой частью современных гоночных автомобилей стал диффузор. Диффузор √ это вариация на тему профилированного дна. Спрофилировать все дно проблематично, а в ряде гоночных серий это просто запрещено регламентом. Например, в Формуле-1 дно плоское и ступенчатое (дно в области боковых понтонов выше, чем дно в центральной части, где расположена доска скольжения). Казалось бы, реализовать хоть какое-то подобие граунд-эффекта в данной ситуации невозможно. Оказывается, возможно, благодаря использованию диффузора.

Посмотрим, что происходит в области задней части днища при отсутствии диффузора. За автомобилем находится зона разряжения. Когда поток, вырывающийся из под днища, начинает взаимодействовать с этой зоной, он резко замедляется. Это можно проиллюстрировать, рассмотрев данный процесс на микроуровне элементарных частиц. Когда частицы газа движутся под днищем, они сталкиваются, отскакивают от днища и вновь сталкиваются, передавая тем самым энергию друг другу. Одна частица может потерять энергию, подтолкнув другую, но тут же получит энергию от третьей, та от четвертой и так далее. Таким образом, скорость потока поддерживается на определенном уровне. Когда же днище кончается, частицы не могут отталкиваться от него и часть из них устремляется в зону разряжения за автомобилем. Там взаимодействие между частицами уже не столь интенсивное, как это было под днищем. Поэтому энергия рассеивается, а скорость частиц падает. В том месте, где днище заканчивается, образуется вихревая зона. В этой области поведение потока непредсказуемо, он ╚не знает╩, куда ему двигаться: то ли в прежнем направлении, толи в зону с пониженным давлением. В вихревой зоне давление резко возрастает, а скорость падает. В результате разгоняемый под днищем поток упирается в вихревую зону и теряет часть своей скорости, ну а последствия уже описывались: падение динамической составляющей давления, рост статической.

Диффузор представляет собой расширяющийся к концу болида участок днища. За счет того, что объем диффузора увеличивается, образуется зона разряжения. А вихри, которые образовывались без диффузора, уменьшаются. То есть диффузор как бы засасывает воздух из под днища и оптимизирует потоки в задней части. У диффузора кроме горизонтальных иногда имеются и вертикальные элементы, ╚причесывающие╩ поток и тем самым стабилизирующие его. У современных болидов Формулы 1 диффузор создает около 40 % прижимной силы.

С тем, что происходит под автомобилем, мы разобрались. Теперь перенесемся выше и проследим за другим потоком. Если представить, что автомобиль движется в некотором канале, то окажется, что площадь этого канала уменьшается. Поэтому скользя по капоту, проносясь над лобовым стеклом, поток ускоряется, а статическое давление падает. Проходя над крышей, поток движется с постоянной скоростью, после чего замедляется в области заднего стекла и багажника. Но, даже несмотря на замедление, скорость потока сверху все равно может оказаться выше, чем скорость потока под автомобилем. Получается некоторое подобие крыла, за счет разности давлений возникает подъемная сила, и автомобиль пытается взлететь. Для гражданских автомобилей хорошим результатом является сведение подъемной силы к нулю. Перед конструкторами гоночных болидов стоит более сложная задача: нужно прижать автомобиль к земле, создав прижимную силу. Посмотрим, что же для этого придумали гуру аэродинамики.

Во-первых, не стоит забывать о динамической составляющей давления. Рассмотрим простой пример. Возьмем тонкую пластинку и направим поток воздуха параллельно плоскости этой пластинки. В этом случае влияние динамической составляющей на поверхность пластинки минимально. Теперь придадим пластинке некоторый угол атаки √ угол между потоком и плоскостью пластинки. В авиации принято считать положительным угол атаки, образуемый вращением аэродинамической поверхности по часовой стрелке. Мы же повернем нашу пластинку на отрицательный угол атаки (так называемый угол контратаки). С одной стороны площадь воображаемого канала уменьшится, а скорость потока возрастет. Это приведет к падению статического давления. Но наша пластина не полетит вверх, поскольку кроме ударов элементарных частиц газа на микроуровне (статическое давление) на пластинку будут оказывать влияние массы воздуха, движущиеся со скоростью потока (динамическая составляющая). Поэтому пластинка будет прижиматься вниз. То же самое происходит в области капота и лобового стекла. Придав им правильную форму, можно скомпенсировать падение статического давления увеличением влияния динамической составляющей. Но ничего не проходит бесследно. Посмотрим на нашу пластинку под углом атаки повнимательнее. Кроме того, что она прижимается вниз, она стремится сдвинуться назад. Так проявляется лобовое сопротивление, о котором речь пойдет во второй части статьи. Поэтому необходимо искать компромисс между прижимной силой и лобовым сопротивлением.

Другой способ создать прижимную силу пришел прямиком из авиации. Если развернуть крыло, то вместо подъемной силы оно будет создавать прижимную. Эта идея перевернула гоночный мир с ног на голову в конце 60-х, когда нелепые антикрылья стали появляться на болидах Формулы-1. С тех пор несколько изменил вид профиль крыльев, они стали более сложной формы в плане (вид сверху), но основная идея осталась неизменной: ускорить поток под крылом и тем самым уменьшить статическое давление.

У формульных болидов антикрылья вообще играют особую роль. Аэродинамика болидов с открытыми колесами значительно отличается от аэродинамики классических автомобилей: нет привычного капота, лобового и заднего стекла, багажника. Зато есть возможность установить массивные антикрылья спереди и сзади. Они создают свыше 50 % прижимной силы современных болидов Формулы 1. Формульные антикрылья состоят из нескольких плоскостей. Это обусловлено тем, что таким образом в ограниченные габариты можно уместить больше плоскостей, создающих прижимную силу. Но есть еще одна особенность, стимулирующая применение составных антикрыльев.

Если взять обычный авиационный дозвуковой профиль и перевернуть его, то окажется, что для его эффективной работы нужны достаточно большие по автомобильным меркам скорости. Современные пассажирские самолеты взлетают на скорости 250 км/ч, а средняя скорость на гран-при Монако, где прижимная сила нужна как воздух, 150 км/ч. Плюс надо учитывать, что больше всего прижимная сила нужна в поворотах, где скорость как раз таки падает. Антикрылья можно установить под некоторым углом атаки. Но угол этот можно менять в достаточно узком диапазоне, поскольку при больших углах атаки за крылом образуется вихревая зона и значительно возрастает лобовое сопротивление. Поэтому инженеры придумали изгибать профиль. В этом случае поток, разворачиваясь, движется по дуге с некоторым радиусом и в нем возникают центробежные силы, дополнительно прижимающие антикрыло. Но гнуть крылья тоже можно в определенных пределах, поскольку при большой кривизне за ними возникает зона разряжения, способствующая вихреобразованию. Если же антикрыло сделать составным, то в щели между планками будет проникать воздух. Это позволяет уменьшить разряжение и исключить вихри.

У автомобилей классической схемы антикрыло устанавливается только сзади. Наверняка вы обратили внимание, что часто антикрылья на гоночных автомобилях расположены достаточно высоко и отнесены назад. Это обусловлено тем, что наилучшим образом крыло работает в чистом, невозмущенном потоке. Говоря об антикрыльях, следует упомянуть про торцевые пластины. Место окончания антикрыла является источником вихрей, поскольку воздух, разрезаемый крылом имеет одну скорость, а воздух, не попавший на крыло √ другую. При взаимодействии этих потоков, частицы газа начинают перемешиваться, что приводит к возникновению вихрей. Если же установить торцевые пластины, то эти потоки будут разделены.

Часто можно услышать мнение, что антикрыло и спойлер √ это одно и то же. На самом деле, это совершенно разные аэродинамические элементы. Антикрыло создает разность скоростей за счет того, что разделяет поток на две части, и эти две части потока проходят разные пути с разной скоростью. Спойлер изменяет направление потока, но не разделяет его. Он может создавать прижимную силу за счет использования динамической составляющей давления (вспомните пластинку, установленную под углом атаки).

Очень важным аспектом в создании прижимной силы является баланс √ соотношение между прижимной силой, действующей на переднюю и заднюю оси. Можно добиться большой прижимной силы за счет большого диффузора и массивного антикрыла. Но оба эти элемента располагаются сзади, а значит и львиная доля полученной прижимной силы придется на заднюю ось. Если автомобиль заднеприводный да еще и заднемоторный, то это приведет к избыточной поворачиваемости и склонности к заносу. Если автомобиль переднеприводный, то это добавит ему стабильности в поворотах. И таких комбинаций множество. Поэтому баланс - это очень тонкое искусство. Иногда приходится даже специально уменьшать прижимную силу, а то и создавать подъемную, чтобы обеспечить наилучший баланс.

Подведем промежуточный итог. Автомобили хотят летать, и перед инженерами стоит непростая задача заставить их прилипать к дороге. Для этого поток воздуха под автомобилем всеми силами стараются ускорить и удержать в стабильном, ламинарном (безвихревом) состоянии. Над автомобилем поток ускоряется и без помощи конструкторов. Его нужно обуздать и заставить работать так, как надо, при помощи правильных обводов кузова, спойлеров и антикрыльев. В этой битве важна каждая мелочь, даже такая, как зеркало заднего вида.Как видите, аэродинамика √ это искусство. Это не просто наука с сухими формулами, таблицами и графиками. За ними скрываются красивейшие процессы, которые человек издавна пытается понять и подчинить себе. Посмотрите на эскизы Леонардо да Винчи, датированные 1507 годом.

Уже там можно увидеть вихревые зоны, элементы, разрезающие поток┘ Прошло 500 лет, и гоночные автомобили, проведя сотни часов в аэродинамических трубах, пронзают воздушную стену, прижимаются к дорожному полотну и, оставляя за собой шлейф вихрей, уносятся к очередной связке поворотов.

На этом мой рассказ о подъемной силе подходит к концу. Впереди не менее интересная частица увлекательного мира аэродинамики √ лобовое сопротивление.

Часть 2

В первой части статьи речь шла об основах аэродинамики и борьбе за ньютоны прижимной силы. Но каждый ньютон силы, прижимающий болид к земле, приходит не один. Он приносит с собой величайшее зло для аэродинамики √ лобовое сопротивление.
Ненадолго представим себя специалистами, проводящими аэродинамический расчет. Правда, в настоящее время облик этого специалиста изменился. Если на заре автомобильной аэродинамики это был человек с карандашом в руках, обложенный со всех сторон результатами испытаний, то теперь это инженер, сидящий перед компьютерным монитором, на котором медленно меняются цветные картинки.

За каждой из этих картинок кроется сложнейший процесс вычисления. Он основан на том, что пространство разбивается на множество ячеек, в каждой из которых есть газ. Для каждой ячейки имеется сложная система дифференциальных уравнений, описывающих поведение газа. И каждое мгновение компьютер проводит вычисления для миллионов таких ячеек, определяя сколько газа с какими параметрами пришло и сколько его вышло. Специалисту по аэродинамике остается только наблюдать за происходящим и анализировать результаты. Мы же поступим по старинке и вооружимся нехитрыми исходными данными: знанием основ аэродинамики, горсткой технической информации и калькулятором. Зато объект исследования у нас будет непростой √ болид Формулы 1.

Как мы уже знаем, сила лобового сопротивления вычисляется по формуле:

Коэффициент аэродинамического сопротивления для современных болидов Формулы 1 находится в интервале от 0,5 до 1(в зависимости от трассы). По сравнению с гражданскими автомобилями √ это очень много. Даже для внедорожников этот показатель находится в районе 0,4. А у лучших с точки зрения аэродинамики представителей автомобильного мира коэффициент лобового сопротивления чуть меньше 0,3. Для формульных болидов это несбыточная мечта. Таким образом они расплачиваются за открытые колеса, радиаторы системы охлаждения, большие антикрылья и возможность прижиматься к дорожному полотну с силой, эквивалентной полутора тоннам.

Представим, что мы на легендарной Монце: позади 2-й Лесмо, а впереди нас ждет Аскари (если кто позабыл, то это названия поворотов, обрамляющих длинную прямую с небольшим изломом). Но до Аскари еще далеко и мы несемся со скоростью 300 км/ч (примерно 83 м/с) по прямой. Коэффициент лобового сопротивления нашего болида 0,5. Мы берем минимальное значение, поскольку храм скорости (а именно так в гоночном мире именуется Монца) не прощает большого аэродинамического сопротивления и наказывает всех, кто пренебрег этим негласным правилом, драгоценными секундами, потерянными в безуспешной борьбе с воздухом на длинных прямых королевского парка. Площадь поперечного сечения нашего болида 1,5 м2 (приблизительные данные для BMW Sauber F1.07 2007-го года). Плотность воздуха 1,23 кг/м3. Проведем несложные вычисления:

С такой силой воздух мешает нам двигаться дальше. За нашей спиной 8 цилиндров объемом 2,4 литра, которые выдают 750 л.с. (551 кВт). А как известно, мощность √ это произведение силы и скорости. Исходя из этого, мы можем посчитать, сколько же мощности, развиваемой двигателем, уходит на преодоление аэродинамического сопротивления. Итак:

То есть почти половина мощности нашего болида уходит в воздух.

А теперь сделаем непозволительное и попытаемся проехать по этому же местами укрытому тенью парковых деревьев участку на болиде с аэродинамикой для безумной городской трассы в Монако. В этом случае антикрылья состоят из максимально разрешенного регламентом количества планок, наклоненных под максимальным углом атаки. Коэффициент стал равен 1, а значит аэродинамическое сопротивление, а вслед за ним и расходуемая на борьбу с воздухом мощность, возрастают в 2 раза. Выходит, что вся мощность двигателя будет потрачена на неравную борьбу с воздушной стеной. Но ведь есть еще и трение покрышек о полотно трассы, нужно преодолевать силы инерции и все тоже трение в коробке передач и дифференциале. А на это у мотора сил уже нет. Поэтому болид с аэродинамикой для гран-при Монако просто не сможет разогнаться в Монце до 300 км/ч.


Так что же это за таинственный враг под названием лобовое сопротивление? Лобовое сопротивление складывается из двух составляющих: сопротивление трения и сопротивление давления. Рассмотрим их повнимательнее.

Еще немного теории


Множество выступов и впадин самой разнообразной формы. Что это? Это мы только что посмотрели на вполне гладкую на первый взгляд поверхность при увеличении в несколько тысяч раз. Когда воздух проходит вдоль этой поверхности, некоторые из его частичек цепляются за шероховатости, попадают во впадины и перестают двигаться вместе с остальным потоком. В результате около поверхности образуется так называемый пограничный слой, в котором скорость движения газа меняется в диапазоне от скорости потока до нуля. Следует отметить, что под частицами понимаются не молекулы газа, а небольшие объемы, содержащие множество молекул, но при этом малые по сравнению с размерами исследуемого объекта. Тормозясь в шероховатостях поверхности, воздух создает силу трения, направленную в направлении движения потока. При этом принципиальное значение имеет то, каков характер пограничного слоя.

Пограничный слой может быть ламинарным и турбулентным. Представьте газовое течение в виде множества траекторий. Если течение ламинарное, то эти траектории не будут пересекаться. При сужении потока они будут плавно сближаться, а при его расширении постепенно отдаляться друг от друга. Это наилучший режим обтекания, поскольку в нем сглажены пульсации и один слой газа почти не мешает движению другого. Если же течение турбулентное, то траектории будут хаотично пересекаться. Это приведет к тому, что в потоке будут возникать вихри и пульсации, а движение одного слоя относительно другого будет затруднено.

Вернемся к пограничному слою. Если он ламинарный, то сопротивление трения минимально, а если турбулентный, то оно значительно возрастает. За счет турбулентного пограничного слоя размеры обтекаемого тела как бы увеличиваются благодаря тому, что вокруг него образуется пелена из вихрей.

Удержать

Именно это слово, ╚удержать╩, будет занимать главенствующую роль в данной части статьи. Удержать поток в ламинарном состоянии √ вот первостепенная задача, которую нужно решить для уменьшения сопротивления трения.

Шероховатость поверхности является одним из основных факторов, турбулизирующих поток. Так что гоночные автомобили блестят не только ради красоты, но и ради эффективной аэродинамики. Так же сильно завихряют поток стыки, швы, резко выступающие элементы. Поэтому обводы гоночных болидов грациозно-плавные, чтобы не дай Бог не побеспокоить столь чувствительный к возмущениям поток. А посмотрите на стыки: идеально подогнанные элементы, маленькие ровные зазоры √ все в угоду аэродинамике.

Отрицательный градиент давления вдоль обтекаемого тела. За этой замысловатой формулировкой кроется еще один секрет, с помощью которого пограничный слой можно удержать в ламинарном состоянии. Так что же это за градиент? На самом деле ничего сложно. Было установлено, что если давление при движении по потоку падает, то это способствует удержанию ламинарного течения. А как мы помним, статическое давление падает тогда, когда растет скорость. Представьте, что вы в Испании, палит полуденное солнце, но вам совсем не до послеобеденной сиесты. Вы несетесь, в толпе обезумевших от страха и выброса адреналина людей в красном. А за толпой мчатся так же обезумевшие, но не от страха, а от полуденного зноя и красного цвета быки. Тем временем видавшая виды улочка старого города становится все уже и уже. А вы бежите все быстрее и быстрее. Рядом с вами уже не многоликая толпа, а всего несколько столь же быстрых как и вы бегунов. Остановиться нельзя, поскольку толпа и уж тем более быки останавливаться не будут и попросту вас сомнут. Вы бы рады завернуть в одну из арок или дверей, которые мелькают где-то сбоку на фасадах старинных домов, но ваша скорость настолько велика, что совершить какой-то резкий маневр вам уже не по силам. И вы продолжаете бежать все быстрее, а рядом все меньше и меньше людей в красном. И если в начале сумасшедшего забега в толпе можно было наблюдать хаотичные движения из стороны в сторону, то теперь в лидирующей группе все строго и четко: люди бегут вперед и только вперед. Похожая картина происходит и в газовом течении. Частицам воздуха не до турбулентности, когда они ускоряются и подталкиваются своими так же ускоряющимися коллегами сзади. Вся энергия идет на движение вперед, а на перемешивание сил почти не остается. Лучше всего уменьшают давление за счет ускорения потока выпуклые формы (например, все то же крыло). Поэтому обводы формульных болидов не рубленные (поток будет завихряться углами), а плавные и выпуклые; поэтому капот, крылья, лобовое стекло, крыша спорткаров из кузовных чемпионатов как бы надуты изнутри и обязательно имеют хоть небольшую кривизну.

Конечно, рано или поздно поток, неаккуратно разрезанный зеркалом заднего вида или антенной, все равно сорвется в вихревое течение, но чем ближе к корме это наступит, тем большая часть автомобиля будет двигаться в окружении ламинарных струек с низким сопротивлением трения.

Настоящим бедствием для набегающего потока являются колеса. Мало того, что их поверхность обладает большой шероховатостью, так они еще и быстро вращаются. В результате сильные завихрения и увеличение сопротивления. Кроме того, спицы на колесных дисках не дают потоку спокойно двигаться. На гоночных автомобилях можно увидеть специальные спойлеры, предназначенные для того, чтобы пустить к колесу как можно меньше воздуха. Иногда применяются щитки, устанавливаемые перед колесом. Пусть лучше поток затормозится щитком и будет потом отведен в сторону, чем он попадет на колесо и превратится в плохоконтролируемый вихревой поток. Негативное влияние спиц может быть снижено благодаря специальным накладкам √ колесным втулкам, широко применяемым в Формуле 1. Они закрывают спицы и тем самым снижают их негативное влияние.

                

Война компромиссов

Другая составная часть лобового сопротивления √ сопротивление давления, - возникает из-за того, что поток под каким-то углом налетает на элементы автомобиля и оставляет им часть своей кинетической энергии. Так дает о себе знать динамическая составляющая давления

Первый и самый очевидный способ снизить сопротивление давления √ это уменьшить площадь той поверхности, на которую воздействует поток. То есть поставить горизонтально антикрылья (а лучше вообще их отбросить), широкие и цепкие покрышки заменить на узкие, сделать минимальной ширину болида, убрать зеркала, камеры. Как видите, сплошные жертвы, которые приведут к снижению подъемной силы, снижению сцепления с трассой, снижению устойчивости в поворотах. Истинный путь лежит где-то посредине и овеян туманом. Его никто не видит, но все предполагают, что он где-то рядом. Вот на поиски это пути и уходят сотни часов исследований в аэродинамических трубах и виртуальных экспериментов на мощнейших суперкомпьютерах.

Другой путь не столь кардинален, но еще более трудоемок. Он заключается в создании оптимальной формы. Ведь все не сводится только к площадям поперечных сечений. Одно дело обтекать кирпич, а другое дело √ крыло с такой же как у кирпича площадью поперечного сечения. Одно дело направить поток на крыло под углом в 45╟, а другое, предварительно аккуратненько повернуть его спойлером так, что на крыло он придет уже под углом в 10╟. Поэтому на хэтчбэках часто можно видеть комбинацию из спойлера и антикрыла. В добавок ко всему, за счет спойлера можно добиться того, что во время дождя капли не будут попадать на заднее стекло. Они будут сдуваться потоком, направленным спойлером, еще до соприкосновения со стеклом. И как это может помочь нам в снижении лобового сопротивления, спросите вы. Давайте задумаемся, как часто мы видим дождевые гонки? Так складывается, что не очень и большинство этапов все же проходит посуху. А стеклоочистители (в простонародии дворники) являются прекрасными источниками лобового сопротивления, поскольку поток цепляется за них, тормозится, завихряется. Гоночные автомобили редко стоят на месте и большую часть времени, когда работа дворников все же нужна, они находятся в движении. Поэтому дворник, расположенный на заднем стекле хэтчбэка, можно выбросить, а вместо него поставить спойлер, который будет выполнять функции стеклоочистителя, создавая при этом меньшее сопротивление.

Еще один способ элегантен и прост, как все гениальное. В авиации ходит поговорка: самолету мешают летать крылья. И это чистая правда, поскольку крылья таких размеров нужны лишь для того, чтобы взлететь. В дальнейшем скорость растет, и необходимая подъемная сила может создаваться в два раза меньшими крыльями. Так же и гоночным болидам крылья нужны в быстрых поворотах, где имеется достаточная скорость для создания прижимной силы. На прямых крылья только мешают разгону. Но у материалов есть замечательное свойство √ упругость, благодаря которому конструкции могут изменять свою форму, а затем принимать прежний вид. Эту идею взяли на вооружение формульные инженеры. На прямых, где скорость большая, под напором набегающего потока крылья отгибаются, создавая меньше сопротивления. В поворотах, где скорость становится меньше, крылья принимают первоначальное положение и создают большую прижимную силу. Идея красивая, но, как это часто бывает, небезопасная. Думаю, многим памятны отрывающиеся крылья на болидах Формулы 1. Это во многом было следствием экспериментов с гибкими аэродинамическими элементами. В итоге появился еще один пункт технического регламента, запрещающий использовать гибкие антикрылья. Естественно, ничего абсолютно жесткого нет, и крылья гнутся. Но гнутся в строго определенных регламентом рамках.

На дне
Мы уже представляли автомобиль в виде крыла. Теперь его ждет очередное перевоплощение. На сей раз он будет поршнем. Поршень - это элемент конструкции, работающий за счет разности давлений. Взять тот же двигатель внутреннего сгорания. С одной стороны есть давление в камере сгорания (десятки атмосфер), с другой √ атмосферное давление. Поршень перемещается под действием большего давления в сторону меньшего.

Смотрим на автомобиль. С одной стороны набегающий поток давит на его носовую часть. С другой - за автомобилем образуется зона разряжения, поскольку поток не успевает занять пространство непосредственно за ним. Давление в зоне разряжения гораздо меньше, чем то, что действует на переднюю часть. В результате получается своеобразный поршень, препятствующий движению вперед. Это так называемое донное сопротивление. Вспомним каплю √ идеальную аэродинамическую форму, созданную самой природой. Разряжение за каплей, благодаря ее сужающейся форме, минимально. Поэтому создателям автомобилей нужно стремиться к каплевидной форме задней части. Но здесь вступают в действие конструктивно-компоновочные соображения, согласно которым кроме аэродинамики есть еще много важных аспектов. Поэтому на практике сначала получают габариты задней части, а уже потом работают над обводами кузова, пытаясь угодить столь капризной аэродинамике. Ну а средств не так уж много: поработать над формой крыльев, багажника или капота, установить диффузор, не очень усердствовать со спойлерами и антикрыльями.

Не дышите. Дышите

Охлаждение агрегатов автомобиля √ отдельная большая тема. У нее много граней, и мы с вами сейчас коснемся лишь одной из них √ той, что связана с аэродинамикой. Итак, воздух в системах охлаждения нужен для того, чтобы забрать тепло. Но мало просто пустить воздух к радиатору или охлаждаемому агрегату. Его нужно еще и отвести от объекта охлаждения.

Во-первых, это необходимо для повышения эффективности системы охлаждения. Чем больше нагретого воздуха в единицу времени мы отведем, тем больше ненагретого газа придет ему на смену. Во-вторых, все тот же поршень. Если воздух будет плохо отводиться от радиатора, то перед ним создастся избыточное давление, которое приведет к росту лобового сопротивления. Поэтому на гоночных автомобилях часто можно видеть жабры для отвода горячих газов.

Но просто отвести нагретый газ мало. Как известно, температура √ это мера энергии. Когда мы ощущаем теплый воздух, то это означает, что его молекулы имеют большую кинетическую энергию, сильнее и чаще бьются о нас и передают нам эту энергию. Мы же просто чувствуем тепло. Так вот, отведенный поток более активен, чем тот, что не участвовал в охлаждении. Внутри более нагретого потока и на его границе велика вероятность образования турбулентных течений. Поэтому необходимо особо тщательно прорабатывать пути отвода горячих газов. Взгляните на болиды Формулы 1: их боковые понтоны изрезаны жабрами самой причудливой формы.

Так же немаловажным является вопрос отведения выхлопных газов от двигателя. С одной стороны лучше расположить выхлопные трубы сзади, где поток уже перестает обтекать автомобиль и следить за ламинарностью пограничного слоя нет нужды. Но с другой стороны таким жестом можно повлиять на работу диффузора. Поэтому на спортивных автомобилях часто можно увидеть выхлопные трубы в других местах. На тех же формульных болидах они расположены обычно перед задними колесами, там где уже течет нагретый радиаторами воздушный поток.

Напоследок

Аэродинамика как весы. На одной чаше прижимная сила, на другой √ лобовое сопротивление. Но смотрим мы на эти чаши через кривое зеркало. Взглянули под одним углом, и перевешивает прижимная сила, поскольку в общем случае надо стремиться к большей стабильности и меньшему сопротивлению. Посмотрели под другим, и вниз тянет лобовое сопротивление, так как на быстрых трассах его снижение важнее, чем создание прижимной силы. Вроде бы лишь немного сдвинули свой взгляд в сторону, а победа вновь на стороне прижимной силы, ибо мы находимся на медленном автодроме. И так можно продолжать бесконечно. Настолько многолика сама аэродинамика и настолько широко ее применение в автоспорте.

 
Arty © 2003 - 2010