Самые обтекаемые автомобили

ТОП-10 лучших автомобилей по аэродинамике

Статья про лучшие автомобили по аэродинамическим показателям: топ-10 моделей, их некоторые технические особенности. В конце статьи — видео про худшие машины по аэродинамике.

Содержание статьи:

  • Машины с лучшими аэродинамическими характеристиками
  • Видео про худшие машины по аэродинамике

Из года в год автопроизводители всего мира пытаются сделать свои автомобили ещё более быстрыми, более устойчивыми и экономичными. Поэтому инженеры и конструкторы, занимающиеся проектированием и сборкой машин, так много времени уделяют аэродинамическим показателям своих творений.

Чем меньше уровень аэродинамического сопротивления автомобиля, чем выше его предельная скорость, меньше расход топлива и стабильнее поведение на дороге. В сегодняшней подборке — автомобили, обладающие наилучшими аэродинамическими характеристиками.

Машины с лучшими аэродинамическими характеристиками

Mercedes-Benz CLA BlueEFFICIENCY

В 2013-м компания Mercedes представила специальную версию седана CLA BlueEFFICIENCY, при разработке которой огромное внимание было уделено аэродинамике.

Так, автомобиль получил специальные аэродинамические выштамповки, особый дизайн передних стоек и внешних зеркал, а также особый дизайн легкосплавных дисков. В результате величина сопротивления встречным потокам воздуха составила всего 0,22 Сх.

Tesla Model 3

Коэффициент Сх для электрокаров – один из наиболее значимых показателей, ведь чем он ниже, тем меньше автомобиль расходует электроэнергии и тем большее расстояние способен проехать.

В стандартном исполнении электрокар способен преодолеть 215 миль (346 км), при этом с нуля до сотни машина разгоняется за каких-то 6 сек.

Volkswagen XL1

В 2013 году Volkswagen показал модель XL1, которая, несмотря на свою футуристическую и, откровенно говоря, спорную внешность все же была запущена в серийное производство.

Всего было выпущено 250 экземпляров модели. Оправданием столь необычного дизайна стал низкий коэффициент аэродинамического сопротивления равный 0,19 Сх, что является самым лучшим результатом среди серийных автомобилей.

Daihatsu UFE-III Concept

В 2005 году руководство компании Daihatsu в рамках Токийской автовыставки продемонстрировало концептуальный автомобиль компакт-класса, получивший название UFE-III.

Под капотом авто располагался экономичный гибридный силовой агрегат, представленный 0,66-литровым бензиновиком и небольшим электродвигателем.

Модель могла похвастаться небольшим расходом топлива, не превышающим 1,6 л/100 км, а также отменной аэродинамикой – коэффициент лобового сопротивления равнялся всего 0,168 Сх.

General Motors Precept Concept

Precept Concept был представлен в 2002 году. Машина обладала необычной внешностью, выполненной в стилистике культового Citroen DS, а также скоромным аппетитом, не превышающим 3л/100 км.

При этом Precept мог похвастаться наличием 5-местного салона, а также коэффициентом аэродинамического сопротивления в 0,163 Сх.

К сожалению, производитель посчитал машину чрезмерно дорогой и сложной в конструировании, из-за чего было принято решение не пускать её в серийное производство.

Volkswagen 1 Liter Car Соncept

В 2002 году немецкий автоконцерн VW представил свою новую разработку – концептуальную модель 1 Liter Car Concept.

При создании авто перед производителями стояла задача создания максимально экономичного авто, и им это удалось. Средний расход топлива авто составил всего 0,99 л/100 км. Добиться такого показателя получилось за счёт небольшой массы (290 кг) и минимального аэродинамического сопротивления, составляющего всего 0,159 Сх.

JCB Dieselmax

В 2006 году дизельный JCB Dieselmax установил рекорд скорости, разогнавшись сначала до впечатляющих 529 км/ч, а потом до 563,42 км/час. Таким образом, машина смогла побить предыдущий рекорд в 380 км/ч, который был установлен в далёком 1973 году.

Заезды проводились на соляном озере Бонневиль, расположенном на территории штата Юта (США).

Автомобиль мог похвастать обтекаемым кузовом, имеющим коэффициент аэродинамического сопротивления в 0,147 Сх, а также парой дизельных двигателей, устанавливаемых на экскаваторах.

В настоящее время автомобиль хранится в музее компании JCB.

Fiat Turbina

В 1954 году итальянский автопроизводитель Fiat представил модель Turbina, ставшей первым европейским авто с газотурбинным двигателем.

Максимальная отдача силовой установки достигала 300 л. с., а максимальная скорость достигала отметки в 250 км/ч. Однако самой главной особенностью модели был её аэродинамически высокоэффективный кузов, величина аэродинамического сопротивления которого составляла всего 0,14 Сх.

Несмотря на наличие первоклассной аэродинамики, машина была признана бесперспективной и отправлена на хранение в Туринский автомузей, где она находится по сегодняшний день.

Ford Probe V Concept

В 1983 году компания Ford начала разработку концепт-кара Probe V Concept, официальный дебют которого состоялся в 1985 году.

Машина обладала футуристической внешностью со сдвижными боковыми дверьми. Кроме того инженеры закрыли колеса специальными щитками, а стекла вклеили в оконные проёмы заподлицо с поверхностью кузова.

Но несмотря на все усилия разработчика, автомобиль так и не пошёл в серийное производство, оставшись необычным и стильным концептом.

Goldenrod Land Speed Race Car

Goldenrod Land Speed Race Car был сконструирован братьями Саммерсами в далёком 1965 году, при этом автомобиль по сегодняшний день носит звание самого аэродинамичного в мире.

Так, показатель лобового сопротивления «автомобильной торпеды» составляет всего 0,117 Сх. В движение машина приводилась посредством 4-х семилитровых 8-цилиндровых бензиновых моторов, расположенных продольно друг за другом и суммарно генерирующих мощность 2400 л. с.

Заключение

Борьба за лучшую аэродинамику продолжается, а значит, уже совсем скоро мы можем увидеть концепт или серийную версию авто, аэродинамические показатели которого смогут превзойти показатели Goldenrod Land Speed Race Car.

Видео про худшие машины по аэродинамике:


Топ-7 лучших по аэродинамике машин массового производства

В старые добрые времена, когда топливо стоило дешевле водки, никто и не вспоминал об аэродинамических свойствах. А между тем, именно этот показатель оказывает влияние на расход бензина или дизеля, особенно при движении на большой скорости.

Для электромобилей коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха имеет ещё большее значение. Так что при покупке нового транспортного средства имеет смысл обратить внимание на модель с наименьшим индексом Сх.

На что влияет аэродинамика в автомобиле

Самой лучшей обтекаемостью обладает капля воды. Коэффициент Сх предмета с подобной формой равняется 0,04. Это означает, что капля обтекаема воздухом на 96 %, если сравнивать её с цилиндром такого же размера. В этой связи вспомните форму кузова старой «Победы». Она вам ничего не напоминает?

Конечно, при расчёте аэродинамических решений играет роль не только Сх, но и множество других показателей, но мы построим наш рейтинг, базируясь именно на коэффициенте лобового сопротивления. Современная автоинженерия показывает настоящие чудеса в этой области, которые предыдущим поколениям авто даже не снились.

Топ автомобилей с самым лучшим Сх

Будем рассматривать марки машин от большего Сх к меньшему. Но в любом случае все они достойны наивысших похвал в плане аэродинамики.

Alfa Romeo Giulia

К 110-летию со дня основания компании Alfa Romeo её инженеры выпустили новую модель с улучшенными аэродинамикой и управляемостью. И хотя у потребителей эта марка ассоциируется со спорткарами, на этот раз свет увидел седан. Коэффициент Сх у него составил 0,24.

@search.creativecommons.org

Форма кузова, позволяющая увеличить прижимную силу, позаимствована из Формулы-1. Высоких показателей аэродинамических свойств удалось достигнуть за счёт переднего сплиттера и заднего крыла, выполненного из карбона. Именно это сочетание обеспечило баланс в нагрузке при езде на больших скоростях.

Hyundai Sonata Hybrid

Гордость южнокорейского автопрома обладает Сх=0,24. Благодаря усовершенствованиям в плане аэродинамики авто стало максимально экономичным. Только на электротяге гибрид может разогнаться до 120 км/ч.

А переключившись на бензиновый двигатель, будет использовать 5,9 л топлива на 100 км. Суммарная силовая установка составляет 206 л. с.

Audi A4

В семействе Audi A4 похвастаться хорошими показателями может разве что 2.0 TDI ultra. Именно у этой модели показатель Сх=0,23. Audi ultra обладает мощностью в 190 лошадок. А прекрасных аэродинамических показателей удалось добиться благодаря специальным щиткам, экранирующим днище.

@youtube.com/TEST DRIVE FREAK

Не последнюю роль в этом деле играют и активные жалюзи в решётке радиатора. Во всех остальных моделях A4 показатели обтекаемости довольно скромные: в пределах 0,26–0,27. Только на 2.0 TDI ultra вам удастся расходовать 3,4–3,5 л солярки на 100 км, а в городской черте – всего 3,9–4 л.

Mercedes CLA

Если хотите получить аэродинамику на уровне 0,23, выбирайте не просто CLA, а конкретно версию BlueEfficiency, так как у спортивных версий коэффициент Сх намного выше. К примеру, CLA 250 4Matic обладает коэффициентом 0,29, а у AMG 45 он вообще составляет 0,3. В этих моделях производители пожертвовали обтекаемостью за счёт снижения подъёмной силы на предельных скоростях.

@search.creativecommons.org

К S классу в этом плане тоже есть вопросы. Ведь только S 300 h удовлетворяет требованиям современности, а даже «шестисотый» показывает скромный аэродинамичный коэффициент 0,28.

Tesla Model 3

«Электрокар для народа», естественно, американского, был презентован в 2017 году. Со своим Сх=0,21 модель демонстрирует аэродинамические чудеса, если сравнивать его с другими авто массового производства, а не отдельными опытными экземплярами.

@ru.wikipedia.org

Кузов седана гольф-класса выполнен в сверхобтекаемой форме. Только-только появившись в продаже, предзаказ на супер-Теслу сделали 300 тысяч человек. Потребителям предложены две серии: стандартная и премиальная.

General Motors EV1

Появившись на свет в 90-х годах прошлого столетия, именно эта модель долгие годы считалась самой-самой в мире. Коэффициент Сх General Motors EV1 равняется 0,195.

@ru.wikipedia.org

Изначально модель планировалась как электромобиль, получив название самого производителя. Хотя обычно автомобилям даются названия марок заводов-производителей. Двухместное купе, способное разгоняться до 160 км/ч, почему-то так и не было запущено в массовое производство. Выпущено всего 1117 авто модели EV1. По-видимому, EV1 намного опередила своё время.

Volkswagen XL1

Эта модель больше напоминает по внешнему виду космического пришельца. Форма облатки с невидимыми задними колёсами позволяет добиться Сх=0,189. Двигаться чудо-Фольксваген может благодаря гибридной силовой установке с дизельным мотором.

@search.creativecommons.org

Производители утверждают, что это авто будущего сможет расходовать всего 1 л топлива на каждые 100 км пути. И всё это благодаря чудесным свойствам аэродинамики. Но купить XL1 вам вряд ли удастся. Ведь она выпущена ограниченным тиражом всего в 250 штук.

Экспериментальный автомобиль ГАЗ-А-Аэро: обтекаемость, скорость, экономичность

К тридцатым годам прошлого века легковые автомобили научились развивать весьма высокие скорости, следствием чего стала необходимость проработки аэродинамики. В нашей стране примечательные результаты такого рода были получены в 1934 г. Первым отечественным обтекаемым автомобилем стал экспериментальный ГАЗ-А-Аэро конструктора Алексея Осиповича Никитина.

Теория для практики

Работы по новой теме стартовали в 1934 г. и выполнялись автомобильной кафедрой Военной академии механизации и моторизации Красной Армии (ВАММ РККА) по инициативе А.О. Никитина. К исследованиям привлекались другие организации, имевшие необходимую научно-техническую базу.

К тому времени легковые автомобили развили скорости до 100-110 км/ч, чему способствовало применение новых конструкций шасси, более мощных двигателей и т.д. Зарубежный опыт показывал, что дополнительный прирост характеристик можно получить за счет совершенствования кузова автомобиля и сокращения сопротивления воздуха.

Исследования в ВАММ начались с теоретической проработки имеющихся вопросов и поиска оптимальных решений. Удалось найти основные идеи, способствующие улучшению характеристик. В то же время, их можно было комбинировать разными способами и получать отличающиеся результаты.

Читайте также:  Лучшие автомобили с надежным кузовом

А. Никитин с коллегами проработали четыре варианта обтекаемого кузова и собрали соответствующие масштабные модели для продувки в аэродинамической трубе Московского авиационного института. Вместе с ними планировалось испытать модель машины ГАЗ-А с исходным кузовом типа «фаэтон». Четыре тестовые модели имели значительное сходство, но отличались формами разных агрегатов, а соответственно и характеристиками.

Испытания показали резкое сокращение коэффициента сопротивления воздуха при прямом обдуве модели. Для разных моделей он составлял 31-66 проц. от характеристики исходного автомобиля. Также проводились исследования с боковым ветром, показавшие явные преимущества новых кузовов.

Подробные результаты расчетов и испытаний были опубликованы в журнале «Мотор», №2 за 1935 г. Автором статьи «Обтекаемый автомобиль на шасси ГАЗ-А» был сам А. Никитин.

Опытный образец

В 1934 г. ВАММ РККА совместно с экспериментальным цехом Горьковского автозавода построил и испытал опытный образец автомобиля с обтекаемым кузовом. Основой для него стало доработанное шасси ГАЗ-А – по этой причине экспериментальная машина позже получила название «Обтекаемый ГАЗ-А» или ГАЗ-А-Аэро. Для контроля результатов использовался второй автомобиль ГАЗ-А в базовой комплектации.

Опытный автомобиль сохранил раму и ходовую часть базового ГАЗ-А. Силовая установка на разных этапах испытаний включала штатный двигатель или его форсированную версию. Мотор модернизировали за счет установки алюминиевой головки и повышения сжатия, что привело к увеличению мощности до 48,4 л.с. Механическая трансмиссия не изменялась. Органы управления остались прежними.

Новый обтекаемый кузов имел смешанную конструкцию. На деревянном каркасе устанавливались изогнутые стальные листы разных форм. Для улучшения аэродинамики использовались преимущественно изогнутые детали разной кривизны. Двигатель прикрыли выгнутым лобовым обтекателем с жалюзи и бортами схожей конструкции. За капотом находилось V-образное лобовое остекление. Крыша кузова плавно переходила в наклонный хвост с заостренной задней частью.

Колеса прикрыли крыльями-обтекателями каплевидной формы. Передние обтекатели имели боковые вырезы для управляемых колес, задние были сплошными. На передних крыльях предусматривались полуутопленные обтекатели фар.

Из-за крупных крыльев пришлось отказаться от задних дверей. Передние двери получили небольшие ручки. Кроме того, они полностью перекрывали подножки. Все это было связано с необходимостью сокращения сопротивления воздуха.

Автомобиль ГАЗ-А-Аэро за счет особого кузова имел длину 4970 мм. Несмотря на новые крылья, ширина осталась на уровне базовой машины – 1710 мм. Высота – 1700 мм. Снаряженная масса с заправкой и ЗИП – 1270 кг, т.е. почти на 200 кг больше, чем у ГАЗ-А. Предполагалось, что дальнейшее совершенствование конструкции позволит сравнять массу двух кузовов. В ходе испытаний автомобили везли измерительное оборудование и бригаду из пяти испытателей. При этом масса ГАЗ-А доходила до 1625 кг, а ГАЗ-А-Аэро – до 1700 кг.

Автомобиль на трассе

Испытания ГАЗ-А-Аэро проводились на трассах автозавода и на дорогах г. Горький. Опытный и контрольный автомобили за несколько недель прошли тысячи километров в разных условиях и помогли собрать массу данных для последующего анализа. В целом стало ясно, что обтекаемый кузов имеет серьезные преимущества перед стандартным фаэтоном.

Максимальная скорость ГАЗ-А-Аэро со стандартным двигателем достигла 100 км/ч, с доработанным – 106 км/ч. Серийный автомобиль разгонялся до 82,5 и 93 км/ч соответственно. Прирост скорости составлял 15-21 проц.

Обтекаемая машина имела лучшую динамику. Разгон с места до 70 км/ч занимал 27,5 секунд против 35,5 с у ГАЗ-А. Серийный автомобиль с большим сопротивлением быстрее замедлялся. Так, затухание скорости с 70 до 40 км/ч происходило на дистанции 330 м. ГАЗ-А-Аэро в тех же условиях проходил 440 м.

В условиях города обтекаемый автомобиль показывал весьма скромную экономию. При средней скорости 30 км/ч этот автомобиль тратил 5 л бензина на 46,7 км пути, и экономия по топливу составляла всего 3%. В других условиях преимущества проявлялись ярче. Так, на трассе при непрерывном движении со скоростью 50 км/ч экономия достигла 12% относительно расхода ГАЗ-А. Максимальная экономия бензина в 26,2% была получена на 80 км/ч. Сравнение на более высоких скоростях оказалось невозможным из-за ограниченных характеристик ГАЗ-А.

Проводились замеры мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению. На 50 км/ч ГАЗ-А тратил на это 12,2 л.с., ГАЗ-А-Аэро – 8 л.с. (экономия 34%) На скорости 90 км/ч эти параметры доходили до 46 и 29 л.с., что соответствовало экономии более 36%. При этом у экспериментальной машины оставался запас мощности для дальнейшего разгона, и при скорости 100 км/ч затраты на сопротивление доходили до 37 л.с.

Обтекаемый автомобиль показывал лучшие характеристики при боковом ветре разной силы под разными углами. Кроме того, поездка с высокой скоростью была менее шумной. На серийном фаэтоне наблюдался срыв вихрей с лобового стекла и задней части кузова, являвшийся причиной дополнительных шумов. На новом кузове подобные проблемы отсутствовали.

Профессионалы и общественность смогли узнать подробные результаты ходовых испытаний из стати А. Никитина «Дорожные испытания обтекаемого автомобиля на шасси ГАЗ-А». Она вышла в мартовском номере журнала «Мотор» за 1935 г.

Задел на будущее

По результатам испытаний двух автомобилей ВАММ РККА и ГАЗ сделали несколько основных выводов. Главный касался общей пользы обтекаемых кузовов. Даже при установке на достаточно старое шасси такое изделие давало заметный рост ходовых и экономических характеристик. При этом кузов ГАЗ-А-Аэро был далеко не оптимальным с точки зрения аэродинамики – сказывались ограничения, накладываемые конструкцией шасси.

Предлагалось продолжать исследование автомобильной аэродинамики и учитывать ее при создании новых образцов. Развитие автомобильной техники и дорог в будущем должно было привести к новому росту скоростей движения, из-за чего обтекаемость становилась решающим фактором. Новые решения можно было внедрить на малосерийных спортивных автомобилях, а затем перенести на технику общего пользования, как нередко делалось за рубежом.

В 1934 г., после завершения испытаний, опытный автомобиль ГАЗ-А-Аэро передали Автомобильному совету общества Автодор для проведения новых исследований. Какие-либо сведения о дальнейшей его судьбе отсутствуют.

После успеха экспериментального проекта ГАЗ-А-Аэро специалисты автомобильной кафедры ВАММ РККА продолжили теоретические изыскания по ряду направлений, в т.ч. по теме аэродинамики. Вскоре появились новые теоретические результаты, рекомендованные к использованию в будущих проектах легковых автомобилей.

Однако активные работы в этом направлении продолжались всего несколько лет. В конце тридцатых ученым пришлось плотно заняться тематикой военного автотранспорта, и эксперименты с обтекаемостью ушли на второй план. Реальные успехи в этом направлении удалось получить только после войны. В этот период стартовало производство современных машин с обтекаемым кузовом, и в основе новых проектов лежали наработки А.О. Никитина и его коллег.

Заметили ош Ы бку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Mechanoid › Blog › Аэродинамика. Часть 2. Лобовое сопротивление.

В первой части 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 второй поворот Lesmo, а впереди нас ждет Ascari (это названия поворотов, обрамляющих длинную прямую с небольшим изломом). Но до Ascari 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 называют трассу в Монце) 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). Плотность воздуха 1,23 кг/м3. Проведем несложные вычисления:

Именно с такой силой воздух мешает нам двигаться дальше. За 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 двигателя болида уходит в воздух! Поразительно!

Представим, что мы захотели сделать абсурдный поступок и попытались проехать по этому же участку на болиде с аэродинамикой для безумной городской трассы в Монако, то есть с антикрыльями, состоящими из максимально разрешенного регламентом количества планок, наклоненных под максимальным углом атаки. Коэффициент лобового сопротивления 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.
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.

Читайте также:  Автомобили гонщиков «Формулы-1»

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 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.

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, кто увлекается гонками Формула 1, памятны отрывающиеся крылья на болидах Формулы 1. Это во многом было следствием экспериментов с гибкими аэродинамическими элементами. Именно это случилось с болидом Кими Райконена, когда на скорости заднее антикрыло не выдержало напора набегающего воздуха и сломалось, в результате чего болид мигом потерял прижимную силу и выкатился за пределы трассы. 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.
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.

Самые обтекаемые автомобили

Уменьшить расход бензина можно позаботившись об уменьшении действующих на автомобиль сил сопротивления. Расскажем что такое аэродинамика машины, основные термины и понятия, что на неё влияет в первую очередь.

На больших скоростях основной вклад вносит сила аэродинамического сопротивления. Аэродинамика имеет прямое отношение к управляемости, устойчивости и безопасности, особенно при движении с высокой скоростью. Даже способность загрязняться напрямую зависит, насколько качественно, с точки зрения аэродинамики, продуман автомобиль. А знаете, что такое «воздушный мешок» или «аэродинамическая тень», что такое «граунд-эффект»? Давайте разбираться.

Читайте также:  На каких машинах «летали» наши первые покорители космоса Автомобили знаменитых космонавтов

Основные понятия аэродинамики

Чтобы легче разобраться в аэродинамике, определимся с терминами, принятыми в этой науке.

Сила аэродинамического сопротивления (Рх) — сила, с которой поток воздуха «давит» на движущийся автомобиль. Всегда действует в сторону, противоположную движению. Чем больше, тем ниже максимальная скорость и динамика автомобиля при прочих равных условиях.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх). Безразмерная величина, обычно меньше единицы. Определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помочью расчетов. Физический смысл — отношение аэродинамической силы к скоростному напору и характерной площади. У современных автомобилей значение Сх в районе 0,30. Внедорожники имеют чуть больший коэффициент Сх из-за большей площади кузова.

Подъемная сила (Рz) — направлена перпендикулярно к скорости автомобиля. При обтекании автомобиля частицы потока, обтекающие днище, проходят меньший путь, чем частицы, обтекающие капот, крышу и крышку багажника, то есть более выпуклую поверхность. А согласно уравнению Бернулли давление среды больше там, где скорость частиц меньше. Автомобиль превращается в крыло. Если ситуацию «запустить», с ростом скорости колеса машина будет терять контакт с дорогой, что негативно скажется на управляемости и устойчивости.

Коэффициент подъемной силы (Су). Тоже безразмерный, определяется аналогично Сх. Зависит от форм автомобиля, его ориентации в пространстве, чисел Рейнольдса и Маха.

Мидель (от middel — средняя) – наибольшая площадь сечения автомобиля, перпендикулярная направлению движения.

Опрокидывающий момент (Му) — определяет перераспределение нагрузок между передними и задними осями автомобиля. Возникает из-за того, что Рх всегда действует под углом к продольной оси автомобиля. По Му можно судить о возможном изменении управляемости на высоких скоростях, а нулевое значение говорит о том, что независимо от скорости автомобиля тот будет управляться одинаково, а заложенный производителем баланс нагрузок на колеса не нарушится.

Момент крена (Мх) и разворачивающий момент (Мz) – характеризуют способность автомобиля противостоять порывам бокового ветра. Чем меньше абсолютные значения, тем меньше водитель чувствует влияние капризов природы.

Как меняют аэродинамику автомобиля?

Задача специалистов по аэродинамике состоит в уменьшении паразитных сил и моментов (Рх, Рz, Му, Мх и Мz). Добиться можно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, что ведет к увеличению площади миделя и как следствие – к увеличению силы лобового сопротивления. Тупик? Нет, оказывается, грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы позволяют уменьшить Сх! Что это за устройства? Обычно при слове обвес речь идет о бамперах, порогах, спойлерах и антикрыльях.

Антикрыло. Создано для борьбы с подъемной силой. Первостепенная задача – создать прижимную силу, чтобы колеса не теряли контакт с дорогой ни при каких условиях. Взгляните на болиды Ф1. Вот где антикрылья – усилия работы специалистов по аэродинамике! Но перебарщивать с размерами нельзя – резко растет аэродинамическое сопротивление, а значит – падает скорость, увеличивается расход топлива. Практически на всех спортивных автомобилях рабочая часть крыла выполнена регулируемой для возможности изменения угла атаки и возможности настройки.

Спойлер (от spoil — портить). Аэродинамический элемент с одной рабочей поверхностью для изменения направления движения воздушного потока. Основная задача «правильного» спойлера – организация безотрывного и «плавного» обтекания воздушным потоком всей поверхности автомобиля, что повышает устойчивости при движении с высокими скоростями. Спойлер может бороться с подъемной силой, отсюда его сложные формы. Но эта деталь всегда примыкает к кузову автомобиля. По большому счету, бамперы и пороги это тоже большие спойлеры.

Диффузор. Дальше всех пошли спортсмены – они решили присосать автомобиль к трассе! Появились болиды с днищем, имитирующим «трубку Вентури» – создающие резкий рост скорости воздушного потока под машиной. В результате создавалась мощная прижимная сила. Плодами этого открытия норовит воспользоваться каждый автопроизводитель: диффузоры, обеспечивающие ускорение потока, появляются в задней части гражданских машин.

Проблема, что для максимально эффективной реализации т.н. «граунд-эффекта» нужны по возможности плоское днище и минимальный дорожный просвет. Если строители спортивных машин могут это позволить, то, к примеру, на Evolution диффузор служит скорее украшением, чем полноценным аэродинамическим элементом.

Что влияет на коэффициент Сх?

Один из лучших методов улучшения динамики машины – удалить все, что создает лишнее аэродинамическое сопротивление. Это могут быть банальные вещи. Вот как они увеличивают коэффициент Сх:

  • открытые окна + 5%
  • зеркала заднего вида + 5%
  • антенна + 2%
  • открытый люк + 3%.
  • широкие шины + 3%,
  • скромные брызговики колес + 3%
  • нескромные брызговики колес + 6%
  • багажник на крыше +10%

Как квадратные автомобили 80-х стали обтекаемыми к 90-м


5-я авеню в Нью-Йорке, 1974

На фотографиях городских улиц 70-х и ранних 80-х годов почти всё выглядит так же, как сегодня. Большинство зданий, одежда (не считая подкладок под плечи). Но что сильно отличается – все автомобили выглядят, как квадратные коробки, особенно по сравнению с обтекаемыми закруглёнными кузовами почти любого современного автомобиля.

Это преобразование, на которое не так часто обращают внимание, одно из самых заметных, случившихся с машинами за последние 50 лет. А в США это случилось за несколько лет, начиная с 1986-го. Можно даже назвать точный год, когда некоторые модели превратились в обтекаемые — Buick LeSabre, который в 1991 году был гораздо более угловат, чем в 1992.

И в последующие годы автомобили становились всё более обтекаемыми. Но почему?

Оказывается, тому есть три взаимозависимых причины: европейские визуальные тренды, правительственная установка на экономию топлива, и новые технологии, позволившие проще разрабатывать и изготавливать округлые формы.

А началось всё с европейских люксовых дизайнов

К 1980-м годам идея изготовления обтекаемых машин не блистала новизной. Она как раз наоборот, вышла из моды в США. Гладкие автомобили 1930-х, такие, как Chrysler Airflow, имели гладкий вид, специально, чтобы понизить сопротивление воздуха.

Но как Airflow, так и другие гладкие автомобили, продавались плохо, уступив место более квадратным авто. В 1970-х практически у всех кузовов автомобилей, произведённых в США, были чёткие, резкие углы, и мало кривых. Они все выглядели как три соединённые коробки – капот, кабина и багажник.


1975 Chevy Caprice

Но в Европе топливо всегда стоило дороже, и дизайнеры, особенно в Германии, начали раньше работать с аэродинамическими формами. Об этом рассказывает Пенни Спарк [Penny Sparke], автор книги «Сто лет дизайна автомобилей» [A Century of Car Design]. В 1960-х и 70-х производители дорогих машин вроде Porsche, BMW, Audi и Mercedes-Benz первыми начали возвращать на рынок обтекаемые кузова.

Одним из самых первых примеров стал известный Porsche 911, который был весьма обтекаемым ещё в 1963:


1969 Porsche 911

И такую эстетику постепенно стали связывать с люксовыми авто, как в Европе, так и в США, куда они импортировались. И конечно же, как пишет историк Дэвид Гартман [David Gartman] в книге «Авто опиум: социальная история дизайна американских автомобилей» [Auto Opium: A Social History of American Automobile Design]: «Американские автопроизводители начали копировать европейский аэродинамический дизайн в середине 1980-х, чтобы привлечь состоятельных покупателей».

Более других постаралась компания Ford, перенеся этот дизайн в массовый рынок. Дизайнер Уве Бансен [Uwe Bahnsen] сначала сотворил такое с европейским Ford Sierra 1982 года, который стал гораздо обтекаемее своих современников:


1983 Ford Sierra

Критики разнесли дизайн в пух и прах, обозвали его «формочкой для желе», и машина сначала продавалась плохо. Но со временем к ней привыкли – особенно, когда другие производители начали копировать её внешний вид для своих моделей.

В США дизайнер компании Ford Джек Телнак [Jack Telnack], работавший в европейской команде перед тем, как перевестись в Северную Америку в 1980, ответственен за появление округлых форм в автомобилях. Его 1983 Ford Thunderbird был сильно искривлён благодаря тестированию в аэродинамической трубе. И этот внешний вид вскоре перешёл на более массовые модели вместе с 1986 Taurus.


1983 Ford Thunderbird


1986 Ford Taurus

Сейчас он не выглядит примечательным, но в то время он казался футуристичным. Машина даже снялась в фильме «Робокоп», история которого развивалась в недалёком будущем. По словам Гартмана, «Taurus однозначно предназначался для сегмента молодых, хорошо образованных покупателей, к которым апеллировал и BMW».

Стратегия сработала, Taurus был большим хитом с гигантскими продажами, и спас барахтавшуюся компанию. А также вдохновил остальных на копирование дизайна.

Улучшение экономии топлива


Аэродинамическое тестирование 2011 Chevy Cruze при помощи дыма

Частично обтекаемый дизайн так быстро сменил предыдущий, и остаётся с нами до сих пор, по чисто физическим причинам. Обтекаемый кузов и наклонённое лобовое стекло меньше сопротивляются ветру, поскольку воздуху легче их обтекать. А значит, сжигается меньше бензина при поездках на те же расстояния на той же скорости.

Одновременно с премьерой Taurus автопроизводители впервые столкнулись со стандартами по экономии топлива. С 1978 года экономия топлива для машин, продаваемых в США, должна была постоянно увеличиваться, и, наконец, достигла уровня в 27,5 миль на галлон в 1990-м [8,6 л на 100 км].

Автопроизводители уже добились определённой экономии, улучшив характеристики двигателей и других компонентов, но обтекаемый дизайн облегчал и удешевлял задачу дальнейшего улучшения. «Один дизайнер из Ford утверждал, что если увеличение пробега на 1/10 часть мили на галлон топлива при помощи изменений содержимого моторного отсека стоило бы $200-$300 миллионов, то простое улучшение аэродинамики достигло увеличения пробега на 3/10 – 4/10 мили на галлон почти даром»,- пишет Гартман.

Автопроизводители плотно занялись аэродинамическими трубами и подсчётами аэродинамики, а инженеры стали работать с дизайнерами более плотно. И за несколько лет практически все автомобили начали выглядеть, как Taurus, когда-то казавшийся футуристичным. «Они все выглядят одинаково, поскольку все прошли через аэродинамическую трубу, и все разработаны с целью экономии топлива»,- пишет Ларри Эдсол [Larry Edsall], автор нескольких книг по истории дизайна автомобилей.

Технологии облегчили создание кривых


Дизайнер из Chrysler использует новейшую компьютерную программу в начале 1990-х

Такой дизайн стал возможен благодаря нескольким ключевым технологическим прорывам. Десятилетиями дизайнеры создавали автомобили при помощи пластилина, дерева и других материалов. В 1980-х они стали использовать компьютерные модели.

«Гораздо проще сделать такие формы на компьютере, чем из дерева»,- говорит Спарк. «Это дало автопроизводителям возможность создавать такие гладкие кривые». Производственные технологии также облегчили и удешевили изготовление обтекаемых форм из алюминия.

В результате, после сдвига в 1990-х, кузова становятся всё обтекаемее. Эти изменения можно хорошо отследить, взглянув на современный автомобиль, который сейчас выглядит очень квадратным: Scion xB.


2008 Scion xB

Да, у него большой и квадратный кузов. Но рёбра всё равно более закруглены, чем по-настоящему квадратные кузова автомобилей 80-х – даже больше, чем у такого футуристического прорыва, как 1986 Ford Taurus

Добавить комментарий