Det är obehagligt att tänka på, men föreställ dig vad som skulle hända om du körde din bil in i en tegelvägg i 65 miles per timme (104,6 kilometer i timmen). Metall skulle vrida och riva. Glas skulle krossas. Krockkuddar skulle sprängas för att skydda dig. Men även med alla de framsteg inom säkerhet vi har på våra moderna bilar, skulle detta sannolikt vara en svår olycka att gå ifrån. En bil är helt enkelt inte designad för att gå igenom en tegelvägg.
Men det finns en annan typ av "vägg" som bilar är designade för att röra sig genom, och har varit under lång tid - väggen av luft som trycker mot ett fordon i höga hastigheter.
De flesta av oss tänker inte på luft eller vind som en vägg. I låga hastigheter och dagar då det inte blåser särskilt mycket ute är det svårt att lägga märke till hur luften interagerar med våra fordon. Men vid höga hastigheter, och exceptionellt blåsiga dagar, luftmotstånd (krafterna verkade på ett rörligt föremål i luften -- även definierat som drag ) har en enorm effekt på hur en bil accelererar, hanterar och uppnår bränslekörning.
Det är här vetenskapen om aerodynamik kommer in i bilden. Aerodynamik är studiet av krafter och den resulterande rörelsen av föremål genom luften [källa:NASA]. I flera decennier har bilar designats med aerodynamik i åtanke, och biltillverkare har kommit med en mängd olika innovationer som gör det enklare att skära igenom den "väggen" av luft och har mindre inverkan på den dagliga körningen.
Att ha en bil designad med luftflöde i åtanke innebär i huvudsak att den har mindre svårigheter att accelerera och kan uppnå bättre bränsleekonomi eftersom motorn inte behöver arbeta lika hårt för att trycka bilen genom luftväggen.
Ingenjörer har utvecklat flera sätt att göra detta. Till exempel är mer rundade mönster och former på utsidan av fordonet utformade för att kanalisera luft på ett sätt så att den strömmar runt bilen med minsta möjliga motstånd. Vissa högpresterande bilar har till och med delar som flyttar luft smidigt över bilens undersida. Många inkluderar även en spoiler -- även känd som en bakvinge -- för att förhindra att luften lyfter bilens hjul och gör den instabil i höga hastigheter. Även om, som du kommer att läsa senare, de flesta av de spoilers som du ser på bilar är helt enkelt för dekoration mer än något annat.
I den här artikeln kommer vi att titta på fysiken kring aerodynamik och luftmotstånd, historien om hur bilar har designats med dessa faktorer i åtanke och hur med trenden mot "grönare" bilar, är aerodynamik nu viktigare än någonsin.
Innehåll
Innan vi tittar på hur aerodynamik tillämpas på bilar, här är en liten fortbildningskurs i fysik så att du kan förstå grundidén.
När ett föremål rör sig genom atmosfären tränger det undan luften som omger det. Objektet utsätts också för gravitation och motstånd. Dra genereras när ett fast föremål rör sig genom ett flytande medium som vatten eller luft. Draget ökar med hastigheten -- ju snabbare objektet färdas, desto mer dra upplever det.
Vi mäter ett föremåls rörelse med de faktorer som beskrivs i Newtons lagar. Dessa inkluderar massa, hastighet, vikt, yttre kraft och acceleration.
Drag har en direkt effekt på accelerationen. Accelerationen (a) för ett föremål är dess vikt (W) minus motstånd (D) dividerat med dess massa (m). Kom ihåg att vikt är ett föremåls massa gånger tyngdkraften som verkar på det. Din vikt skulle förändras på månen på grund av lägre gravitation, men din massa förblir densamma. För att uttrycka det enklare:
a =(W - D)/m
(källa:NASA)
När ett objekt accelererar ökar dess hastighet och motstånd, så småningom till den punkt där motståndet blir lika med vikt - i vilket fall ingen ytterligare acceleration kan inträffa. Låt oss säga att vårt objekt i denna ekvation är en bil. Detta innebär att allt eftersom bilen färdas snabbare och snabbare, trycker mer och mer luft mot den, vilket begränsar hur mycket mer den kan accelerera och begränsar den till en viss hastighet.
Hur gäller allt detta för bildesign? Tja, det är användbart för att räkna ut en viktig siffra -- dragkoefficient. Detta är en av de primära faktorerna som avgör hur lätt ett föremål rör sig genom luften. Luftmotståndskoefficienten (Cd) är lika med luftmotståndet (D), dividerat med kvantiteten av densiteten (r), gånger halva hastigheten (V) i kvadrat gånger arean (A). För att göra det mer läsbart:
Cd =D / (A * ,5 * r * V^2)
[källa:NASA]
Så realistiskt, hur mycket luftmotståndskoefficient siktar en bildesigner på om de tillverkar en bil med aerodynamisk avsikt? Ta reda på det på nästa sida.
Vi har precis lärt oss att luftmotståndskoefficienten (Cd) är en siffra som mäter luftmotståndets kraft på ett föremål, till exempel en bil. Föreställ dig nu luftens kraft som trycker mot bilen när den rör sig längs vägen. Vid 70 miles per timme (112,7 kilometer i timmen) är det fyra gånger mer kraft som arbetar mot bilen än vid 35 miles per timme (56,3 kilometer per timme) [källa:Elliott-Sink].
En bils aerodynamiska förmågor mäts med hjälp av fordonets luftmotståndskoefficient. I grund och botten, ju lägre Cd, desto mer aerodynamisk är en bil, och desto lättare kan den röra sig genom väggen av luft som trycker mot den.
Låt oss titta på några cd-nummer. Kommer du ihåg de boxiga gamla Volvobilarna på 1970- och 80-talen? En gammal Volvo 960 sedan uppnår en Cd på 0,36. De nyare Volvos är mycket mer eleganta och kurviga, och en S80 sedan uppnår en Cd på 0,28 [källa:Elliott-Sink]. Detta bevisar något som du kanske redan har kunnat gissa - smidigare, mer strömlinjeformade former är mer aerodynamiska än boxiga. Varför är det just det?
Låt oss titta på det mest aerodynamiska i naturen - en tår. Tåren är slät och rund på alla sidor och smalnar av upptill. Luften strömmar runt den mjukt när den faller till marken. Det är samma sak med bilar -- släta, rundade ytor tillåter luften att flöda i en ström över fordonet, vilket minskar "trycket" av luft mot kroppen.
Idag uppnår de flesta bilar en Cd på cirka 0,30. SUV:ar, som tenderar att vara mer boxiga än bilar eftersom de är större, rymmer fler människor och ofta behöver större galler för att kyla ner motorn, har en Cd på allt från 0,30 till 0,40 eller mer. Pickupbilar - en målmedvetet boxig design - tar vanligtvis runt 0,40 [källa:Siuru].
Många har ifrågasatt Toyota Prius hybrids "unika" utseende, men den har en extremt aerodynamisk form av goda skäl. Bland andra effektiva egenskaper hjälper dess Cd på .26 den att uppnå mycket hög körsträcka. Faktum är att en minskning av en bils cd med bara 0,01 kan resultera i en ökning av bränsleekonomin med 0,2 miles per gallon (0,09 kilometer per liter) [källa:Siuru].
På nästa sida kommer vi att undersöka historien om aerodynamisk design.
Medan forskare har mer eller mindre varit medvetna om vad som krävs för att skapa aerodynamiska former under lång tid, tog det ett tag för dessa principer att tillämpas på bildesign.
Det fanns inget aerodynamiskt med de tidigaste bilarna. Ta en titt på Fords framstående Model T -- den ser mer ut som en hästvagn minus hästarna -- en väldigt boxig design, faktiskt. Många av dessa tidiga bilar behövde inte oroa sig för aerodynamik eftersom de var relativt långsamma. Vissa racerbilar från tidigt 1900-tal hade dock avsmalnande och aerodynamiska egenskaper i en eller annan grad.
År 1921 skapade den tyske uppfinnaren Edmund Rumpler Rumpler-Tropfenauto, som översätts till "tårdropparbil". Baserat på den mest aerodynamiska formen i naturen, droppen, hade den en Cd på bara 0,27, men dess unika utseende fångade aldrig allmänheten. Endast cirka 100 gjordes [källa:Price].
På den amerikanska sidan kom ett av de största sprången inom aerodynamisk design på 1930-talet med Chrysler Airflow. Inspirerad av flygande fåglar var Airflow en av de första bilarna designade med aerodynamik i åtanke. Även om den använde några unika konstruktionstekniker och hade en viktfördelning på nästan 50-50 (lika viktfördelning mellan fram- och bakaxeln för förbättrad hantering), blev en trött publik aldrig förälskad i dess okonventionella utseende, och bilen ansågs vara en flopp. Ändå var dess strömlinjeformade design långt före sin tid.
När 1950- och 60-talen kom, kom några av de största framstegen inom bilaerodynamik från racing. Ursprungligen experimenterade ingenjörer med olika konstruktioner, i vetskapen om att strömlinjeformade former kunde hjälpa deras bilar att gå snabbare och hantera bättre i höga hastigheter. Det utvecklades så småningom till en mycket exakt vetenskap för att skapa en så aerodynamisk racerbil som möjligt. Främre och bakre spoilers, spadformade nosar och aero-kit blev allt vanligare för att hålla luften strömmande över bilens ovansida och för att skapa nödvändig downforce på fram- och bakhjulen [källa:Formula 1 Network].
På konsumentsidan utvecklade företag som Lotus, Citroën och Porsche några mycket strömlinjeformade konstruktioner, men dessa applicerades mest på högpresterande sportbilar och inte vanliga fordon för vanliga förare. Det började förändras på 1980-talet med Audi 100, en passagerarsedan med en då oerhörd Cd på 0,30. Idag är nästan alla bilar designade med aerodynamik i åtanke på något sätt [källa:Edgar].
Vad hjälpte den förändringen att ske? Svaret:Vindtunneln. På nästa sida kommer vi att utforska hur vindtunneln har blivit avgörande för bildesign.
För att mäta en bils aerodynamiska effektivitet i realtid har ingenjörer lånat ett verktyg från flygindustrin – vindtunneln.
I huvudsak är en vindtunnel ett massivt rör med fläktar som producerar luftflöde över ett föremål inuti. Detta kan vara en bil, ett flygplan eller något annat som ingenjörer behöver mäta för luftmotstånd. Från ett rum bakom tunneln studerar ingenjörer hur luften interagerar med föremålet, hur luftströmmarna flyter över de olika ytorna.
Bilen eller planet inuti rör sig aldrig, men fläktarna skapar vind i olika hastigheter för att simulera verkliga förhållanden. Ibland kommer en riktig bil inte ens att användas -- designers förlitar sig ofta på exakta skalenliga modeller av sina fordon för att mäta vindmotståndet. När vinden rör sig över bilen i tunneln används datorer för att beräkna luftmotståndskoefficienten (Cd).
Vindtunnlar är egentligen inget nytt. De har funnits sedan slutet av 1800-talet för att mäta luftflödet över många tidiga flygplansförsök. Till och med bröderna Wright hade en. Efter andra världskriget började racerbilsingenjörer som sökte ett försprång gentemot konkurrenterna använda dem för att mäta effektiviteten hos sina bilars aerodynamiska utrustning. Den tekniken kom senare till personbilar och lastbilar.
Men de senaste åren används de stora vindtunnlarna som kostar flera miljoner dollar allt mindre. Datorsimuleringar börjar ersätta vindtunnlar som det bästa sättet att mäta aerodynamiken hos en bil eller ett flygplan. I många fall är vindtunnlar mestadels bara anlitade för att se till att datorsimuleringarna är korrekta [källa:Day].
Många tror att att lägga till en spoiler på baksidan av en bil är ett bra sätt att göra den mer aerodynamisk. I nästa avsnitt kommer vi att undersöka olika typer av aerodynamiska tillägg till fordon och undersöka deras roll i prestanda och ger bättre bränslekörning.
Det finns mer med aerodynamik än bara drag -- det finns andra faktorer som kallas lyftkraft och nedåtkraft också. Lyft är den kraft som motverkar vikten av ett föremål och lyfter det upp i luften och håller det där. Downforce är motsatsen till lyft -- kraften som trycker ett föremål i riktning mot marken [källa:NASA].
Du kanske tror att luftmotståndskoefficienten på en Formel 1-racerbil skulle vara väldigt låg -- en superaerodynamisk bil är snabbare, eller hur? Inte i det här fallet. En typisk F1-bil har en Cd på cirka 0,70.
Varför kan den här typen av racerbil köra i hastigheter på mer än 200 miles i timmen (321,9 kilometer i timmen), men ändå inte så aerodynamisk som du kanske har gissat? Det beror på att Formel 1-bilar är byggda för att generera så mycket downforce som möjligt. I de hastigheter de färdas, och med sin extremt låga vikt, börjar dessa bilar faktiskt uppleva lyft i vissa hastigheter - fysiken tvingar dem att lyfta som ett flygplan. Uppenbarligen är bilar inte avsedda att flyga genom luften, och om en bil går i luften kan det innebära en förödande krasch. Av denna anledning måste downforce maximeras för att hålla bilen på marken i höga hastigheter, och det betyder att en hög Cd krävs.
Formel 1-bilar uppnår detta genom att använda vingar eller spoilers monterade på fordonets fram- och baksida. Dessa vingar kanaliserar flödet till luftströmmar som pressar bilen mot marken - mer känd som downforce. Detta maximerar kurvtagningshastigheten, men den måste balanseras noggrant med lyft för att även ge bilen rätt hastighet i rak linje [källa:Smith].
Många produktionsbilar inkluderar aerodynamiska tillägg för att generera downforce. Även om superbilen Nissan GT-R har kritiserats en del i bilpressen för sitt utseende, är hela karossen designad för att kanalisera luft över bilen och tillbaka genom den ovala bakspoilern, vilket genererar massor av downforce. Ferraris 599 GTB Fiorano har flygande B-stolpar som är utformade för att kanalisera luft även bakåt - dessa hjälper till att minska luftmotståndet [källa:Classic Driver].
Men du ser massor av spoilers och vingar på vardagliga bilar, som Honda och Toyota sedaner. Tillför de verkligen en aerodynamisk fördel till en bil? I vissa fall kan det lägga till lite stabilitet i hög hastighet. Till exempel hade den ursprungliga Audi TT ingen spoiler på sitt bakre däckslock, men Audi lade till en efter att dess rundade kropp visade sig skapa för mycket lyft och kan ha varit en faktor i några vrak [källa:Edgar].
Men i de flesta fall kommer det inte att hjälpa till med prestanda, hastighet eller hantering av en stor spoiler på baksidan av en vanlig bil - om alls. I vissa fall kan det till och med skapa mer understyrning eller motvilja mot kurvtagning. Men om du tycker att den gigantiska spoilern ser bra ut på bakluckan på din Honda Civic, låt ingen säga något annat för dig.
För mer information om fordons aerodynamik och andra relaterade ämnen, gå vidare till nästa sida och följ länkarna.
