Сила сопротивления воздуха

При движении автомобиль преодолевает сопротивление воздуха, которое складывается из нескольких сопротивлений. Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигается, в то время как в задней части автомобиля создается разрежение, которое вызывает образование завихрений (рис. 6).

Рис. 6. Схема обтекания автомобиля воздухом

Наибольшая часть мощности при преодолении сопротивления воздуха затрачивается на образование воздушных вихрей. Если все сопротивление воздуха принять за 100%, то на образование воздушных вихрей будет приходиться примерно 60%. Около 25% составляет сопротивление, создаваемое выступающими частями автомобиля (крылья, подножки и т. д.), а также сопротивление, возникающее при прохождении воздуха через радиатор. Около 15% общего сопротивления воздуха приходится на трение поверхности автомобиля об обтекающие его слои воздуха.

Сопротивление воздуха движению автомобиля тем больше, чем выше его скорость и чем больше его лобовая площадь.

Опытным путем установлено, что сила сопротивления воздуха

где К — коэффициент сопротивления воздуха, который представляет собой силу сопротивления воздуха (в кГ), приходящуюся на 1 м² лобовой площади автомобиля, движущегося со скоростью 1 м/сек. Размерность этого коэффициента кГ x сек²/м⁴; F — лобовая площадь автомобиля, определяемая его проекцией на плоскость, перпендикулярную продольной оси автомобиля, в м²; v_a — скорость движения автомобиля в м/сек. Произведение KF принято называть фактором обтекаемости и обозначать W.

Фактор обтекаемости определяет зависимость силы сопротивления воздуха от размеров и формы автомобиля.

Лобовую площадь легкового автомобиля с достаточной степенью точности можно вычислить по формуле

а грузового по формуле

где

В₁ — наибольшая ширина автомобиля в м;

Н_а — наибольшая высота автомобиля в м;

В — колея автомобиля в м.

Если скорость автомобиля v_a взята в км/ч, то

Мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха,

Для уменьшения сопротивления воздуха движению автомобиля необходимо, чтобы кузов и кабина автомобиля имели как можно меньше острых углов, особенно в задней части, в силу чего наблюдается значительное вихреобразование.

Таблица 1

Значения коэффициента К сопротивления воздуха и величин лобовой площади F

Большое значение для уменьшения сопротивления воздуха имеет правильно выбранный контур автомобиля.

Так, удлинение хвостовой части благоприятно сказывается на снижении фактора обтекаемости.

Значительное влияние на сопротивление воздуха оказывают выступающие из общих контуров автомобиля детали (крылья, колеса, подножки), крепление запасных колес, форма нижней части кузова и др.

Некоторые значения коэффициента сопротивления воздуха и величины лобовой площади

Сила тяжести — главная физическая сила, воздействующая на автомобиль. Сила тяжести всегда устремлена вертикально вниз, при этом она равномерно рассредоточивается по всем осям и колесам транспортного средства. Вес машины давит на поверхность проезжей части, и с увеличением этого веса пропорционально увеличивается сила сцепления колес с дорожным покрытием.

Эта сила особенно заметно действует, когда машина трогается с места, а также при последующем движении ведущих колес. При движении по наклонной дороге сила тяжести распадается на две составляющие. Одна давит на машину и прижимает ее к поверхности проезжей части, а вторая стремится опрокинуть ее по направлению движения или в поперечном направлении дороги (это зависит от направления уклона). Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем больше опрокидывающая сила, следовательно, выше вероятность опрокидывания.

Помимо силы тяжести и силы опрокидывания на любое транспортное средство оказывает влияние ряд других физических сил, среди которых можно отметить следующие:

• сила сопротивления качению возникает при трении шины о дорогу и подшипников в колесах;
• сила сопротивления подъему определяется массой автомобиля и углом подъема;
• сила инерции покоя, когда автомобиль трогается с места и разгоняется, направлена против движения;
• сила инерции движения направлена по ходу движения;
• центробежная сила направлена по радиусу от центра кривой поворота и стремится снести автомобиль с дороги;
• сила сопротивления воздуха направлена против движения, величина зависит от обтекаемости автомобиля и скорости его движения;
• сила давления сильного бокового ветра или аэродинамического влияния потоков воздуха от большого обгоняющего или обгоняемого автомобиля стремится снести машину с дороги и зависит от парусности (боковой площади кузова);
• подъемная сила возникает при движении с большой скоростью от давления потока воздуха, попадающего под передок автомобиля, стремится оторвать колеса от дороги, ухудшая сцепление колес с дорогой и управляемость;
• сила сноса возникает при заносе задних или сносе передних колес;
• сила сцепления зависит от нагрузки на ведущие колеса, состояния и качества дорожного покрытия, давления в шинах, скорости, степени износа протектора;
• сила тяги определяется величиной крутящего момента, переданного от трансмиссии на колеса, вызывает движение автомобиля за счет отталкивания колес от дороги;
• сила торможения возникает при торможении автомобиля.

Транспортное средство будет двигаться только при условии, что сила тяги превышает силу инерции покоя, но при этом уступает силе сцепления ведущих колес с дорогой. Если сила тяги ведущих колес автомобиля превышает силу сцепления этих колес с поверхностью проезжей части, то возникает пробуксовывание. Когда сила сцепления колес с дорожным покрытием превышает тормозную силу, транспортное средство затормаживается, если она меньше тормозной силы — машина скользит «юзом».

Инерция движения позволяет транспортному средству ехать на большой скорости с незначительной подачей топлива (поэтому движение с постоянной скоростью 80–90 км/ч считается самым экономичным), а также на протяжении какого-то времени с отключенным двигателем (это называется «накатом»).

Силе торможения оказывают содействие силы сопротивления качению, подъему, воздуха и центробежная сила. Препятствует процессу торможения сила инерции движения, которая особенно возрастает при движении с уклона. Во время торможения, а также при движении с уклона сила тяжести перемещается вперед и формирует продольный опрокидывающий момент. Он создает дополнительную нагрузку на переднюю ось, которую можно использовать для улучшения сцепления с дорожным покрытием на повороте, тормозя двигателем и поворачивая колеса.

Величина центробежной силы определяется скоростью и весом транспортного средства, а также радиусом поворота. Следовательно, добиться уменьшения этой силы можно, снизив скорость движения либо увеличив радиус поворота.

В результате бокового скольжения колес может возникать такое опасное явление, как снос передних и занос задних колес. Это может стать причиной вращения автомобиля вокруг вертикальной оси наподобие волчка. Снос передних и занос задних колес могут возникать по следующим причинам:

• при движении — разные тяговые силы на колесах;
• при торможении — разные тормозные силы на колесах одной оси, разные силы сцепления колес с дорогой, неправильное размещение груза относительно продольной оси автомобиля;
• на повороте — торможение, резкий поворот управляемых колес, сила инерции превышает силу сцепления колес с дорогой.

При заносе автомобиль может опрокинуться по следующим причинам: