Что такое аэродинамика автомобиля и как это работает?

• 16.09.2021
• /
• Полезное, Как это устроено
• /
• Анна Криворучко

Спойлеры, сплиттеры, воздухозаборники, обвесы… Это лишь малая часть тех «украшений», которые наводнили наши улицы в нулевых годах. Пожалуй, тогда в России настала «золотая» эпоха народного автомобильного тюнинга, и безумные антикрылья вырастали даже там, где им, кажется, совсем не место. Об их истинном предназначении догадывались единицы, а просчитать и установить аэродинамические элементы так, чтобы они выполняли свою прямую функцию, было под силу лишь самым заумным инженерам сопроматчикам.

Сейчас технологии, позволяющие «просчитать» машину в несколько кликов, стали доступнее. Появилось достаточно точное компьютерное моделирование, а аэродинамические трубы больше не ассоциируются только с космической промышленностью. Первопроходцами в области автомобильных аэродинамических изысканий, как всегда, стали спортивные команды, но очень скоро и производители серийных авто присмотрелись к результатам исследований и переняли опыт просветлённых товарищей. Фигурное прорезание воздуха — целое искусство и речь здесь не только о приятных глазу формах, но и о том, что можно ощутить только в движении.

Оказывается, аэродинамика может повлиять и на шум в машине, и на пресловутый разгон 0-100 км/ч, и даже на расход горючего. Как это работает? Давайте разберёмся вместе.

Коэффициент лобового сопротивления

Оказывается, воздух — субстанция капризная и непредсказуемая. В безветренную погоду о его существовании можно даже забыть, но всё меняется, когда вы начинаете двигаться. Невесомый газ будет превращаться практически в кисель по мере того, как вы будете ускоряться. Автомобиль лицом к лицу сталкивается со встречным потоком, и для того, чтобы понять, насколько эффективно машина преодолевает бесконечную воздушную преграду, придумали достаточно эфемерную, но прижившуюся величину — коэффициент лобового сопротивления. Этот показатель относительный и его нужно с чем-то сравнивать, поэтому господа учёные выбрали «эталон». И это не какая-то хитроумная фигура, а самый обычный цилиндр. Он должен быть такого же диаметра, как и самая широкая часть машины и сопротивление которое он встречает при движении принято считать равным 1. И вот когда сопротивление металлической «колбасы» известно, в такие же условия помещают тестируемый автомобиль. И если машина встречает вдвое меньшее сопротивление воздуха, то коэффициент её лобового сопротивления будет равен 0,5. Но сейчас такой показатель считается практически «провальным». Хотя многие представители «кирпичной» аэродинамики любимы и уважаемы на дорогах. Коэффициент лобового сопротивления брутального Gelandewagen, например, составляет целых 0,54. Для сравнения, самый аэродинамичный на сегодняшний день автомобиль может похвастаться значением 0,189. Это футуристичное творение концерна VAG — Volkswagen XL1.

Alfa Romeo Giulia

Кто-то может не поверить, что этот автомобиль имеет отличные аэродинамические характеристики, так как внешность классической Alfa Romeo Giulia представлена в виде квадрата. Но легендарная Alfa Romeo Giulia 1962 года показала в аэродинамической трубе уникальные результаты. Коэффициент сопротивления составлял всего 0,34, что ниже даже у более бегло выглядящего NSU Ro 80 (0,355), который вышел на рынок только пять лет спустя.

От чего зависят аэродинамические показатели?

На самом деле, факторов может набраться на пару полноценных книг. Но выделить основные категории все таки можно:

• геометрия передней части;
• геометрия боков;
• геометрия задней части;
• геометрия днища;
• шероховатость поверхностей.

Для того, чтобы машина встречала меньшее сопротивление воздуха, важно, чтобы его потоки обтекали автомобиль максимально плавно. При встрече с препятствием воздушный поток сначала сопротивляется, а потом всё же разделяется. Одна его часть минует преграду сверху, другая — снизу, а третья и четвёртая части — сбоку. Представьте, что воздух вокруг машины — это горизонтальные ниточки с пружинами по всей длине. Когда автомобиль въезжает в это полосатое пространство происходит вот что: сначала нужно заставить преграду расступиться. Чем больше площадь участка который первым встретился с эластичным препятствием, тем большее пружин придётся сжать одновременно для того, чтобы продолжить движение. Когда это случилось, нитки начинают постепенно распределяться по кузову и днищу.

Пружины начинают сжиматься дальше, и за счёт этого нити поднимаются по решётке радиатора пока не доберутся до капота. Там обычно есть вполне себе внушительная ступенька, поэтому пружине надо резко сжаться ещё. Затем настаёт очередь ветрового стекла, которое заставляет витки напрячься ещё больше. Так продолжается до тех пор, пока кузов не начнёт сглаживаться и у пружины не появится место для того, чтобы разжаться до нормального состояния. Если линия крыши постепенно заваливается и перетекает в багажник, воображаемая пружина будет разжиматься постепенно, а не менее воображаемая нить будет спокойно очерчивать контур. А вот если сжатая пружина внезапно потеряет опору, то она сначала резко разожмётся, а потом будет колебаться до тех пор, пока не израсходует всю накопленную энергию. Такие хаотичные движения в момент внезапной потери опоры отлично визуализируют турбулентность. В момент её возникновения образуются потоки так называемого возмущённого воздуха, которые завихряются и, тем самым, создают область пониженного давления. Самый простой пример зоны повышенной турбулентности — конец прицепа фуры. Можно физически ощутить, как туда «затягивает», если проехать мимо. Ещё из курса школьной физики известно, что любой предмет стремиться двигаться туда, где давление меньше. Этим и обусловлен такой неприятный эффект. Но если с соседями по потоку всё понятно, то о собственноручно генерируемом «вакууме» многие забывают. Если воздушный поток внезапно оборвался позади вашей машины, то возникшая турбулентность будет буквально засасывать вас обратно, препятствуя движению вперёд.

А ещё стоит учесть, что современные автомобили по своей геометрии отдалённо напоминают форму крыла самолёта.

Днище вашего автомобиля достаточно плоское, и поэтому турбулентных потоков возникает относительно немного, чего не сказать о верхней части кузова. Это значит, что над крышей давление воздуха меньше, чем под колёсами. От этого автомобиль немного приподнимается над дорогой и чем дорожный просвет больше, тем сильнее этот эффект. Самолёты похожим образом опираются на воздух и генерируют подъёмную силу из разницы давлений. На машине вы, конечно, не взлетите, но о таких шутках воздуха лучше не забывать, особенно когда вы едете быстро.

ALFA 40-60 HP Aerodinamica Castagna

Первым в истории шоу-каром и первой попыткой применить принципы аэродинамики к автомобилям был аэродинамический автомобиль ALFA, выпущенный в 1914 году (в те годы марка еще не называлась Alfa Romeo).

Смотрите также: Необычные автомобили, которые приехали на техосмотр

Автомобиль был создан итальянской компанией Carrozzeria Castagna для графа Марио Рикотти. Кузов машины был выполнен в виде капли и опирался на классическую раму.

Благодаря алюминиевому кузову и отсутствию капота максимальная скорость этого концепта составляла 120 км/ч. Когда машина пошла в серийный выпуск, скорость уже составляла 139 км/ч. К сожалению, точное значение аэродинамического сопротивления воздуха этого автомобиля неизвестно.

Как аэродинамика влияет на поведение автомобиля

Аэродинамика начинает работать тогда, когда автомобиль сдвигается с места, но на низких скоростях ощутить это практически невозможно. Но чем быстрее вы будете двигаться, тем большее влияние на машину будет оказывать окружающая среда.

Шум

Чем быстрее вы едете, тем шумнее становится в салоне. И гудят не только покрышки. Ко всем сопутствующим ежедневной езде звукам добавляются ещё и аэродинамические шумы. Всё гудение и кряхтение, раздающееся вокруг — это звук, с которым воздух «срывается» с кузова автомобиля, а потом «бьётся» в стёкла и двери. Чем быстрее вы будете ехать, тем большее количество воздуха будет с шумом «утекать» со стоек, зеркал и других излишне выступающих частей экстерьера, отсюда и нарастающий шум.

Разгон

Неспроста я успела обозвать воздушную массу киселём. Ведь воздух правда всеми силами сопротивляется передвижению в нём. Работает это примерно так: сила сопротивления воздуха увеличивается пропорционально квадрату скорости, а это значит, что, при прочих равных, если вы ускоритесь с 60 до 70 км/ч, сила сопротивления вырастет примерно на 35%, а если разогнаться до 100 км/ч — на 180%. Получается, что чем быстрее вы едете, тем больше машине требуется мощности на преодоление воздушной преграды. Соответственно, на высоких скоростях может значительно вырасти потребление горючего, а разгон при этом серьёзно «просядет», даже если номинальный запас мощности мотора не исчерпан.

Управляемость

На управляемость сильно влияет подъёмная сила, которая возникает под днищем вашей машины. На маленьких скоростях вес автомобиля больше, чем воздействие воздуха снизу, но на скоростях выше городских вы можете почувствовать, что машина начала по-другому управляться и очень уж нервно реагировать, например, на боковые порывы ветра. Это происходит потому, что кузов чуть приподнялся над дорогой, и часть веса машины приняла на себя своеобразную воздушную подушку. Поэтому пятно контакта колёс с дорогой стало чуть меньше, от этого и неприятная нестабильность в управлении. У всех автомобилей эта «критическая» скорость разная. Кто-то «взлетает» на 100 км/ч, а кому-то и скорость 210 не страшна. Это зависит и от геометрии кузова, веса самой машины и от того, что автомобиль может противопоставить подъёмной силе.

Для каких целей требуется

Практически каждый водитель знает, для чего может потребоваться аэродинамика машины. От того, насколько обтекаемая форма кузова, будет меньше расходоваться топливо из-за сниженного сопротивления. Такое авто не только поможет ежедневно экономить финансы, но и уменьшит количество отравляющих химикатов в окружающую среду. На первый взгляд может показаться, что ответ понятный, но каких-то деталей все же не хватает. Опытные специалисты, работающие в сфере аэродинамики, стараются довести форму кузова машины, а также выполнить следующий ряд действий:

• сделать расчеты, чтобы правильно распределить подъемную силу по осям. Это крайне важно, учитывая возможный высокоскоростной режим у автомобилей нынешнего времени;

• обеспечение нормальной циркуляции воздуха, чтобы своевременно происходило охлаждение двигателя и тормозной системы;

• тщательное планирование мест, откуда будет забираться воздух и выходить, чтобы обеспечить качественную и эффективную вентиляционную систему в салоне;

• делают максимум усилий, чтобы снизить возникающий шум в салоне;

• оптимизация форм деталей для кузова, чтобы снизить загрязнение стекол, осветительных приборов и зеркал.

Стоит отметить, что порой найденное решение для одной задачи, может быть противоречивым для реализации другой проблемы. Так, например, когда снижается показатель лобового сопротивления, это приводит к улучшению обтекаемости. Но вместе с этим начинает теряться былая устойчивость транспортного средства к порывам ветра с боковой части. Поэтому производителям приходится постоянно находить компромиссное решение.

Зачем нужны спойлеры

Если уж мы никуда не можем деться от воздуха и его капризов, то стоит попробовать обратить его способности во благо. Так думали автомобилестроители раньше и продолжают думать сейчас. Главными новаторами и идейными вдохновителями как всегда являются спортивные подразделения автомобильных концернов. Там и с формой днища изощряются, и специальные обвесы изготавливают, и выхлопную системы в технике кружев Ришелье изобретают. Но все эти эффективные инновации вместить в одну серийную гражданскую машину не получится — больно уж дорого и сложно. Приходится выбирать самый простой, надёжный и действенный способ скорректировать поведение машины в воздушном потоке. И если лобовое сопротивление и повышенные шумы можно побороть только полной перестройкой кузова, то со «взлётами» бороться можно иначе. Для этого подойдут передние сплиттеры и задние антикрылья (спойлеры). Сплиттер помогает уменьшить дорожный просвет и буквально отсечь часть воздуха, попадающего под машину на скорости. Это помогает снизить подъёмную силу.

Спойлер же сглаживает поток воздуха, срывающийся с крыши и заднего стекла автомобиля. Но помимо «спрямления» потока, правильно подобранное антикрыло преобразует сопротивление воздуха в прижимную силу. Получается, что воздух встречается с поверхностью антикрыла под таким углом, что часть силы сопротивления направлена в сторону дорожного полотна. Благодаря жёсткому креплению спойлера к кузову, задней части автомобиля не остаётся ничего, кроме как прижаться к земле под воздействием потока воздуха. Это помогает сохранить управляемость, а на заднем приводе ещё и помогает реализовать мощность на ведущих колёсах. Кстати, передние антикрылья тоже есть, но только в мире профессионального автоспорта.

Как видите, аэродинамика — вещь сложная. И подружиться с ней бывает непросто, даже имея почти безграничные ресурсы. Ведь даже крошечная ошибка в расчётах может привести к эффекту, который будет строго противоположен ожидаемому. Да, есть талантливые механики, которые могут преобразить автомобиль, приладив буквально пару планочек, но, по большей части, все незаводские навесные элементы скорее облагораживают внешность машины, а не её повадки. Давайте будем честными: все же мы любим глазами, а все атрибуты настоящего спорткара уж точно заставят проводить их обладателя взглядом.

Двигатель спереди, передний привод

В таких машинах вся мощность концентрируется в передней части. Чтобы исключить негативное действие воздушных масс, необходимо обзавестись передним сплиттером, который часто называют «губой на бампер».

Еще одна полезная деталь для создания прижимной силы – дефлектор на бампер (также устанавливается на передней части авто).

Этих двух делателей достаточно, чтобы дать автомобилю дополнительную прижимную силу и снизить потери мощности.

Tesla Model S

Tesla Model S представляет собой электрический автомобиль, который изменил историю автопромышленности, направив весь автомир развиваться по новому пути. И все это благодаря дальновидности главы компании Илона Маска и дизайнера Франца фон Хольцхаузена, который разработал пятиместный седан с коэффициентом аэродинамического сопротивления воздуха 0,24.

Для сравнения: в 2012 году это значение представляло собой общий мировой рекорд для массовых серийных автомобилей. Такой коэффициент имели автомобили Mercedes S-класса. Благодаря потрясающей форме кузова автомобили Тесла в идеальных условиях могут проехать 400-500 километров.

Mercedes-Benz А-Класс седан

К концу нынешнего десятилетия (на данный момент) самым аэродинамическим автомобилем на рынке является седан Mercedes A-класса (модельный ряд 2022 года) с исключительной аэродинамикой (коэффициент 0,22 cd).

Это стало возможным благодаря комплексной герметизации кузова автомобиля (включая герметизацию фар), включая полную герметизацию днища автомобиля. В том числе полностью изолирован моторный отсек, детали задней подвески и многое другое. Спойлеры колес сзади и спереди были специально оптимизированы, чтобы колеса могли вращаться с минимальными потерями.

Audi 80

Компания Audi, начиная с 1980-х, начала устанавливать свои высокие стандарты аэродинамических характеристик, навязав другим автопроизводителям новую планку. Так, сначала была представлена Audi 100 C3, которая в аэродинамической трубе показала коэффициент сопротивления воздуха 0,30 cd, а затем в 1986 году была представлена Audi 80 B3 («бочка»), показавшая коэффициент сопротивления 0,29. Для справки: уже в 1987 году новая модель Opel Omega A имела коэффициент аэродинамического сопротивления воздуха 0,28. 1980-е годы можно смело назвать десятилетием аэродинамики в автопромышленности.