Сила сопротивления воздуха

Дорожная эксплуатационная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений, весьма велика (см. рис.). Например, для поддержания равномерного движения (190 км/ч) четырех дверного седана, массой 1670 кг, площадью миделя 2,05 м², С_х = 0,45 требуется около 120 кВт мощности, причем 75 % мощности затрачивается на аэродинамическое сопротивление. Мощности, затрачиваемые на преодоление аэродинамического и дорожного (качения) сопротивления приблизительно равны на скорости 90 км/ч, и в сумме составляют 20 – 25 кВт.

Примечание к рисунку: сплошная линия – аэродинамическое сопротивление; пунктирная линия – сопротивление качению.

Сила сопротивления воздуха Р_w обусловлена трением в прилегающих к поверхности автомобиля слоях воздуха, сжатием воздуха движущейся машиной, разрежением за машиной и вихреобразованием в окружающих автомобиль слоях воздуха. На величину аэродинамического сопротивления автомобиля влияет ряд и других факторов, главным из которых является его форма. В качестве упрощенного примера влияния формы автомобиля на его аэродинамическое сопротивление проиллюстрировано на схеме, приведенной ниже.

Направление движения автомобиля

Значительная часть всей силы сопротивления воздуха составляет лобовое сопротивление, которое зависит от лобовой площади (наибольшей площади поперечного сечения автомобиля).

Для определения силы сопротивления воздуха используют зависимость:

Р_w = 0,5·с_х·ρ·F·vⁿ ,

где с_х – коэффициент, характеризующий форму тела и аэродинамическое качество машины (коэффициент аэродинамического сопротивления);

F - лобовая площадь автомобиля (площадь проекции на плоскость, перпендикулярную продольной оси), м²;

v - скорость движения машины, м/с;

n - показатель степени (для реальных скоростей движения автомобилей принимается равным 2).

ρ - плотность воздуха:

, кг/м³,

где ρ₀ = 1,189 кг/м³, р₀ = 0,1 МПа, Т₀ = 293К – плотность, давление и температура воздуха при нормальных условиях;

ρ, р, Т – плотность, давление и температура воздуха при расчетных условиях.

При расчетах лобовую площадь F легковых автомобилей со стандар­тным кузовом определяют по приближенной формуле:

F = 0,8В_гН_г,

где В_г - габаритная ширина автомобиля, м;

Н_г - габаритная высота автомобиля, м.

Для автобусов и грузовых автомобилей с кузовом в виде фургона или с тентом:

F = 0,9В_ГН_Г.

Для условий работы автомобиля плотность воздуха изменяется мало (ρ = 1,24…1,26 кг/м³). Заменив произведение (0,5·с_х·ρ) , через к_w, получим:

Р_w = к_w ·F·v² ,

где к_w – коэф­фициент обтекаемости; по определению он представляет собой удельную силу в Н, необходимую для движения со скоростью 1 м/с в воздушной среде тела данной формы с лобовой площадью 1 м²:

, Н·с²/м⁴.

Произведение (к_w·F)называют фактором сопротивления воздушной среды или фактором обтекаемости, характеризующим размеры и форму автомобиля в отношении свойств обтекаемости (его аэродинамические качества).

Средние значения коэффициентов с_х, k_w и лобовых площадей F для различных типов автомобилей приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Параметры, характеризующие аэродинамические качества автомобилей:

Известные значения аэродинамических коэффициентов c_x и k_w и площади габаритного поперечного (миделевого) сечения F для некоторых серийно выпускаемых автомобилей (по данным заводов-изготовителей) приведены в табл. 2.1.-а.

Таблица 2.1-а.