Война компромиссов

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 памятны отрывающиеся крылья на болидах Формулы 1. Это во многом было следствием экспериментов с гибкими аэродинамическими элементами. 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.

На дне 
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. Вспомним каплю – идеальную аэродинамическую форму, созданную самой природой. Разряжение за каплей, благодаря ее сужающейся форме, минимально. Поэтому создателям автомобилей нужно стремиться к каплевидной форме задней части. Но здесь вступают в действие конструктивно-компоновочные соображения, согласно которым кроме аэродинамики есть еще много важных аспектов. Поэтому на практике сначала получают габариты задней части, а уже потом работают над обводами кузова, пытаясь угодить столь капризной аэродинамике. Ну а средств не так уж много: поработать над формой крыльев, багажника или капота, установить диффузор, не очень усердствовать со спойлерами и антикрыльями.

Не дышите. Дышите

Охлаждение агрегатов автомобиля – отдельная большая тема. У нее много граней, и мы с вами сейчас коснемся лишь одной из них – той, что связана с аэродинамикой. Итак, воздух в системах охлаждения нужен для того, чтобы забрать тепло. Но мало просто пустить воздух к радиатору или охлаждаемому агрегату. Его нужно еще и отвести от объекта охлаждения.

Во-первых, это необходимо для повышения эффективности системы охлаждения. Чем больше нагретого воздуха в единицу времени мы отведем, тем больше ненагретого газа придет ему на смену. Во-вторых, все тот же поршень. Если воздух будет плохо отводиться от радиатора, то перед ним создастся избыточное давление, которое приведет к росту лобового сопротивления. Поэтому на гоночных автомобилях часто можно видеть жабры для отвода горячих газов.

Но просто отвести нагретый газ мало. Как известно, температура – это мера энергии. Когда мы ощущаем теплый воздух, то это означает, что его молекулы имеют большую кинетическую энергию, сильнее и чаще бьются о нас и передают нам эту энергию. Мы же просто чувствуем тепло. Так вот, отведенный поток более активен, чем тот, что не участвовал в охлаждении. Внутри более нагретого потока и на его границе велика вероятность образования турбулентных течений. Поэтому необходимо особо тщательно прорабатывать пути отвода горячих газов. Взгляните на болиды Формулы 1: их боковые понтоны изрезаны жабрами самой причудливой формы.

Так же немаловажным является вопрос отведения выхлопных газов от двигателя. С одной стороны лучше расположить выхлопные трубы сзади, где поток уже перестает обтекать автомобиль и следить за ламинарностью пограничного слоя нет нужды. Но с другой стороны таким жестом можно повлиять на работу диффузора. Поэтому на спортивных автомобилях часто можно увидеть выхлопные трубы в других местах. На тех же формульных болидах они расположены обычно перед задними колесами, там где уже течет нагретый радиаторами воздушный поток.

Напоследок

Аэродинамика как весы. На одной чаше прижимная сила, на другой – лобовое сопротивление. Но смотрим мы на эти чаши через кривое зеркало. Взглянули под одним углом, и перевешивает прижимная сила, поскольку в общем случае надо стремиться к большей стабильности и меньшему сопротивлению. Посмотрели под другим, и вниз тянет лобовое сопротивление, так как на быстрых трассах его снижение важнее, чем создание прижимной силы. Вроде бы лишь немного сдвинули свой взгляд в сторону, а победа вновь на стороне прижимной силы, ибо мы находимся на медленном автодроме. И так можно продолжать бесконечно. Настолько многолика сама аэродинамика и настолько широко ее применение в автоспорте.