Pedeorelha | Hoe aerodynamica werkt

Peter Tucker
0
4237
630

Voertuigen met een aerodynamisch ontwerp zijn doorgaans stabieler bij hogere snelheden. Bekijk meer foto's van sportwagens. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Het is onaangenaam om erover na te denken, maar stel je voor wat er zou gebeuren als je met je auto tegen een bakstenen muur zou rijden met een snelheid van 65 mijl per uur (104,6 kilometer per uur). Metaal zou draaien en scheuren. Glas zou versplinteren. Airbags zouden losbarsten om u te beschermen. Maar zelfs met alle vorderingen op het gebied van veiligheid die we hebben bij onze moderne auto's, zou dit waarschijnlijk een zwaar ongeluk zijn om voor weg te lopen. Een auto is gewoon niet ontworpen om door een bakstenen muur te gaan.

Maar er is een ander type 'muur' waar auto's doorheen moeten rijden, en dat is al lang zo: de muur van lucht die met hoge snelheid tegen een voertuig drukt.

De meesten van ons zien lucht of wind niet als een muur. Bij lage snelheden en op dagen dat het buiten niet erg winderig is, is het moeilijk op te merken hoe de lucht in wisselwerking staat met onze voertuigen. Maar bij hoge snelheden en op uitzonderlijk winderige dagen, luchtweerstand (de krachten die door de lucht op een bewegend object worden uitgeoefend - ook wel gedefinieerd als slepen) heeft een enorm effect op de manier waarop een auto accelereert, behandelt en brandstofverbruik aflegt.

Hier komt de wetenschap van aerodynamica om de hoek kijken. Aërodynamica is de studie van krachten en de daaruit voortvloeiende beweging van objecten door de lucht [bron: NASA]. Al decennia lang worden auto's ontworpen met het oog op aerodynamica, en autofabrikanten hebben een verscheidenheid aan innovaties bedacht die het gemakkelijker maken om door die "muur" van lucht te snijden en minder van invloed op het dagelijks rijden..

-Als een auto is ontworpen met luchtstroom in gedachten, betekent dit dat hij minder moeite heeft om te accelereren en een lager brandstofverbruik kan behalen, omdat de motor niet zo hard hoeft te werken om de auto door de luchtmuur te duwen..

Ingenieurs hebben hiervoor verschillende manieren ontwikkeld. Zo zijn meer afgeronde ontwerpen en vormen aan de buitenkant van het voertuig gemaakt om lucht zo te kanaliseren dat het met zo min mogelijk weerstand door de auto stroomt. Sommige high-performance auto's hebben zelfs onderdelen die de lucht soepel over de onderkant van de auto laten bewegen. Velen bevatten ook een spoiler -- ook wel bekend als een achtervleugel -- om te voorkomen dat de lucht de wielen van de auto optilt en deze bij hoge snelheden instabiel maakt. Hoewel, zoals je later zult lezen, de meeste spoilers die je op auto's ziet, meer dan wat dan ook alleen ter decoratie zijn.

In dit artikel zullen we kijken naar de fysica van aerodynamica en luchtweerstand, de geschiedenis van hoe auto's zijn ontworpen met deze factoren in gedachten en hoe aerodynamica nu belangrijker dan ooit is met de trend naar 'groenere' auto's..

Inhoud

De wetenschap van aerodynamica
De weerstandscoëfficiënt
Geschiedenis van aerodynamisch auto-ontwerp
Drag meten met windtunnels
Aerodynamische add-ons

Voordat we kijken naar hoe aerodynamica wordt toegepast op auto's, volgt hier een kleine opfriscursus natuurkunde, zodat u het basisidee kunt begrijpen.

Terwijl een object door de atmosfeer beweegt, verplaatst het de lucht eromheen. Het object is ook onderhevig aan zwaartekracht en weerstand. Slepen wordt gegenereerd wanneer een vast object door een vloeibaar medium zoals water of lucht beweegt. Slepen neemt toe met de snelheid - hoe sneller het object reist, hoe meer slepen het ervaart.

We meten de beweging van een object met behulp van de factoren die worden beschreven in de wetten van Newton. Deze omvatten massa, snelheid, gewicht, externe kracht en versnelling.

Slepen heeft een direct effect op de versnelling. De versnelling (a) van een object is zijn gewicht (W) minus weerstand (D) gedeeld door zijn massa (m). Onthoud dat gewicht de massa van een object is maal de zwaartekracht die erop inwerkt. Je gewicht zou op de maan veranderen door een kleinere zwaartekracht, maar je massa blijft hetzelfde. Om het eenvoudiger te zeggen:

a = (W - D) / m

(bron: NASA)

Naarmate een object versnelt, nemen zijn snelheid en weerstand toe, uiteindelijk tot het punt waarop de weerstand gelijk wordt aan het gewicht - in welk geval er geen verdere versnelling kan optreden. Laten we zeggen dat ons doel in deze vergelijking een auto is. Dit betekent dat naarmate de auto sneller en sneller rijdt, er steeds meer lucht tegenaan duwt, waardoor het aantal versnellingen wordt beperkt en het tot een bepaalde snelheid wordt beperkt..

Hoe is dit allemaal van toepassing op auto-ontwerp? Nou, het is handig om een belangrijk getal te berekenen: luchtweerstandscoëfficiënt. Dit is een van de belangrijkste factoren die bepalen hoe gemakkelijk een object door de lucht beweegt. De weerstandscoëfficiënt (Cd) is gelijk aan de weerstand (D), gedeeld door de hoeveelheid van de dichtheid (r) maal de helft van de snelheid (V) in het kwadraat maal het gebied (A). Om dat beter leesbaar te maken:

Cd = D / (EEN * .5 * r * V ^ 2)

[bron: NASA]

Dus realistisch gezien, hoeveel luchtweerstandscoëfficiënt streeft een auto-ontwerper na als ze een auto bouwen met een aerodynamische bedoeling? Lees het op de volgende pagina.

De unieke vorm van de Toyota Prius is een van de factoren die hem helpen om een ongelooflijk brandstofverbruik te realiseren. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -We hebben net vernomen dat de luchtweerstandscoëfficiënt (Cd) een getal is dat de kracht van de luchtweerstand op een object meet, zoals een auto. Stel je nu de kracht van lucht voor die tegen de auto drukt terwijl deze over de weg rijdt. Bij 70 mijl per uur (112,7 kilometer per uur) werkt er vier keer meer kracht tegen de auto dan bij 35 mijl per uur (56,3 kilometer per uur) [bron: Elliott-Sink].

De aerodynamische eigenschappen van een auto worden gemeten met behulp van de luchtweerstandscoëfficiënt van het voertuig. In wezen, hoe lager de Cd, hoe aerodynamischer een auto is en hoe gemakkelijker hij door de luchtmuur kan bewegen die er tegenaan duwt.

Laten we eens kijken naar een paar cd-nummers. Herinner je je de boxy oude Volvo-auto's uit de jaren 70 en 80 nog? Een oude Volvo 960 sedan behaalt een Cd van .36. De nieuwere Volvo's zijn veel slanker en bochtiger, en een S80 sedan haalt een Cd van .28 [bron: Elliott-Sink]. Dit bewijst iets dat je misschien al hebt kunnen raden: gladdere, meer gestroomlijnde vormen zijn aerodynamischer dan boxy. Waarom is dat precies??

Laten we eens kijken naar het meest aerodynamische ding in de natuur - een traan. De traan is aan alle kanten glad en rond en loopt aan de bovenkant taps toe. Lucht stroomt er soepel omheen terwijl het op de grond valt. Hetzelfde geldt voor auto's - gladde, afgeronde oppervlakken laten de lucht in een stroom over het voertuig stromen, waardoor de "druk" van lucht tegen het lichaam wordt verminderd.

Tegenwoordig halen de meeste auto's een Cd van ongeveer .30. SUV's, die doorgaans meer boxy zijn dan auto's omdat ze groter zijn, meer mensen kunnen huisvesten en vaak grotere roosters nodig hebben om de motor te helpen afkoelen, hebben een Cd van ergens tussen de 0,30 en 0,40 of meer. Pick-uptrucks - een doelbewust boxy-ontwerp - rijden meestal rond .40 [bron: Siuru].

Velen hebben vraagtekens gezet bij het "unieke" uiterlijk van de Toyota Prius-hybride, maar hij heeft niet voor niets een extreem aerodynamische vorm. Naast andere efficiënte kenmerken helpt zijn Cd van .26 hem een zeer hoog aantal kilometers te bereiken. In feite kan het verlagen van de Cd van een auto met slechts 0,01 resulteren in een toename van 0,2 mijl per gallon (0,09 kilometer per liter) van het brandstofverbruik [bron: Siuru].

Op de volgende pagina zullen we de geschiedenis van aerodynamisch ontwerp bekijken.

Deze antieke auto's laten zien hoe weinig bekend was over de aerodynamica van voertuigen in het begin van de 20e eeuw. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Hoewel wetenschappers zich al heel lang min of meer bewust zijn van wat er nodig is om aerodynamische vormen te creëren, duurde het even voordat die principes werden toegepast op auto-ontwerp.

Er was niets aerodynamisch aan de eerste auto's. Kijk eens naar Ford's baanbrekende Model T - het lijkt meer op een paardenkoets minus de paarden - inderdaad een heel boxy ontwerp. Veel van deze vroege auto's hoefden zich geen zorgen te maken over aerodynamica omdat ze relatief traag waren. Sommige racewagens uit de vroege jaren 1900 hadden echter tot op zekere hoogte taps toelopende en aerodynamische kenmerken.

In 1921 creëerde de Duitse uitvinder Edmund Rumpler de Rumpler-Tropfenauto, wat zich vertaalt in "traanauto". Gebaseerd op de meest aerodynamische vorm in de natuur, de traan, had hij een Cd van slechts 0,27, maar zijn unieke uiterlijk viel nooit op bij het publiek. Er zijn er maar ongeveer 100 gemaakt [bron: Price].

Aan Amerikaanse zijde kwam een van de grootste sprongen voorwaarts op het gebied van aerodynamisch ontwerp in de jaren dertig met de Chrysler Airflow. Geïnspireerd door vogels tijdens de vlucht, was de Airflow een van de eerste auto's die was ontworpen met het oog op aerodynamica. Hoewel het een aantal unieke constructietechnieken gebruikte en een gewichtsverdeling van bijna 50-50 had (gelijke gewichtsverdeling tussen de voor- en achteras voor een betere wegligging), werd een door de Grote Depressie vermoeid publiek nooit verliefd op zijn onconventionele uiterlijk, en de auto werd als een flop beschouwd. Toch was het gestroomlijnde ontwerp zijn tijd ver vooruit.

Toen de jaren vijftig en zestig van de vorige eeuw ontstonden, kwamen enkele van de grootste verbeteringen in de auto-aerodynamica voort uit het racen. Oorspronkelijk experimenteerden ingenieurs met verschillende ontwerpen, wetende dat gestroomlijnde vormen hun auto's konden helpen sneller te rijden en beter te besturen bij hoge snelheden. Dat evolueerde uiteindelijk naar een zeer precieze wetenschap om de meest aerodynamische raceauto te maken. Voor- en achterspoilers, schepvormige neuzen en aero-kits werden steeds gebruikelijker om de lucht over de bovenkant van de auto te laten stromen en om de nodige neerwaartse kracht op de voor- en achterwielen te creëren [bron: Formula 1 Network].

Aan de consumentenkant ontwikkelden bedrijven als Lotus, Citroën en Porsche enkele zeer gestroomlijnde ontwerpen, maar deze werden meestal toegepast op high-performance sportwagens en niet op alledaagse voertuigen voor de gewone bestuurder. Dat begon in de jaren tachtig te veranderen met de Audi 100, een sedan voor passagiers met een toen nog nooit eerder vertoonde Cd van .30. Tegenwoordig zijn bijna alle auto's op de een of andere manier ontworpen met het oog op aerodynamica [bron: Edgar].

Wat hielp die verandering tot stand te brengen? Het antwoord: de windtunnel. Op de volgende pagina zullen we onderzoeken hoe de windtunnel van vitaal belang is geworden voor auto-ontwerp.

De aerodynamica van auto's (en vliegtuigen) wordt getest door windtunnels. - - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

Om de aerodynamische effectiviteit van een auto in realtime te meten, hebben ingenieurs een instrument uit de vliegtuigindustrie geleend: de windtunnel.

In wezen is een windtunnel een enorme buis met ventilatoren die een luchtstroom over een object binnenin produceren. Dit kan een auto, een vliegtuig of iets anders zijn dat ingenieurs moeten meten op luchtweerstand. Vanuit een kamer achter de tunnel bestuderen ingenieurs de manier waarop de lucht in wisselwerking staat met het object, de manier waarop de luchtstromen over de verschillende oppervlakken stromen..

De auto of het vliegtuig binnenin beweegt nooit, maar de ventilatoren creëren wind met verschillende snelheden om realistische omstandigheden te simuleren. Soms wordt er niet eens een echte auto gebruikt - ontwerpers vertrouwen vaak op exacte schaalmodellen van hun voertuigen om de luchtweerstand te meten. Terwijl de wind over de auto in de tunnel beweegt, worden computers gebruikt om de weerstandscoëfficiënt (Cd) te berekenen.

Windtunnels zijn echt niets nieuws. Ze bestaan al sinds het einde van de 19e eeuw om de luchtstroom te meten tijdens veel vroege vliegtuigpogingen. Zelfs de gebroeders Wright hadden er een. Na de Tweede Wereldoorlog begonnen raceauto-ingenieurs die een voorsprong op de concurrentie zochten, deze te gebruiken om de effectiviteit van de aerodynamische uitrusting van hun auto te meten. Die technologie vond later zijn weg naar personenauto's en vrachtwagens.

De laatste jaren worden de grote windtunnels van meerdere miljoenen dollars echter steeds minder gebruikt. Computersimulaties beginnen windtunnels te vervangen als de beste manier om de aerodynamica van een auto of vliegtuig te meten. In veel gevallen wordt er meestal een beroep gedaan op windtunnels om ervoor te zorgen dat de computersimulaties nauwkeurig zijn [source: Day].

Velen denken dat het toevoegen van een spoiler aan de achterkant van een auto een geweldige manier is om deze aerodynamischer te maken. In de volgende sectie zullen we verschillende soorten aerodynamische add-ons voor voertuigen onderzoeken en hun rol in prestaties en betere brandstofkilometers onderzoeken..

Formule 1-auto's zijn aerodynamisch ontworpen om maximale neerwaartse druk te genereren. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

Aerodynamica is meer dan alleen weerstand - er zijn ook andere factoren die lift en downforce worden genoemd. Optillen is de kracht die het gewicht van een object tegenwerkt en het in de lucht tilt en daar houdt. Downforce is het tegenovergestelde van lift - de kracht die een object in de richting van de grond drukt [bron: NASA].

Je denkt misschien dat de luchtweerstandscoëfficiënt van een Formule 1-raceauto erg laag zou zijn - een superaërodynamische auto is toch sneller? In dit geval niet. Een typische F1-auto heeft een Cd van ongeveer .70.

Waarom kan dit type raceauto rijden met snelheden van meer dan 200 mijl per uur (321,9 kilometer per uur), maar toch niet zo aerodynamisch als je misschien had geraden? Dat komt omdat Formule 1-auto's zijn gebouwd om zoveel mogelijk downforce te genereren. Met de snelheden waarmee ze reizen, en met hun extreem lichte gewicht, beginnen deze auto's bij sommige snelheden zelfs lift te ervaren - de fysica dwingt ze om op te stijgen als een vliegtuig. Het is duidelijk dat auto's niet bedoeld zijn om door de lucht te vliegen, en als een auto de lucht in gaat, kan dit een verwoestende crash betekenen. Om deze reden moet de neerwaartse kracht worden gemaximaliseerd om de auto met hoge snelheden op de grond te houden, en dit betekent dat een hoge Cd vereist is.

Formule 1-auto's bereiken dit door vleugels of spoilers te gebruiken die op de voor- en achterkant van het voertuig zijn gemonteerd. Deze vleugels kanaliseren de stroom in luchtstromen die de auto op de grond drukken - beter bekend als downforce. Dit maximaliseert de snelheid in de bochten, maar het moet zorgvuldig worden uitgebalanceerd met lift om de auto ook de juiste hoeveelheid rechtlijnige snelheid te geven [bron: Smith].

Veel productieauto's bevatten aerodynamische toevoegingen om downforce te genereren. Hoewel de Nissan GT-R supercar enigszins bekritiseerd is in de automobielpers vanwege zijn uiterlijk, is de hele carrosserie ontworpen om lucht over de auto en terug door de ovaalvormige achterspoiler te kanaliseren, wat veel neerwaartse kracht genereert. Ferrari's 599 GTB Fiorano heeft luchtboog B-stijlen die zijn ontworpen om ook lucht naar achteren te kanaliseren - deze helpen de luchtweerstand te verminderen [bron: Classic Driver].

Maar je ziet veel spoilers en vleugels op alledaagse auto's, zoals Honda- en Toyota-sedans. Voegen die echt een aerodynamisch voordeel toe aan een auto? In sommige gevallen kan het een beetje stabiliteit bij hoge snelheid toevoegen. De originele Audi TT had bijvoorbeeld geen spoiler op de achterklep, maar Audi voegde er een toe nadat bleek dat de ronde carrosserie te veel lift veroorzaakte en mogelijk een factor was bij een paar wrakken [bron: Edgar].

In de meeste gevallen zal het vastschroeven van een grote spoiler op de achterkant van een gewone auto echter niet helpen bij de prestaties, snelheid of wegligging - of helemaal niet. In sommige gevallen kan het zelfs meer onderstuur of onwil om in de bochten te nemen zorgen. Als u echter denkt dat die gigantische spoiler er geweldig uitziet op de kofferbak van uw Honda Civic, laat niemand u dan anders vertellen.

Ga voor meer informatie over auto-aerodynamica en andere gerelateerde onderwerpen naar de volgende pagina en volg de links.

Meer geweldige links

NASA - Beginnersgids voor aerodynamica
NASA - De weerstandscoëfficiënt
NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division - Aerodynamica in autoraces
Symscape - Formule 1-aerodynamica

Bronnen

Klassiek stuurprogramma. "De Ferrari 599 GTB Fiorano." (9 maart 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
Dag, Dwayne A. "Geavanceerde windtunnels." Amerikaanse Centennial of Flight Commission. (9 maart 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
Edgar, Julian. "Auto-aerodynamica is gestopt." Automatische snelheid. (9 maart 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
Elliott-Sink, Sue. "Verbetering van de aerodynamica om het brandstofverbruik te verhogen." Edmunds.com. 2 mei 2006. (9 maart 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
Formule 1-netwerk. "Williams F1 - Geschiedenis van de aerodynamica: evolutie van de aerodynamica." (9 maart 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
NASA. "Beginnersgids voor aerodynamica." 11 juli 2008. (9 maart 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
NASA. "De weerstandscoëfficiënt." 11 juli 2008. (9 maart 2009)
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
Prijs, Ryan Lee. "Cheating Wind - Aerodynamic Tech and Buyers Guide: The Art Of Aerodynamics And The Automobile." European Car Magazine. (9 maart 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
Siuru, Bill. "5 feiten: voertuig-aerodynamica." GreenCar.com. 13 oktober 2008. (9 maart 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
Smith, Rich. "Formule 1-aerodynamica." Symscape. 21 mei 2007. (9 maart 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero

Hoe aerodynamica werkt

Gerelateerde artikelen

Meer geweldige links

Bronnen