Меню

Модуль мощности сопротивления воздуха

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 м 2 лобовой площади автомобиля, движущегося со скоростью 1 м/сек. Размерность этого коэффициента кГ x сек 2 /м 4 ; F — лобовая площадь автомобиля, определяемая его проекцией на плоскость, перпендикулярную продольной оси автомобиля, в м 2 ; 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

В 1 — 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.

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.
Читайте также:  Мощность бск от напряжения

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:

Источник



Сила и мощность сопротивления воздуха

При движении действие силы сопротивления воздуха обусловлено перемещением частиц воздуха и их трением о поверхность кабины и кузова автомобиля. Если он движется при отсутствии ветра, то сила сопротивления воздуха:

(3.8)

где kв – коэффициент сопротивления воздуха, Нс 2 /м 4 ;

Fa – лобовая площадь автомобиля, м 2 ;

ν – скорость автомобиля, м/с.

При наличии ветра выражение (3.8) будет иметь вид: .

При этом скорость ветра νв будет иметь знак «+» при встречном ветре, а знак «–» будет учитываться при попутном ветре.

Коэффициент сопротивления воздуха зависит от типа автомобиля, его габаритов, формы и качества поверхности кузова. Он определяется экспериментально при продувке в аэродинамической трубе макета (или прототипа) автомобиля и примерно имеет значения в следующих пределах: (0,2–0,35) – для легковых автомобилей; (0,35–0,4) – для автобусов; (0,6–0,7) – для грузовых автомобилей.

При наличии прицепов сопротивление воздуха увеличивается, так как возрастает наружная поверхность взаимодействия с воздушной средой, и возникают завихрения воздуха между тягачом и прицепами. При этом каждый прицеп вызывает увеличение коэффициента сопротивления воздуха в среднем на 15. 25 %.

Читайте также:  Изменение коэффициентов производственной мощности

Лобовая площадь автомобиля зависит от его типа. Приближенное значение лобовой площади автомобилей в м 2 можно вычислить по зависимости для грузовых автомобилей (автобусов) и легковых автомобилей соответственно:

(3.9)

где В – колея колес автомобиля, м;

Hа – наибольшая высота автомобиля, м;

Вa – наибольшая ширина автомобиля, м.

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха при отсутствии ветра и при наличии ветра соответственно:

(3.10)
| следующая лекция ==>
Сила и мощность сопротивления качению | Сила и мощность сопротивления разгону

Дата добавления: 2017-06-02 ; просмотров: 1802 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Определение силы сопротивления в физике и её формула

  • Что такое сила сопротивления в физике
    • От чего зависит в механике и динамике
  • Разновидности сил сопротивления
    • Сила сопротивления качению
    • Сила сопротивления воздуха
    • Как найти трение
  • Силы сопротивления при больших скоростях

Что такое сила сопротивления в физике

Сила сопротивления — сила, которая возникает во время движения тела в жидкой или газообразной среде и препятствует этому движению.

Важно уметь отличать силу сопротивления от силы трения. Во втором случае рассматривается характер взаимодействия твердых тел друг с другом. Таким образом, трение можно наблюдать, когда какой-либо предмет перемещается по поверхности другого. Вектор этой силы будет направлен в противоположную сторону направления движения.

Для того чтобы рассчитать силу сопротивления необходимо умножить коэффициент сопротивления материала на силу, провоцирующую перемещение этого предмета.

В качестве примера силы сопротивления можно рассмотреть движение поезда. Воздух, окружающий состав, замедляет скорость его перемещения, то есть возникает сила сопротивления.

От чего зависит в механике и динамике

Сила сопротивления зависит от нескольких факторов. На ее величину оказывают влияния следующие характеристики:

  1. Особенности среды и показатели ее плотности, к примеру, жидкость обладает большей плотностью, чем газообразное вещество.
  2. Форма тела, так как предметы, обладающие обтекаемыми вытянутыми вдоль направления движения формами подвержены меньшему сопротивлению, чем тела с множеством плоскостей, расположенных перпендикулярно движению.
  3. Скорость перемещения тела.

Силу сопротивления можно наблюдать опытным путем. К примеру, если предмет переместился на величину пути l , когда на него воздействует сила сопротивления, обозначение которой представлено, как \($$F_$$\) , затрачивается работа, которую можно рассчитать по формуле:

В случае, когда площадь поперечного сечения движущегося предмета равна S, он будет сталкиваться с частицами, объем которых составляет Sl. Полную массу этих частиц можно представить, как \($$\rho_< a>\times Sl$$\) . Если частицы полностью увлекаются телом, они приобретают скорость V. Кинетическую энергию можно рассчитать по формуле:

Энергию создают внешние силы за счет своей работы с мощностью по определению силы сопротивления. Откуда, A=K. Таким образом,

В этом случае зависимость силы сопротивления от скорости перемещения объекта возрастает и становится пропорциональна ее второй степени. В отличие от силы внутреннего трения ее обозначают, как силу динамического лобового сопротивления.

Следует отметить, что теория, в которой частицы среды полностью увлекаются транспортируемыми телами, преувеличена. В условиях реального времени любой движущийся предмет обтекаем потоком, который снижает воздействие на него сил сопротивления. Поэтому при расчетах нередко используют коэффициент сопротивления С, обозначая силу лобового сопротивления формулой:

Разновидности сил сопротивления

Существует несколько типов силы сопротивления, отличающихся по характеру воздействия на движущиеся предметы.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению обозначается, как Pf. В данном случае сила определяется несколькими факторами:

  • разновидность и состояние опоры, по которой перемещается объект;
  • скорость движения тела;
  • давление воздуха и другие параметры окружающей среды.
Читайте также:  Формула для расчета трансформаторов тока по мощности

Состояние и тип опорной поверхности определяет величину коэффициента сопротивления качению, который обозначается f. Если в среде повышается температура, и возрастает давление, то данный показатель будет уменьшаться.

Сила сопротивления воздуха

Сила сопротивления воздуха или величина лобового столкновения Pв образуется в результате различных показателей давления. Данная характеристика напрямую зависит от интенсивности вихреобразования спереди и сзади движущегося предмета. Указанные параметры определяются формой перемещающегося тела.

Большее влияние на силу сопротивления будет оказывать вихреобразование в передней части объекта. Если плоскостенную фигуру закруглить спереди и сзади, то получится снизить сопротивление до 72%.

Рассчитать силу лобового сопротивления можно по формуле:

\($$P=cx\times p\times F_$$\)

сх — обтекаемость или коэффициент лобового сопротивления; p — плотность воздуха; Fв — площадь лобового сопротивления (миделевого сечения).

Во время поступательного движения масса объекта встречает сопротивление разгону, то есть ускорению. Найти данную силу можно с помощью второго закона Ньютона.

где m выражает массу движущегося объекта, а \(dVdt\) обозначает ускорение центра масс.

Как найти трение

Определить силу сопротивления можно, если применить третий закон Ньютона. Для того чтобы предмет равномерно перемещался по опоре в горизонтальном направлении, к нему необходимо приложить силу, соизмеримой с силой сопротивления. Корректно рассчитать данные величины можно с помощью динамометра. Сила сопротивления будет прямо пропорциональна массе объекта. Более точные расчеты производятся с учетом u коэффициента, который зависит от следующих факторов:

  • материал, из которого изготовлено опорное основание;
  • материал, из которого состоит перемещаемое тело.

Рассчитывая силу сопротивления, используют постоянную величину g, равную 9,8 метров на сантиметр в квадрате. При этом если движение тела происходит на определенной высоте, на него оказывает воздействие сила трения воздуха. Данная величина зависит от скорости, с которой движется предмет. Искомая величина определяется с помощью следующей формулы только при условии, что предмет перемещается на небольшой скорости:

где V является скоростью перемещения тела, a — коэффициентом сопротивления среды.

Силы сопротивления при больших скоростях

Сила сопротивления, оказывающая воздействие на движущиеся предметы с малой скоростью, зависит от нескольких внешних факторов. К таким условиям относятся:

  • вязкость жидкости;
  • скорость перемещения тела;
  • линейные размеры движущегося предмета.

В условиях больших скоростей характер действия силы сопротивления несколько изменяется. Законы вязкого трения в этом случае не применяются для воздуха и воды. Если скорость предмета составляет 1 сантиметр в секунду, то данные факторы учитываются лишь тогда, когда тела обладают крошечными размерами, измеряемыми в миллиметрах.

Если пловец ныряет в воду, то на него будет действовать сила сопротивления. Однако в данном случае закон вязкого трения не будет действовать.

Объект, двигаясь с малой скоростью в водной среде, плавно обтекается жидкостью. Сила сопротивления в данном случае будет рассчитываться, как сила вязкого трения. Если скорость большая, то с задней части перемещающегося тела наблюдается более сложное движение жидкости с образованием необычных по форме фигур, вихрей, колец. Картина таких струек будет постоянно изменяться. Движение такого характера называется турбулентным. Турбулентное сопротивление все еще будет определяться скоростью и размерами тела, но не так, как при вязком сопротивлении. В данном случае сила рассчитывается пропорционально квадрату скорости и линейным размерам предмета. Вязкость водной среды более не имеет решающего значения, определяющая функция переходит к показателю плотности.

Сила турбулентного сопротивления рассчитывается по формуле:

где V обозначает показатели скорости движения, L — соответствует линейным размерам тела, p — равна плотности среды.

Нужно подобрать материалы для студенческой работы?

Источник