Знаете ли вы, что аэродинамический коэффициент грузовика лучше, чем у Формулы 1?

Да, название этой статьи верно: аэродинамический коэффициент грузовика лучше, чем у Формулы 1. И у автомобиля, на котором вы ездите каждый день, тоже. Это может показаться удивительным тем, кто не знаком с основными принципами аэродинамики. Но этому есть объяснение. И, хотя вы не поверите, это проще, чем кажется.

У грузовика аэродинамический коэффициент более благоприятен, чем у Формулы 1, но у болида F1 меньше аэродинамическое сопротивление

Чтобы это понять, прежде всего нужно знать несколько ключевых понятий и не путать аэродинамическое сопротивление с аэродинамическим коэффициентом. Для наглядности: аэродинамический коэффициент грузовика составляет от 0,6 до 0,7, хотя есть исключения, например грузовик Tesla, для которого был заявлен удивительный Cx 0,36; тогда как у Формулы 1 он около 1, а у обычного легкового автомобиля обычно около 0,30. И чем ниже этот аэродинамический коэффициент, тем лучше для снижения аэродинамического сопротивления.

Но на аэродинамическое сопротивление влияют и другие факторы. И вот ключ: у грузовика аэродинамический коэффициент более благоприятен, чем у Формулы 1, но у болида F1 меньше аэродинамическое сопротивление. Разберём это подробнее.

Аэродинамическое сопротивление

Аэродинамическое сопротивление — это сила, противодействующая движению объекта (в данном случае автомобиля, грузовика… или болида Формулы 1) при его перемещении через воздух. Эту величину вычисляют по формуле, которую не обязательно запоминать. Достаточно знать, что она равна произведению таких факторов, как плотность воздуха, лобовая площадь объекта, его аэродинамический коэффициент и квадрат скорости движения объекта относительно воздуха.

Поскольку мы сравниваем объекты, плотность воздуха и скорость в данном случае не важны. Запомните главное: итоговое аэродинамическое сопротивление объекта определяется, помимо прочих факторов, аэродинамическим коэффициентом и лобовой площадью, с которой объект встречается с ветром. И эта зависимость прямо пропорциональна обоим показателям.

Аэродинамический коэффициент

Аэродинамический коэффициент, также называемый коэффициентом аэродинамического сопротивления, — это безразмерное число (то есть не имеющее единиц измерения), связанное с определённой поверхностью. Оно характеризует сопротивление объекта движению в текучей среде (в нашем случае это воздух) по сравнению с телом, которое полностью останавливало бы поток воздуха, встречая его.

Стена или перегородка, на которую воздух набегает перпендикулярно, имела бы аэродинамический коэффициент Cx=1. Плоская пластина, перпендикулярная потоку воздуха, превысила бы это значение, с Cx выше 1,2, из-за эффекта, возникающего за пластиной при обтекании воздухом. Поэтому в аэродинамике автомобиля так важна конструкция задней части, и Cx может меняться от одного автомобиля к другому именно за счёт изменения этой зоны.

Как мы уже отметили, чем ниже Cx, тем лучше для аэродинамического сопротивления. Другие примеры аэродинамического коэффициента геометрических тел: например, 0,47 для сферы, 0,50 для конуса или 1,05 для куба. Вспомним то, о чём мы говорили в начале: у серийного легкового автомобиля аэродинамический коэффициент Cx составляет от 0,25 до 0,30; у грузовика — около 0,7; а у Формулы 1 с необтекаемыми колёсами и регулируемыми антикрыльями он может быть… от 0,7–0,8 на таких трассах, как Монца, до примерно 1,2 в Монако!

Теперь мы сосредоточимся только на коэффициенте по оси X, вдоль которой движется автомобиль; но существуют также аэродинамические коэффициенты Cy (боковой) и Cz (вертикальный). Это напрямую не относится к нашей теме, но полезно знать, что у болида F1 жертвуют Cx ради высокого Cz (который создаёт прижимную силу), играя настройкой антикрыльев. Поэтому на «быстрых» трассах, где нужна малая прижимная сила, у Формулы 1 аэродинамический коэффициент лучше, чем на медленных трассах, где аэродинамическое сопротивление влияет меньше, но важно, чтобы машина «прижималась» к асфальту, облегчая прохождение поворотов.

Лобовая площадь

Лобовая площадь — самый понятный термин в этом уравнении: это размер фронтальной поверхности, которую объект должен раздвинуть воздухом, чтобы двигаться вперёд. Иными словами, площадь, которую он занимает, если смотреть на него спереди. Для автомобиля здесь важны размеры кузова, но также зеркала заднего вида, шины…

Лобовая площадь легкового автомобиля может составлять около 2 квадратных метров. У одноместного болида Формулы 1 она около 1,4 квадратного метра. А у современного грузовика — примерно 8–9 квадратных метров. Очевидно, что самая эффективная форма для получения большого внутреннего пространства (кузов-фургон в случае грузовика) наименее эффективна с точки зрения аэродинамического сопротивления, потому что у неё наибольшая лобовая площадь.

Чтобы улучшить аэродинамику, грузовики, например, используют дефлекторы на крыше. Эти дефлекторы не меняют лобовую площадь, но влияют на аэродинамический коэффициент. У такого городского автомобиля, как Audi e-tron, замена обычных зеркал заднего вида на виртуальные зеркала улучшает оба показателя: уменьшается лобовая площадь и улучшается Cx.

Ещё один важный вопрос в аэродинамике — конструкция задней части автомобиля, почти так же важная, как передняя, потому что воздух должен плавно обтекать кузов спереди и быстро и гладко «сходить» с задней части, не создавая завихрений или «слоёв» с разной скоростью, которые ухудшают аэродинамику. Хотя мы не будем подробно останавливаться на этом разделе.

Грузовик, Формула 1 и математика

Зная эти три понятия, гораздо проще понять уравнение, которое отвечает на вопрос этой статьи. Ведь сам по себе Cx объекта мало что говорит, если не связан с лобовой площадью.

При одинаковом аэродинамическом коэффициенте у объекта с большей лобовой площадью будет и большее аэродинамическое сопротивление. Поэтому SUV расходует больше топлива, чем легковой автомобиль с той же мощностью: Cx может быть даже сопоставимым, но у SUV лобовая площадь больше.

Мы уже видели, что у Формулы 1 действительно аэродинамический коэффициент менее благоприятен, чем у грузовика. Однако её аэродинамическое сопротивление меньше, поскольку оно прямо пропорционально произведению аэродинамического коэффициента (Cx) на лобовую площадь (S). Если обозначить это произведение как SCx, то у Формулы 1 оно составляет около 1,4–1,5, тогда как у грузовика SCx примерно в 4 раза больше, чем у Формулы 1. Хотя его аэродинамический коэффициент более благоприятен, аэродинамическое сопротивление у него хуже.

Ещё один интересный вопрос — фактор скорости. Если помните, мы говорили, что аэродинамическое сопротивление пропорционально плотности воздуха, SCx и квадрату скорости. Вы можете воспользоваться калькулятором и посмотреть, какое аэродинамическое сопротивление должен преодолевать грузовик при максимальной скорости около 100 км/ч, и какое — болид Формулы 1, движущийся на скорости, втрое большей.

Заодно скажу, что существует и связь между аэродинамическим сопротивлением, скоростью и мощностью, которую стоит знать. В частности, мощность, необходимая для преодоления определённого аэродинамического сопротивления, пропорциональна не скорости, а кубу скорости. Поэтому автомобиль с, скажем, «обычной» аэродинамикой может достичь отметки 200 км/ч всего при 150 л.с., тогда как чтобы удвоить максимальную скорость без изменения аэродинамики, нужно увеличить мощность более чем в 6 раз. Но это уже другая история, которой хватит на новую статью.