Wie Aerodynamik funktioniert

Fahrzeuge mit aerodynamischem Design sind bei höheren Geschwindigkeiten tendenziell stabiler. Weitere Bilder von Sportwagen. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

Es ist unangenehm darüber nachzudenken, aber stellen Sie sich vor, was passieren würde, wenn Sie Ihr Auto mit einer Geschwindigkeit von 104,6 km / h gegen eine Mauer fahren würden. Metall würde sich drehen und reißen. Glas würde zerbrechen. Airbags würden hervorbrechen, um dich zu schützen. Aber trotz aller Fortschritte bei der Sicherheit unserer modernen Automobile wäre dies wahrscheinlich ein schwerer Unfall. Ein Auto ist einfach nicht dafür ausgelegt, durch eine Mauer zu fahren.

Aber es gibt noch eine andere Art von "Wand", durch die sich Autos seit langem bewegen sollen - die Luftwand, die mit hoher Geschwindigkeit gegen ein Fahrzeug drückt.

Die meisten von uns betrachten Luft oder Wind nicht als Wand. Bei niedrigen Geschwindigkeiten und an Tagen, an denen es draußen nicht sehr windig ist, ist es schwer zu bemerken, wie Luft mit unseren Fahrzeugen interagiert. Aber bei hohen Geschwindigkeiten und an außergewöhnlich windigen Tagen, Luftwiderstand (Die Kräfte, die von der Luft auf ein sich bewegendes Objekt einwirken - auch definiert als ziehen) hat einen enormen Einfluss auf die Art und Weise, wie ein Auto beschleunigt, handhabt und Kraftstoffverbrauch erreicht.

Hier kommt die Wissenschaft der Aerodynamik ins Spiel. Aerodynamik ist die Untersuchung von Kräften und der daraus resultierenden Bewegung von Objekten durch die Luft [Quelle: NASA]. Seit mehreren Jahrzehnten werden Autos mit Blick auf die Aerodynamik entwickelt, und die Autohersteller haben eine Vielzahl von Innovationen entwickelt, die das Durchschneiden dieser "Luftwand" erleichtern und das tägliche Fahren weniger beeinträchtigen.

-Wenn ein Auto mit Blick auf den Luftstrom ausgelegt ist, hat es im Wesentlichen weniger Schwierigkeiten beim Beschleunigen und kann bessere Kraftstoffverbrauchswerte erzielen, da der Motor nicht annähernd so hart arbeiten muss, um das Auto durch die Luftwand zu schieben.

Ingenieure haben verschiedene Möglichkeiten entwickelt, dies zu tun. Zum Beispiel sind abgerundete Designs und Formen an der Außenseite des Fahrzeugs so konstruiert, dass die Luft so geleitet wird, dass sie mit dem geringstmöglichen Widerstand um das Fahrzeug herum strömt. Einige Hochleistungsautos haben sogar Teile, die Luft gleichmäßig über die Unterseite des Autos bewegen. Viele enthalten auch a Spoiler -- auch bekannt als Heckflügel -- um zu verhindern, dass die Luft die Räder des Autos anhebt und es bei hohen Geschwindigkeiten instabil macht. Obwohl, wie Sie später lesen werden, die meisten Spoiler, die Sie auf Autos sehen, mehr als alles andere nur zur Dekoration dienen.

In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit der Physik der Aerodynamik und des Luftwiderstands, der Geschichte, wie Autos unter Berücksichtigung dieser Faktoren konstruiert wurden und wie angesichts des Trends zu "grüneren" Autos die Aerodynamik heute wichtiger denn je ist.

Inhalt

1. Die Wissenschaft der Aerodynamik
2. Der Widerstandsbeiwert
3. Geschichte des aerodynamischen Autodesigns
4. Widerstandsmessung mit Windkanälen
5. Aerodynamische Add-Ons

Bevor wir uns ansehen, wie Aerodynamik auf Automobile angewendet wird, finden Sie hier einen kleinen Auffrischungskurs für Physik, damit Sie die Grundidee verstehen können.

Wenn sich ein Objekt durch die Atmosphäre bewegt, verdrängt es die Luft, die es umgibt. Das Objekt ist auch Schwerkraft und Widerstand ausgesetzt. Ziehen wird erzeugt, wenn sich ein fester Gegenstand durch ein flüssiges Medium wie Wasser oder Luft bewegt. Der Luftwiderstand nimmt mit der Geschwindigkeit zu - je schneller sich das Objekt bewegt, desto mehr Luftwiderstand erfährt es.

Wir messen die Bewegung eines Objekts anhand der in den Newtonschen Gesetzen beschriebenen Faktoren. Dazu gehören Masse, Geschwindigkeit, Gewicht, äußere Kraft und Beschleunigung.

Das Ziehen wirkt sich direkt auf die Beschleunigung aus. Die Beschleunigung (a) eines Objekts ist sein Gewicht (W) minus Luftwiderstand (D) geteilt durch seine Masse (m). Denken Sie daran, dass das Gewicht die Masse eines Objekts multipliziert mit der auf es einwirkenden Schwerkraft ist. Ihr Gewicht würde sich auf dem Mond aufgrund der geringeren Schwerkraft ändern, aber Ihre Masse bleibt gleich. Einfacher ausgedrückt:

a = (W - D) / m

(Quelle: NASA)

Wenn ein Objekt beschleunigt, nehmen seine Geschwindigkeit und sein Luftwiderstand zu, bis der Luftwiderstand dem Gewicht entspricht. In diesem Fall kann keine weitere Beschleunigung auftreten. Nehmen wir an, unser Objekt in dieser Gleichung ist ein Auto. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Geschwindigkeit des Autos immer mehr Luft gegen das Auto drückt, wodurch begrenzt wird, wie viel mehr es beschleunigen kann, und es auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschränkt wird.

Wie trifft dies alles auf das Autodesign zu? Nun, es ist nützlich, um einen wichtigen Zahlenwiderstandsbeiwert herauszufinden. Dies ist einer der Hauptfaktoren, die bestimmen, wie leicht sich ein Objekt durch die Luft bewegt. Der Widerstandsbeiwert (Cd) ist gleich dem Luftwiderstand (D), geteilt durch die Größe der Dichte (r), multipliziert mit der halben Geschwindigkeit (V) im Quadrat mal der Fläche (A). Um das besser lesbar zu machen:

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

[Quelle: NASA]

Wie viel Luftwiderstandskoeffizient strebt ein Autodesigner realistisch an, wenn er ein Auto mit aerodynamischer Absicht herstellt? Finden Sie es auf der nächsten Seite heraus.

Die einzigartige Form des Toyota Prius ist ein Faktor, der zu einem unglaublichen Kraftstoffverbrauch beiträgt. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Wir haben gerade erfahren, dass der Luftwiderstandsbeiwert (Cd) eine Zahl ist, die die Luftwiderstandskraft auf ein Objekt wie ein Auto misst. Stellen Sie sich nun die Luftkraft vor, die gegen das Auto drückt, wenn es die Straße hinunterfährt. Bei 112,7 km / h (70 Meilen pro Stunde) wirkt viermal mehr Kraft gegen das Auto als bei 56,3 km / h (35 Meilen pro Stunde) [Quelle: Elliott-Sink].

Die aerodynamischen Fähigkeiten eines Autos werden anhand des Luftwiderstandsbeiwerts des Fahrzeugs gemessen. Je niedriger der Cd, desto aerodynamischer ist ein Auto und desto leichter kann es sich durch die gegen ihn drückende Luftwand bewegen.

Schauen wir uns ein paar CD-Nummern an. Erinnern Sie sich an die kastenförmigen alten Volvo-Autos der 1970er und 1980er Jahre? Eine alte Volvo 960 Limousine erreicht eine CD von 0,36. Die neueren Volvos sind viel schlanker und kurviger, und eine S80-Limousine erreicht eine CD von 0,28 [Quelle: Elliott-Sink]. Dies beweist etwas, das Sie vielleicht schon erraten haben - glattere, stromlinienförmigere Formen sind aerodynamischer als kastenförmige. Warum ist das genau so??

Schauen wir uns das aerodynamischste Ding der Natur an - eine Träne. Die Träne ist von allen Seiten glatt und rund und verjüngt sich oben. Luft strömt gleichmäßig um sie herum, wenn sie auf den Boden fällt. Ähnlich verhält es sich mit Autos - glatte, abgerundete Oberflächen lassen die Luft in einem Strom über das Fahrzeug strömen und reduzieren so den "Druck" der Luft gegen die Karosserie.

Heute erreichen die meisten Autos eine CD von etwa 0,30. SUVs, die aufgrund ihrer Größe tendenziell kastenförmiger sind als Autos, bieten Platz für mehr Personen und benötigen häufig größere Gitter, um den Motor abzukühlen. Sie haben eine CD von 0,30 bis 0,40 oder mehr. Pickup-Trucks - ein absichtlich kastenförmiges Design - erreichen normalerweise etwa 0,40 [Quelle: Siuru].

Viele haben das "einzigartige" Aussehen des Toyota Prius Hybrid in Frage gestellt, aber er hat aus gutem Grund eine extrem aerodynamische Form. Neben anderen effizienten Eigenschaften trägt sein Cd von 0,26 dazu bei, eine sehr hohe Laufleistung zu erzielen. Tatsächlich kann eine Reduzierung des Cd eines Autos um nur 0,01 zu einer Steigerung des Kraftstoffverbrauchs um 0,09 Kilometer pro Liter führen [Quelle: Siuru].

Auf der nächsten Seite werden wir die Geschichte des aerodynamischen Designs untersuchen.

Diese antiken Autos zeigen, wie wenig über die Aerodynamik von Fahrzeugen zu Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt war. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Während Wissenschaftler lange Zeit mehr oder weniger wussten, was es braucht, um aerodynamische Formen zu erzeugen, dauerte es eine Weile, bis diese Prinzipien auf das Automobildesign angewendet wurden.

An den frühesten Autos war nichts Aerodynamisches. Werfen Sie einen Blick auf Fords wegweisendes Modell T - es sieht eher aus wie eine Pferdekutsche ohne die Pferde - ein sehr kastenförmiges Design. Viele dieser frühen Autos mussten sich keine Gedanken über die Aerodynamik machen, da sie relativ langsam waren. Einige Rennwagen des frühen 20. Jahrhunderts enthielten jedoch in gewissem Maße sich verjüngende und aerodynamische Merkmale.

Der deutsche Erfinder Edmund Rumpler schuf 1921 den Rumpler-Tropfenauto, der sich in "Tear-Drop-Car" übersetzt. Basierend auf der aerodynamischsten Form der Natur, der Träne, hatte sie eine CD von nur 0,27, aber ihr einzigartiges Aussehen wurde von der Öffentlichkeit nie erreicht. Nur etwa 100 wurden hergestellt [Quelle: Preis].

Auf amerikanischer Seite kam in den 1930er Jahren mit dem Chrysler Airflow einer der größten Fortschritte im aerodynamischen Design. Inspiriert von Vögeln im Flug war der Airflow eines der ersten Autos, die unter Berücksichtigung der Aerodynamik entwickelt wurden. Obwohl es einige einzigartige Konstruktionstechniken verwendete und eine Gewichtsverteilung von fast 50 bis 50 hatte (gleiche Gewichtsverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse für ein verbessertes Handling), verliebte sich ein Publikum, das der Großen Depression müde war, nie in sein unkonventionelles Aussehen und das Auto wurde als Flop angesehen. Dennoch war sein optimiertes Design seiner Zeit weit voraus.

In den 1950er und 1960er Jahren kamen einige der größten Fortschritte in der Automobilaerodynamik aus dem Rennsport. Ursprünglich experimentierten Ingenieure mit verschiedenen Designs und wussten, dass stromlinienförmige Formen ihren Autos helfen könnten, schneller zu fahren und bei hohen Geschwindigkeiten besser zu fahren. Das entwickelte sich schließlich zu einer sehr präzisen Wissenschaft, einen möglichst aerodynamischen Rennwagen herzustellen. Front- und Heckspoiler, schaufelförmige Nasen und Aero-Kits wurden immer häufiger eingesetzt, um den Luftstrom über das Fahrzeug zu halten und den erforderlichen Abtrieb an Vorder- und Hinterrädern zu erzeugen [Quelle: Formel-1-Netzwerk].

Auf der Verbraucherseite entwickelten Unternehmen wie Lotus, Citroën und Porsche einige sehr optimierte Designs, die jedoch hauptsächlich für Hochleistungssportwagen und nicht für Alltagsfahrzeuge für den normalen Fahrer verwendet wurden. Das begann sich in den 1980er Jahren mit dem Audi 100 zu ändern, einer Passagierlimousine mit einer damals noch nie da gewesenen CD von 0,30. Heutzutage sind fast alle Autos in irgendeiner Weise auf Aerodynamik ausgelegt [Quelle: Edgar].

Was hat zu dieser Änderung beigetragen? Die Antwort: Der Windkanal. Auf der nächsten Seite werden wir untersuchen, wie wichtig der Windkanal für das Automobildesign geworden ist.

Die Aerodynamik von Autos (und Flugzeugen) wird durch Windkanäle getestet. - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

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Um die aerodynamische Wirksamkeit eines Autos in Echtzeit zu messen, haben Ingenieure ein Werkzeug aus der Flugzeugindustrie ausgeliehen - den Windkanal.

Im Wesentlichen ist ein Windkanal eine massive Röhre mit Ventilatoren, die einen Luftstrom über ein Objekt im Inneren erzeugen. Dies kann ein Auto, ein Flugzeug oder alles andere sein, was Ingenieure benötigen, um den Luftwiderstand zu messen. In einem Raum hinter dem Tunnel untersuchen die Ingenieure, wie die Luft mit dem Objekt interagiert und wie die Luftströme über die verschiedenen Oberflächen fließen.

Das Auto oder Flugzeug im Inneren bewegt sich nie, aber die Lüfter erzeugen Wind mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, um reale Bedingungen zu simulieren. Manchmal wird ein echtes Auto nicht einmal verwendet - Designer verlassen sich oft auf exakte Modelle ihrer Fahrzeuge, um den Windwiderstand zu messen. Während sich der Wind im Tunnel über das Auto bewegt, werden Computer verwendet, um den Luftwiderstandsbeiwert (Cd) zu berechnen..

Windkanäle sind wirklich nichts Neues. Sie gibt es seit dem späten 19. Jahrhundert, um den Luftstrom über viele frühe Flugzeugversuche hinweg zu messen. Sogar die Gebrüder Wright hatten einen. Nach dem Zweiten Weltkrieg nutzten Rennwageningenieure, um sich von der Konkurrenz abzuheben, diese, um die Effektivität der aerodynamischen Ausrüstung ihrer Autos zu messen. Diese Technologie gelangte später zu Personenkraftwagen und Lastwagen.

In den letzten Jahren werden die großen Windkanäle im Wert von mehreren Millionen Dollar jedoch immer weniger genutzt. Computersimulationen beginnen, Windkanäle zu ersetzen, um die Aerodynamik eines Autos oder Flugzeugs am besten zu messen. In vielen Fällen werden Windkanäle meist nur benötigt, um sicherzustellen, dass die Computersimulationen korrekt sind [Quelle: Tag].

Viele denken, dass das Hinzufügen eines Spoilers auf der Rückseite eines Autos eine großartige Möglichkeit ist, es aerodynamischer zu machen. Im nächsten Abschnitt werden wir verschiedene Arten von aerodynamischen Add-Ons für Fahrzeuge untersuchen und ihre Rolle bei der Leistung und der Bereitstellung eines besseren Kraftstoffverbrauchs untersuchen.

Formel-1-Fahrzeuge sind aerodynamisch ausgelegt, um maximalen Abtrieb zu erzeugen. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

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Aerodynamik bietet mehr als nur Luftwiderstand - es gibt auch andere Faktoren, die als Auftrieb und Abtrieb bezeichnet werden. Aufzug ist die Kraft, die dem Gewicht eines Objekts entgegenwirkt und es in die Luft hebt und dort hält. Abtrieb ist das Gegenteil von Auftrieb - die Kraft, die ein Objekt in Richtung Boden drückt [Quelle: NASA].

Sie könnten denken, dass der Luftwiderstandsbeiwert eines Formel-1-Rennwagens sehr niedrig wäre - ein superaerodynamisches Auto ist schneller, oder? Nicht in diesem Fall. Ein typisches F1-Auto hat eine CD von etwa 0,70.

Warum kann diese Art von Rennwagen mit einer Geschwindigkeit von mehr als 321,9 Stundenkilometern fahren, jedoch nicht so aerodynamisch, wie Sie vielleicht vermutet haben? Das liegt daran, dass Formel-1-Autos so gebaut sind, dass sie so viel Abtrieb wie möglich erzeugen. Bei den Geschwindigkeiten, die sie fahren, und mit ihrem extrem geringen Gewicht beginnen diese Autos tatsächlich, bei einigen Geschwindigkeiten Auftrieb zu erfahren - die Physik zwingt sie, wie ein Flugzeug abzuheben. Offensichtlich sollen Autos nicht durch die Luft fliegen, und wenn ein Auto in die Luft geht, kann dies einen verheerenden Unfall bedeuten. Aus diesem Grund muss der Abtrieb maximiert werden, um das Auto bei hohen Geschwindigkeiten auf dem Boden zu halten. Dies bedeutet, dass ein hoher Cd erforderlich ist.

Formel-1-Fahrzeuge erreichen dies durch die Verwendung von Tragflächen oder Spoilern, die vorne und hinten am Fahrzeug angebracht sind. Diese Flügel leiten den Strom in Luftströme, die das Auto auf den Boden drücken - besser bekannt als Abtrieb. Dies maximiert die Kurvengeschwindigkeit, muss jedoch sorgfältig mit dem Auftrieb abgestimmt werden, damit das Auto auch die entsprechende geradlinige Geschwindigkeit erreicht [Quelle: Smith]..

Viele Serienautos enthalten aerodynamische Add-Ons zur Erzeugung von Abtrieb. Während der Nissan GT-R-Supersportwagen in der Automobilpresse wegen seines Aussehens etwas kritisiert wurde, ist die gesamte Karosserie so konstruiert, dass Luft über das Auto und zurück durch den ovalen Heckspoiler geleitet wird, was viel Abtrieb erzeugt. Der 599 GTB Fiorano von Ferrari verfügt über B-Säulen mit fliegenden Stützen, die die Luft auch nach hinten leiten sollen - diese tragen zur Reduzierung des Luftwiderstands bei [Quelle: Classic Driver].

Aber Sie sehen viele Spoiler und Flügel an alltäglichen Autos wie Honda und Toyota Limousinen. Fügen diese einem Auto wirklich einen aerodynamischen Vorteil hinzu? In einigen Fällen kann dies zu einer geringen Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten führen. Zum Beispiel hatte der ursprüngliche Audi TT keinen Spoiler am Heckdeckel, aber Audi fügte einen hinzu, nachdem festgestellt wurde, dass seine abgerundete Karosserie zu viel Auftrieb erzeugt und möglicherweise bei einigen Wracks eine Rolle gespielt hat [Quelle: Edgar].

In den meisten Fällen hilft es jedoch nicht, einen großen Spoiler auf den Rücken eines normalen Autos zu schrauben, um Leistung, Geschwindigkeit oder Handling zu verbessern - wenn überhaupt. In einigen Fällen kann es sogar zu mehr Untersteuern oder einer Zurückhaltung bei Kurvenfahrten kommen. Wenn Sie jedoch der Meinung sind, dass der Riesenspoiler im Kofferraum Ihres Honda Civic gut aussieht, lassen Sie sich von niemandem etwas anderes sagen.

Weitere Informationen zur Aerodynamik von Kraftfahrzeugen und zu anderen verwandten Themen finden Sie auf der nächsten Seite. Folgen Sie den Links.

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Weitere großartige Links

• NASA - Leitfaden für Anfänger zur Aerodynamik
• NASA - Der Luftwiderstandsbeiwert
• NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division - Aerodynamik im Autorennen
• Symscape - Formel 1 Aerodynamik

Quellen

• Klassischer Fahrer. "Der Ferrari 599 GTB Fiorano." (9. März 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Tag, Dwayne A. "Fortgeschrittene Windkanäle." US Centennial of Flight Commission. (9. März 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. "Autoaerodynamik ist ins Stocken geraten." Automatische Geschwindigkeit. (9. März 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. "Verbesserung der Aerodynamik zur Steigerung des Kraftstoffverbrauchs." Edmunds.com. 2. Mai 2006. (9. März 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Formel 1 Netzwerk. "Williams F1 - Geschichte der Aerodynamik: Evolution der Aerodynamik." (9. März 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. "Anfängerleitfaden zur Aerodynamik." 11. Juli 2008. (9. März 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. "Der Luftwiderstandsbeiwert." 11. Juli 2008. (9. März 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Preis, Ryan Lee. "Cheating Wind - Aerodynamic Tech und Buyers Guide: Die Kunst der Aerodynamik und des Automobils." Europäisches Automagazin. (9. März 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. "5 Fakten: Fahrzeugaerodynamik." GreenCar.com. 13. Oktober 2008. (9. März 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, Rich. "Formel 1 Aerodynamik." Symscape. 21. Mai 2007. (9. März 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero