Công thức lực cản không khí là gì
|
Lực cản của không khí là lực ma sát mà các vật thể trải qua khi chúng di chuyển trong bầu không khí được tạo thành từ không khí. Không khí được tạo thành từ các hạt có khoảng cách tương đối rộng rãi ở dạng phân tử và nguyên tử. Những hạt nhỏ này, dù rất nhỏ, phải được đẩy ngược lại để bất kỳ vật thể nào chuyển động. Vì các hạt có khoảng cách rộng rãi và không liên kết chặt chẽ với nhau, chúng dễ bị đẩy ngược lại và do đó cho phép chuyển động, nhưng lực cản của không khí sẽ trở thành một lực nghiêm trọng trong một số điều kiện nhất định. Tốc độ cao và diện tích bề mặt rộng làm tăng số lượng va chạm giữa một vật thể và các phân tử không khí, do đó làm tăng đáng kể lực cản của không khí. Lực cản của không khí có tác dụng ngược chiều chuyển động của vật, làm vật đó chậm lại. Điều này đòi hỏi nhiều lực hơn để đạt được cùng tốc độ so với nếu lực cản của không khí không phải là một yếu tố. Các thiết kế khí động học dành cho ô tô cố gắng giảm lực cản của không khí vì tác động làm chậm này dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
Xây dựng sức mạnh sức cản không khí... Trong bộ lễ phục. 78 và 81 cho thấy các dòng không khí được tạo ra bởi chuyển động của ô tô và xe tải. Lực cản không khí P w bao gồm một số thành phần, trong đó chính là lực cản. Loại thứ hai phát sinh do thực tế là khi ô tô chuyển động (xem Hình 78) phía trước nó, áp suất quá lớn được tạo ra. + AR không khí và phía sau - giảm -AR(so với áp suất không khí). Áp suất không khí ở phía trước xe tạo ra lực cản đối với chuyển động về phía trước, và chân không ở phía sau xe tạo ra lực có xu hướng chuyển động của xe về phía sau. Do đó, chênh lệch áp suất phía trước và phía sau ô tô càng lớn thì lực cản càng lớn, và sự chênh lệch áp suất phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của ô tô và tốc độ của ô tô. Cơm. 78. Cơm. 79. Trong bộ lễ phục. 79 hiển thị các giá trị (theo đơn vị quy ước) của lực cản trực diện tùy thuộc vào hình dạng của cơ thể. Qua con số có thể thấy rằng với phần đầu xe được tinh giản, lực cản không khí phía trước giảm 60%, trong khi cho phần đuôi xe thuôn gọn - chỉ giảm 15%. Điều này cho thấy áp suất không khí được tạo ra ở phía trước của ô tô có ảnh hưởng lớn hơn đến sự hình thành lực cản của không khí phía trước so với chân không ở phía sau của ô tô. Sự tinh giản của phía sau xe có thể được đánh giá qua cửa sổ phía sau - với một hình dạng khí động học tốt, nó sẽ không nó bị bẩn và trong trường hợp tinh giản kém, cửa sổ phía sau sẽ tự hút bụi. Trong sự cân bằng chung của lực cản không khí, lực cản chiếm xấp xỉ 60%. Các thành phần khác cần được làm nổi bật: lực cản phát sinh do không khí đi qua bộ tản nhiệt và khoang động cơ; lực cản tạo bởi các bề mặt nhô ra; lực cản ma sát của không khí với bề mặt và các lực cản bổ sung khác. Giá trị của tất cả các thành phần này có cùng thứ tự. Tổng lực cản của không khí P w tập trung ở trung tâm của cánh buồm, là trung tâm khu vực lớn nhất các phần của cơ thể trong một mặt phẳng vuông góc với phương chuyển động. Nhìn chung, trọng tâm của gió không trùng với trọng tâm của xe. Lực cản của không khí trực diện là sản phẩm của diện tích mặt cắt ngang của cơ thể bởi áp suất không khí tốc độ cao, có tính đến sự sắp xếp hợp lý của hình dạng: ở đâu c x - hệ số trực diện không thứ nguyên (khí động học) Sức cản, có tính đến việc tinh giản biên chế; / '- diện tích mặt trước hoặc diện tích hình chiếu chính diện, m 2; q= 0,5p B v a 2 - áp suất không khí ở tốc độ cao, N / m 2. Như có thể thấy từ thứ nguyên, áp suất không khí tốc độ cao là lực cụ thể tác động lên một đơn vị diện tích. Thay biểu thức vận tốc đầu vào công thức (114), ta được  trong đó v a - tốc độ của xe; p in - mật độ không khí, kg / m 3. Khu vực phía trước trong đó a là hệ số lấp đầy của khu vực; a = 0,78 ... 0,80 cho xe du lịch và a = 0,75 ... 0,90 - đối với cước phí; H a, B a- các giá trị lớn nhất tương ứng của chiều rộng và chiều cao của xe. Lực cản của không khí trực diện cũng được tính theo công thức ở đâu k w = 0,5 giây x p trong - hệ số cản không khí, có thứ nguyên của mật độ không khí - kg / m 3 hoặc N s 2 / m 4. Ở mực nước biển, nơi mật độ không khí p in = 1,225 kg / m 3, k w = 0,61 với x, kg / m 3. Cảm giác thể chất hệ số k w và với x bao gồm thực tế là chúng đặc trưng cho các đặc tính của sự tinh gọn của phương tiện. Kiểm tra khí động học ô tô. Các đặc tính khí động học của chiếc xe đang được nghiên cứu trong đường hầm gió, một trong số đó được chế tạo tại Trung tâm Nghiên cứu Thử nghiệm và Điều chỉnh Thiết bị Ô tô của Nga. Chúng ta hãy xem xét phương pháp thử nghiệm ô tô trong đường hầm gió được phát triển tại trung tâm này. Trong bộ lễ phục. 80 chỉ ra một hệ thống các trục tọa độ và hướng tác dụng của các thành phần của tổng lực khí động học. Trong quá trình thử nghiệm, các lực và mômen sau được xác định: lực trực diện lực cản khí động học P x, lực bên R, nâng P v thời điểm cuộn M x, thời điểm lật ngược Của tôi, bước ngoặt M v Cơm. 80. Trong quá trình thử nghiệm, xe được đặt trên một bộ cân bằng khí động học sáu thành phần và được cố định vào bệ (xem Hình 80). Chiếc xe phải được tiếp nhiên liệu, trang bị và chất tải phù hợp với tài liệu kỹ thuật... Áp suất lốp phải phù hợp với hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất. Các bài kiểm tra được điều khiển bởi một máy tính phù hợp với chương trình để tự động thực hiện các bài kiểm tra trọng lượng tiêu chuẩn. Trong các thử nghiệm, một chiếc quạt đặc biệt tạo ra các luồng không khí di chuyển với tốc độ từ 10 đến 50 m / s với khoảng thời gian là 5 m / s. Có thể tạo ra các góc khác nhau của luồng không khí lên xe so với trục dọc. Các giá trị của lực và mômen được chỉ ra trong Hình. 80 và 81, đăng ký và xử lý máy tính. Trong các thử nghiệm, tốc độ (động) áp suất không khí cũng được đo q. Dựa vào kết quả đo, máy tính sẽ tính được hệ số của các lực và mômen trên, từ đó ta đưa ra công thức tính hệ số cản: ở đâu q -đầu động; F - vùng trán. Các hệ số khác ( Với y, c v c tx, c tu, c mz)được tính tương tự với việc thay thế giá trị tương ứng trong tử số. Sản phẩm ^ được gọi là yếu tố kéo hoặc là yếu tố tinh giản. Giá trị hệ số cản không khí k w và với x cho ô tô các loại khác nhauđược đưa ra dưới đây. Các cách giảm lực cản của không khí. Để giảm lực cản trực diện, các đặc tính khí động học của ô tô hoặc tàu hỏa được cải thiện: ở ô tô chở người, chúng thay đổi hình dạng của thân xe (chủ yếu), và ở ô tô tải, chúng sử dụng hệ thống chắn gió, mái hiên và kính chắn gió nghiêng. Ăng-ten, gương vẻ bề ngoài, giá nóc, đèn pha bổ sung và các bộ phận nhô ra khác hoặc mở cửa sổ tăng sức cản của không khí. Lực cản không khí của tàu đường không chỉ phụ thuộc vào hình dạng của các liên kết riêng lẻ mà còn phụ thuộc vào sự tương tác của các luồng không khí xung quanh các liên kết (Hình 81). Trong khoảng thời gian giữa chúng, các xoáy nước bổ sung được hình thành, làm tăng tổng lực cản của không khí đối với chuyển động của tàu đường bộ. Xe lửa đường bộ chính di chuyển dọc theo đường cao tốc với tốc độ cao, mức tiêu hao năng lượng để vượt qua sức cản của không khí có thể đạt tới 50% công suất của động cơ ô tô. Để giảm bớt nó, các bộ làm lệch hướng, bộ ổn định, bộ giảm chấn và các thiết bị khác được lắp đặt trên các đoàn tàu đường bộ (Hình 82). Theo prof. MỘT. Evgrafova, việc sử dụng một tập hợp các yếu tố khí động học được gắn kết làm giảm với x tàu đường bộ tăng 41%, đường bộ tăng 45%. Cơm. 81. Cơm. 82. Ở tốc độ lên đến 40 km / h, lực P w Lực cản lăn trên đường nhựa ít hơn, do đó nó không được tính đến. Trên 100 km / h, lực cản không khí là thành phần chính gây ra tổn thất cân bằng lực kéo. 1. Chuyển động của xe gắn liền với chuyển động của các phần tử không khí, làm tiêu hao một phần công suất của động cơ. những chi phí này bao gồm các thành phần sau: 2. Lực cản trực diện, xuất hiện do sự chênh lệch áp suất giữa phía trước và phía sau của xe đang chuyển động (55-60% lực cản của không khí). 3. Lực cản từ các bộ phận nhô ra - gương chiếu hậu, v.v. (12-18%). 4. Lực cản phát sinh từ sự di chuyển của không khí qua bộ tản nhiệt và khoang động cơ. 5. Lực cản do ma sát của các bề mặt lân cận với các lớp không khí (lên đến 10%). 6. Lực cản do chênh lệch áp suất giữa đầu và dưới xe gây ra (5-8%). Để đơn giản hóa việc tính toán lực cản không khí, lực cản phân bố trên toàn bộ bề mặt của ô tô được thay thế bằng lực cản không khí tác dụng tại một điểm, được gọi là trung tâm của cánh buồm xe ô tô. Theo kinh nghiệm, lực cản của không khí phụ thuộc vào các yếu tố sau: Về tốc độ của xe, và sự phụ thuộc này có bản chất là bậc hai; Từ khu vực phía trước của ô tô F; Từ hệ số tinh giản Để ở, về mặt số học bằng lực cản không khí tạo ra bởi một mét vuông diện tích phía trước của xe khi chuyển động với vận tốc 1 m / s. Khi đó lực cản môi trường không khí. Trong việc xác định F công thức thực nghiệm được sử dụng để xác định diện tích điện trở gần đúng. Vì xe tải F thường xuyên: F = H × B(tích chiều cao và chiều rộng), tương tự đối với xe buýt. Đối với ô tô chấp nhận F = 0,8H × B... Có những công thức khác tính đến đường chạy của ô tô, xác suất thay đổi chiều cao của xe, v.v. K trong × Fđược gọi là yếu tố tinh giản và biểu thị W. Để xác định hệ số tinh giản, hãy sử dụng thiết bị đặc biệt hoặc phương pháp lăn bánh, bao gồm xác định sự thay đổi đường đi của ô tô lăn tự do khi lái xe ở các tốc độ ban đầu khác nhau. Khi ô tô chuyển động trong dòng không khí thì lực cản của không khí Ghim có thể phân hủy thành các thành phần dọc theo trục của xe. Trong trường hợp này, các công thức xác định hình chiếu của các lực chỉ khác nhau về các hệ số có tính đến sự phân bố của lực dọc theo các trục. Hệ số tinh giản có thể được xác định từ biểu thức: trong đó C X là hệ số được xác định theo kinh nghiệm và có tính đến sự phân bố của lực cản không khí dọc theo trục "x". Hệ số này thu được bằng cách thổi trong đường hầm gió, r - mật độ không khí, theo GOST r = 1,225 kg / m 3 tại điểm không. Chúng tôi nhận được Tích là một vận tốc đầu bằng động năng của một mét khối khí chuyển động với vận tốc của ô tô so với không khí. Hệ số Để ở có một chiều. Giữa Để ở và C X có một sự phụ thuộc: K trong = 0,61C X. Một xe đầu kéo ATC làm tăng lực kéo trung bình 25%. Chúng ta đã quá quen với việc được bao quanh bởi không khí mà chúng ta thường không chú ý đến nó. Chúng ta đang nói ở đây, trước hết là về các vấn đề kỹ thuật ứng dụng, khi giải quyết vấn đề này, thoạt đầu người ta quên rằng có lực cản của không khí. Cô ấy nhắc nhở bản thân trong hầu hết các hành động. Dù đi ô tô, dù đi máy bay, dù chỉ cần ném đá. Vì vậy, chúng ta hãy cố gắng hiểu lực cản của không khí là gì bằng cách sử dụng ví dụ về các trường hợp đơn giản. Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao ô tô lại được sắp xếp hợp lý và mặt phẳng? Nhưng mọi thứ thực sự rất rõ ràng. Lực cản của không khí bao gồm hai đại lượng - lực cản ma sát của bề mặt cơ thể và lực cản của hình dạng cơ thể. Để giảm thiểu và tìm cách giảm bớt sự bất thường và gồ ghề trên các bộ phận bên ngoài trong quá trình sản xuất ô tô và bất kỳ sản phẩm nào khác Phương tiện giao thông. Để làm được điều này, chúng được sơn lót, sơn, đánh bóng và đánh vecni. Việc gia công các chi tiết như vậy dẫn đến lực cản của không khí tác dụng lên ô tô bị giảm, tốc độ ô tô tăng lên và giảm mức tiêu hao nhiên liệu khi lái xe. Sự hiện diện của lực cản được giải thích là khi ô tô chuyển động, không khí bị nén và một vùng có áp suất cao cục bộ được tạo ra ở phía trước và phía sau nó, tương ứng là một vùng hiếm. Cần lưu ý rằng ở tốc độ xe tăng lên, phần đóng góp chính vào lực cản là do hình dáng của xe. Lực cản, công thức tính toán được đưa ra dưới đây, xác định các yếu tố mà nó phụ thuộc vào. Lực cản = Cx * S * V2 * r / 2 trong đó S là diện tích hình chiếu phía trước của máy; Cx - hệ số tính đến; Như có thể dễ dàng nhận thấy từ lực cản đã cho, nó không phụ thuộc vào khối lượng của ô tô. Sự đóng góp chính được thực hiện bởi hai thành phần - bình phương của tốc độ và hình dạng của chiếc xe. Những thứ kia. khi tốc độ di chuyển tăng gấp đôi, lực cản sẽ tăng lên gấp bốn lần. Chà, mặt cắt ngang của ô tô có tác động đáng kể. Xe càng được sắp xếp hợp lý thì lực cản của không khí càng ít. Và có một thông số khác trong công thức mà bạn chỉ cần chú ý đến nó - mật độ không khí. Nhưng ảnh hưởng của nó đã được chú ý nhiều hơn trong các chuyến bay bằng máy bay. Như bạn đã biết, mật độ không khí giảm khi độ cao tăng dần. Điều này có nghĩa là lực cản của nó sẽ giảm tương ứng. Tuy nhiên, đối với một chiếc máy bay, các yếu tố tương tự - tốc độ và hình dạng - sẽ tiếp tục ảnh hưởng đến lượng lực cản được cung cấp. Điều gây tò mò không kém là lịch sử nghiên cứu ảnh hưởng của không khí đối với độ chính xác khi bắn. Các công trình mang tính chất này đã được thực hiện trong một thời gian dài, những mô tả đầu tiên của chúng có từ năm 1742. Các thí nghiệm đã được thực hiện trong Những đất nước khác nhau, Với trong các hình dạng khác nhauđạn và vỏ đạn. Kết quả của nghiên cứu, hình dạng tối ưu của viên đạn và tỷ lệ giữa phần đầu và phần đuôi của nó đã được xác định, đồng thời phát triển các bảng biểu diễn hoạt động của đạn trong chuyến bay. Sau đó, các nghiên cứu được thực hiện dựa trên sự phụ thuộc của đường bay của viên đạn vào tốc độ của nó, hình dạng của viên đạn tiếp tục được nghiên cứu và cũng được cải thiện. Một công cụ toán học đặc biệt đã được phát triển và tạo ra - hệ số đạn đạo. Nó cho thấy tỷ lệ giữa lực cản khí động học và tác dụng lên viên đạn. Bài viết thảo luận về lực cản của không khí là gì, một công thức được đưa ra cho phép bạn xác định độ lớn và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến độ lớn của lực cản, ảnh hưởng của nó trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau. Làm thế nào để tìm lực cản của không khí? Xin vui lòng cho tôi biết, cảm ơn trước.
|
