Producenci samochodów ponoszą wysokie koszty rozwoju, wprost proporcjonalne do norm w zakresie emisji spalin, a wszystko po to, aby utrzymać zużycie paliwa w nowych samochodach na jak najniższym poziomie. Dlaczego jest to tak trudne zadanie? Odpowiedź znajdziecie w dzisiejszym artykule, który – oprócz powtórki z praw fizyki – skupia się również na tym, w jaki sposób klienci utrudniają to zadanie producentom.

Opory ruchu, z które samochód musi pokonywać w trakcie jazdy

Zanim przejdziemy do konkretnych problemów, zajmijmy się powtórką z praw fizyki, które każdy powinien znać, aby rozumieć, jak to się dzieje, że samochód w ogóle jedzie. W tym rozdziale szczegółowo opisujemy opór, na jaki napotyka samochód podczas jazdy.

Tarcie

Ogólnie rzecz biorąc, jest to siła, która powstaje, gdy jedno ciało przetaczamy po drugim. W przypadku samochodów oznacza to, że kontakt pojazdu z drogą utrudnia mu poruszanie się, ponieważ jezdnia nie jest powierzchnią idealnie gładką.

Wielkość tarcia zależy od wielu rzeczy, ale najważniejszym czynnikiem jest kontakt między dwoma ciałami, a także materiał ich wykonania. Na dalszym miejscu znajdują się również parametry układu napędowego, silnika, łożysk itp., ale te aspekty omówimy w innym miejscu.

Wzór matematyczny na tarcie wygląda następująco:

F = F_{r n} x μ

gdzie:

• F_n jest siłą, którą można wyprowadzić z masy pojazdu
• μ jest współczynnikiem tarcia tocznego

Na wielkość tego ostatniego wpływa wiele rzeczy, m.in. ciśnienie i szerokość naszych opon, jakość podłoża oraz ewentualna obecność opadów.

Gdy samochód jedzie po asfaltowej drodze, μ przyjmuje wartość mniej więcej 0,01-0,025. Nie wydaje się to dużo, ale jest to ponad dziesięć razy więcej niż średnia wartość, jaką wykazują koła wagonów kolejowych w styku z szynami (0,001).

Dodatkowo, wraz z pogarszaniem się jakości podłoża, wartość ta drastycznie wzrasta: na drogach gruntowych może osiągnąć nawet wartość 0,05, a w piasku nawet kilkukrotnie więcej. Oczywiście im wyższa wartość μ, tym więcej paliwa trzeba zużyć.

Opór powietrza

Dziś samochody są na tyle szybkie, że opór powietrza stał się główną przeszkodą do pokonania. Jest to bowiem jedyna forma oporu, która wzrasta aż czterokrotnie wraz ze wzrostem prędkości. Wynika to jasno z poniższego wzoru:

F_d = ½ x ϱ x c_d x A x v²

gdzie

• ϱ to gęstość powietrza
• c_d to współczynnik oporu powietrza
• A to powierzchnia czołowa prostopadła do kierunku jazdy
• v to prędkość przemieszczania się względem ośrodka

Ze wzoru wynika, że zwiększenie prędkości ze 100 km/h do 110 km/h nie powoduje wzrostu oporu powietrza o 10%, ale znacznie więcej.

Oczywiście na gęstość ośrodka nie mamy wpływu, ale inaczej sprawa się ma w przypadku powierzchni czołowej i współczynnika kształtu.

Im większa powierzchnia czołowa pojazdu, tym większy opór powietrza – mamy tu na myśli powierzchnię, którą widzimy, stojąc przed samochodem.

Współczynnik kształtu jest trudniejszy do opisania (w terminologii niemieckiej określa się go zazwyczaj symbolem c_w, natomiast w literaturze anglosaskiej bardziej powszechny jest symbol c_d). Można stwierdzić, że wartość ta opisuje, jak kształt ciała wpływa na przepływ powietrza wokół niego. Im łatwiej cząsteczkom powietrza ominąć dany obiekt, tym mniejsza będzie ta wartość. Poniższy diagram może pomóc zrozumieć, jakie kształty są opływowe, a jakie nie są:

Oczywiście w interesie producentów leży maksymalne wykorzystanie możliwości aerodynamicznych tkwiących w kształcie, ale nie jest to jedyny dominujący aspekt podczas projektowania bryły samochodu. Jednocześnie na rynku elektrycznym można zaobserwować, że w imię oszczędności energii w przypadku wielu marek całkowicie dominujący stał się kształt kropli o niskim oporze powietrza.

Nachylenie terenu

Przeciętny użytkownik zapewne rzadko myśli o tym, że pokonanie wzniesienia podczas jazdy wymaga od samochodu dodatkowego wydatku energetycznego, choć często można to odczuć w zachowaniu pojazdu, zwłaszcza w przypadku niskiej mocy maksymalnej w stosunku do masy całkowitej.

Ten dodatkowy wydatek energetyczny można obliczyć w następujący sposób:

F_l = m x g x sinα

gdzie:

• m to masa całkowita pojazdu
• g to przyśpieszenie ziemskie
• α to kąt wzniesienia

Oczywiste jest, że masa pojazdu wpływa na zużycie paliwa na wiele sposobów, ale jeśli dla potrzeb obliczenia zignorujemy tę wielkość, to o stopniu oporu będzie decydować tylko stromość i długość wzniesienia.

Całkowity opór toczenia, inne opory

Całkowity opór, z jakim musi zmierzyć się pojazd podczas jazdy, stanowi sumę wszystkich powyższych czynników i nosi on miano „całkowitego oporu toczenia”.

Istnieją również inne opory, które należy uwzględnić podczas projektowania. Jednym z nich jest wspomniany wcześniej opór przekładni. Wynika on z faktu, że poszczególne mechanizmy przeniesienia napędu są zmuszone do ruchu i obrotu (sprzęgło, skrzynia biegów, mechanizm różnicowy itp.). W literaturze technicznej to zjawisko określane bywa jako opór wewnętrzny i determinuje ono sprawność całości układu napędowego.

Warto również wspomnieć o oporze przyspieszenia, który jest siłą bezwładności wynikającą z przyspieszenia elementów konstrukcyjnych pojazdu. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe przełożenie układu napędowego, tym większa bezwładność, którą musimy pokonać podczas przyspieszania.

Oczekiwania klientów

Po przeczytaniu powyższego artykułu widać wyraźnie, że klienci zmuszają producentów do wynajdowania coraz to nowszych sposobów, aby obejść prawa fizyki. Oczekujemy, że pojazdy o coraz większej powierzchni czołowej, większej masie, a co za tym idzie większym oporze toczenia, będą zużywać coraz mniej paliwa lub energii elektrycznej.

Nie ma znaczenia, jakie zasoby mamy w naszym samochodzie, ponieważ omawiane tutaj czynniki fizyczne dotyczą wszystkich pojazdów i są nie do uniknięcia. Dlatego osoby, które zamierzają w przyszłości wybrać samochód i biorą pod uwagę również aspekty ekologiczne, nie powinny szukać rozwiązania wśród dużych SUV-ów.