Come posso misurare la resistenza aerodinamica di un’auto?

Questa è una grande domanda che riunisce molte delle cose di cui we’ve ha parlato in altri HowStuffWorks articoli sul drag. E, a quanto pare, c’è un modo relativamente semplice per imparare quanta resistenza aerodinamica c’è sulla tua auto.

Nell’articolo How Force, Power, Torque and Energy Work avete appreso della seconda legge di Newton’s, che possiamo riaffermare come forza ( F ) è uguale a massa ( m ) moltiplicata per l’accelerazione ( a ).

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F = ma o a = F/m

F = ma o a = F/m

Ciò che questa equazione significa è che la forza applicata all’auto farà accelerare la vostra auto. Quando si guida a velocità costante, la potenza prodotta nel motore viene convertita in forza alle gomme. La forza di trascinamento agisce nella direzione opposta ed è uguale alla forza che il motore crea alle gomme. Poiché queste forze sono uguali e opposte, la forza netta netta sull’auto è pari a zero, quindi l’auto mantiene la sua velocità costante. Se si toglie la forza prodotta dal motore (mettendo l’auto in folle, per esempio) allora l’unica forza sull’auto è la resistenza aerodinamica. Poiché c’è una forza netta sull’auto, l’auto inizierà a decelerare.

Se si può misurare la massa dell’auto e l’accelerazione, allora si può determinare la forza. È possibile far pesare l’auto in una discarica per determinare la massa. E si può determinare l’accelerazione misurando quanto tempo impiega l’auto a rallentare quando la si mette in folle.

Vi aiuterà a capire un po’ le forze sulla macchina prima di impostare l’esperimento.

La forza di spingere un’auto lungo la strada varia a seconda della velocità che l’auto sta percorrendo. Segue un’equazione della seguente forma:

forza di carico stradale = a + bv + cv2

forza di carico stradale = a + bv + cv 2

La lettera v rappresenta la velocità dell’auto, e le lettere a , b e c rappresentano tre diverse costanti:

  • Il componente a non dipende dalla velocità. Ciò deriva principalmente dalla resistenza al rotolamento delle gomme, e dall’attrito nei componenti dell’auto&apos, come l’attrito delle pastiglie dei freni, o l’attrito nei cuscinetti delle ruote.
  • Il componente b deriva anche dall’attrito nei componenti e dalla resistenza al rotolamento dei pneumatici.
  • La componente c deriva principalmente da cose che influenzano la resistenza aerodinamica come l’area frontale, il coefficiente di resistenza e la densità dell’aria.

La cosa importante di questa equazione è che la forza sull’auto si accresce molto rapidamente ad alte velocità. La forza sull’auto a 70 mph è molto più alta di quella a 60 mph.

Ciò significa che vogliamo misurare l’accelerazione in un campo di velocità molto ristretto. Qualcosa come 3 mph o 5 kph dovrebbe funzionare. We’ll fare questo calcolo in unità metriche perché sono più facili da lavorare.

Let’s dire che la vostra auto ha una massa di 2.000 chilogrammi (kg) compresi voi e vostra madre, e si sta andando a controllare l’accelerazione tra 100 km/h e 95 km/h (che dà una velocità media di 97,5 km/h o circa 60 mph quindi farlo sulla superstrada dove il limite di velocità è abbastanza alto). Dovreste scegliere un tratto di strada pianeggiante con poco traffico, e farlo in un giorno in cui il vento è calmo e piove.

Dite a vostra madre di portare l’auto fino a 105 km/h e di tenere pronto il cronometro. Di’ a tua madre di mettere la macchina in folle, in modo da iniziare a girare a vuoto. Quando l’auto rallenta fino a 100 km/h, avviate il cronometro e fermatela quando l’auto arriva a 95 km/h. Potreste volerlo fare più volte, magari andando in una direzione diversa sulla stessa parte dell’autostrada. Registrate tutti i tempi e fate la media.

Let’s dire che il tempo medio è stato di 10 secondi. Ora avete tutte le informazioni necessarie per calcolare la forza di trascinamento. Basta fare qualche conversione. Avete bisogno della vostra accelerazione in metri al secondo, al secondo (m/s2).

La vostra auto ha rallentato di 5 km/h, ovvero 5.000 metri all’ora, ovvero 1,389 metri al secondo. Ci sono voluti 10 secondi per rallentare così tanto, quindi il tasso di accelerazione è stato di 0,1389 m/s2.

Basta inserire la massa e l’accelerazione nell’equazione F = ma per trovare la forza. Qui c’è un pratico convertitore di misura.

Quindi la forza su questa ipotetica macchina a 60 mph è di circa 60 libbre. Questo significa anche che per far andare l’auto a 60 mph il motore deve produrre abbastanza potenza per fare 60 libbre di forza alle ruote.

Possiamo anche capire di quanta potenza si tratta. La potenza è uguale alla forza moltiplicata per la velocità. Quindi tutto quello che dobbiamo fare è moltiplicare la forza in newton per la velocità in metri al secondo, questo ci dà la potenza in watt.

La velocità media della vostra prova è stata di 97,5 km/h, ovvero 27 metri al secondo. Quindi la vostra potenza è di 278 N moltiplicata per 27 m/s = 7.500 watt, ovvero 7,5 kilowatt, ovvero 10 cavalli.

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