Welche Art von Auto kann auf die Oberseite des Tunnels gesaugt werden und herumrasen? Aerodynamik muss man lernen!

Kürzlich schickte mir ein Freund ein Video: Ein Sportwagen fuhr in einen Tunnel, geriet vor sich in einen Stau und fuhr entschlossen auf das Tunneldach, um zu überholen. Er fragte mich: Ist dieses Video echt oder gefälscht? Kann man mit einem Sportwagen am oberen Ende eines Tunnels rückwärts fahren?

Video im Netz: Lamborghini klettert eine Wand hoch

Lassen Sie mich zunächst mein Fazit ziehen: Dieses Video ist definitiv gefälscht. In Wirklichkeit ist nur der Rennkönig Schumacher in einer Mercedes-Benz-Werbung rückwärts auf die Spitze eines Tunnels gefahren, allerdings unter zwei Bedingungen: **1. Die Oberseite des Tunnels ist gewölbt, sodass die Zentrifugalkraft zur Bekämpfung der Schwerkraft genutzt werden kann. ** 2. Der Tunnel ist geräumt, sodass keine Gefahr entstehen kann.

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In diesem Video ist die Oberseite des Tunnels flach und ohne Kreisbewegung gibt es keine Zentrifugalkraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Zweitens war der Tunnel voller Autos und es war unmöglich, in einer solchen Situation zu jonglieren, ohne einen Unfall zu verursachen. Das Video ist also zu 99,9 % gefälscht.

Theoretisch ist es jedoch immer noch möglich, dass ein Sportwagen rückwärts auf der Tunneldecke fährt. Es muss lediglich leicht genug sein und eine ausreichend gute Aerodynamik aufweisen. Heute werde ich mit Ihnen über Aerodynamik und ihre Anwendung im Leben sprechen und schließlich erklären, welche Art von Auto kopfüber an der Spitze eines Tunnels hängen kann.

1. Aerodynamik

Unser Leben ist erfüllt von Luft und Wasser, beides Flüssigkeiten. Seit Tausenden von Jahren führen die Menschen verschiedene Untersuchungen zu Flüssigkeiten durch, woraus die Strömungsmechanik entstand. Aerodynamik ist ein Zweig der Strömungsmechanik.

Wir alle kennen zum Beispiel die Geschichte: Archimedes rief „Heureka“ und rannte aus der Badewanne, weil er das Gesetz des Auftriebs entdeckt hatte: Der Auftrieb eines ins Wasser gelegten Gegenstands entspricht dem Gewicht der Flüssigkeit, die er verdrängt.

Archimedes

Dies wird als archimedisches Auftriebsprinzip bezeichnet und ist die Schlussfolgerung der Strömungsmechanik. Durch den Auftrieb können wir riesige Stahlschiffe auf dem Wasser schwimmen lassen.

Ein weiteres Beispiel ist der Wissenschaftler Pascal, der das Pascalsche Gesetz entdeckte: Flüssigkeiten übertragen Druck.

Pascal

Wenn wir ein Rohr haben, haben die Öffnungen an beiden Enden unterschiedliche Größen. Angenommen, ihre Flächen betragen S1 bzw. S2. Wenn wir auf der einen Seite den Druck F1 anwenden, wird auf der anderen Seite der Druck F2 erzeugt. Nach dem Pascalschen Gesetz ist der Druck der Flüssigkeit auf beiden Seiten gleich, d. h.

Da S1<<S2, also F1<<F2, d.h.: eine relativ kleine Kraft kann eine große Kraft erzeugen, das ist das Prinzip der hydraulischen Presse.

Auch Pascal machte ein Experiment: Er steckte ein sehr hohes Rohr in ein Holzfass. Gießen Sie eine Tasse Wasser durch das Rohr in das Fass, und das Fass wird reißen. Denn obwohl ein Glas Wasser eine sehr kleine Masse hat, erzeugt es in einem sehr dünnen Rohr einen sehr hohen Druck, der sich in einer sehr großen Kraft auf das Fass niederschlägt. Dies ähnelt dem Prinzip einer hydraulischen Presse.

Pascals Fassexperiment

Die Person, die die Strömungsmechanik11 jedoch wirklich zu einer eigenständigen Disziplin machte, war der berühmte Wissenschaftler Daniel Bernoulli.

Daniel Bernoulli

Wir haben bereits die Geschichte seines Vaters, Johann Bernoulli, erzählt, der ein berühmter Mathematiker und Lehrer des Mathematikmeisters Euler war. Unter der Anleitung seines Vaters schlug Daniel Bernoulli die berühmte Bernoulli-Gleichung vor.

Was sagt uns diese Formel? Lassen Sie mich Ihnen einige Beispiele geben:

Das erste ist ein Rohr, das nach dem italienischen Venturi benannt ist und Venturirohr genannt wird.

Venturi-Rohr

Sie sehen, wenn das Venturirohr horizontal platziert ist, sind die Höhen bei A1 und A2 gleich: h₁=h₂

Wenn eine Flüssigkeit von einem dicken in einen dünnen Abschnitt fließt, erhöht sich zwangsläufig die Durchflussrate, da das Volumen der Flüssigkeit unverändert bleibt und die Querschnittsfläche kleiner wird. Also: v₁＜v₂

Wenn Sie dies in die Bernoulli-Gleichung einsetzen, werden Sie feststellen, dass: Ρ₁＞Ρ₂

Das heißt, an engen Stellen ist die Strömungsgeschwindigkeit hoch und der Druck niedrig. Diese Schlussfolgerung ist auch das Bernoulli-Prinzip, das wir in der Mittelschule gelernt haben. Wenn wir an einer engen Stelle ein Loch bohren, spritzt kein Wasser heraus, sondern es wird Luft angesaugt. Nach diesem Prinzip baut man einen Venturi-Düngemittelabsorber, mit dem man chemische Düngemittel aufnehmen kann. Durch die Hauptleitung fließt Wasser, durch die kleinen Röhrchen wird der Dünger angesaugt.

Venturi-Düngerabsauggerät

Beispiel: Der französische Ingenieur Pitot hat das Pitotrohr erfunden. Es verfügt über zwei Öffnungen, A zum Wind und B zum Seitenwind. An Orten, die dem Wind zugewandt sind, wird die Luft beim Eindringen blockiert, die Strömungsrate wird 0, die Luftströmungsrate ist niedrig und der Druck ist hoch; An windzugewandten Stellen kann sich die Luft ungehindert bewegen, die Luftströmungsrate ist hoch und der Druck niedrig.

Wenn wir den Druckunterschied zwischen zwei Orten messen können, können wir die Luftdurchflussrate ermitteln.

Zur Messung der Umgebungswindgeschwindigkeit muss am Flugzeug ein Pitotrohr installiert werden. Wenn das Pitotrohr verstopft ist, führt dies zu Messabweichungen, die sehr schwerwiegende Folgen haben können. Viele Flugzeugabstürze standen damit im Zusammenhang.

Flugzeug-Anemometer

Denn egal, ob es sich um ein Schiff, eine hydraulische Presse, eine Düngemittelextraktionsanlage oder ein Anemometer handelt, Kenntnisse der Strömungsmechanik sind erforderlich. Der Teil der Strömungsmechanik, der sich mit Luft befasst, wird Aerodynamik genannt. Sein größter Nutzen besteht darin, Flugzeuge in den Himmel zu schicken.

2. Warum können Flugzeuge in den Himmel fliegen?

Warum können Flugzeuge in den Himmel fliegen? Vor langer Zeit habe ich ein Video erstellt, um dieses Problem zu erklären, aber es war nicht detailliert genug. Diesmal kann ich es genauer erklären. Die beiden Seiten eines Flugzeugflügels haben unterschiedliche Formen. Die Unterseite ist konkav und die Oberseite konvex. Wenn sich das Flugzeug vorwärts bewegt, entsteht aufgrund der Asymmetrie der Formen der Ober- und Unterseite und des Einflusses der Viskosität eine Zirkulation um die Tragfläche: Die Oberseite bewegt sich nach hinten und die Unterseite nach vorne.

Vergessen Sie nicht, dass das Flugzeug immer noch vorwärts fliegt, es also auch einen Luftstrom nach hinten gibt. Sie werden feststellen, dass die Zirkulation und der Luftstrom über dem Flügel in die gleiche Richtung verlaufen, die Luft also schneller strömt und der Druck niedriger ist. Unter dem Flügel verlaufen Zirkulation und Luftstrom in entgegengesetzte Richtungen und kollidieren, sodass die Strömungsrate niedrig ist. Und je niedriger die Strömungsrate, desto höher der Druck. Zwischen beiden besteht ein Druckunterschied, der für den Auftrieb des Flugzeugs sorgt. Natürlich entsteht dabei auch ein gewisser Rückwärtswiderstand.

Schukowski, der Vater der russischen Luftfahrt, gab eine Formel zur Berechnung des Auftriebs eines Flugzeugs an, die wir wie folgt vereinfachen können:

Dabei steht P für die Luftdichte, s für die Flügelfläche, v für die relative Luftgeschwindigkeit in der Ferne und u für die Zirkulationsgeschwindigkeit. Tatsächlich kann der Bananenball aus einem Fußball geschossen werden, da sich bei der Rotation des Fußballs die Zirkulation u und die äußere Luftgeschwindigkeit v überlagern.

Darüber hinaus hat man manchmal beim Landen des Flugzeugs das Gefühl, als würde eine Kraft das Flugzeug nach oben ziehen, wenn es sich sehr nahe am Boden befindet, als ob der Auftrieb zugenommen hätte. Was ist los? Dies wird als Bodeneffekt bezeichnet.

Gemäß dem gerade erwähnten Bernoulli-Prinzip ist der Druck unter der Tragfläche eines Flugzeugs hoch und der Druck darüber niedrig, sodass die Luft unter der Tragfläche nach oben strömt und einen Wirbel bildet. Dies gilt insbesondere an den Flügelspitzen, wo sich sogenannte Flügelspitzenwirbel bilden. Dieser Wirbel ist deutlicher zu erkennen, wenn sich beim Überfliegen eines Flugzeugs farbige Partikel in der Luft befinden. Wenn viel Wasserdampf in der Luft ist, tritt der Effekt eines Flugzeugs auf, das eine Leine zieht.

Flügelspitzenwirbel

Dieses Phänomen verringert den ursprünglich großen Druckunterschied. Wenn sich das Flugzeug jedoch sehr nahe am Boden befindet, wird der Flügelspitzenwirbel durch die Behinderung durch den Boden geschwächt und das darunter liegende Gas kann nicht ungehindert nach oben strömen. Dadurch erhöht sich der Druckunterschied im Vergleich zur Luft, was dazu führt, dass das Flugzeug bei der Landung auf gewisse Schwierigkeiten stößt. Wir nennen dies den Bodeneffekt.

Luftströmung durch Flügelspitzenwirbel

Tatsächlich wurden auf der Grundlage des Bodeneffekts viele neue Transportmittel entwickelt. Beispielsweise ein Flugzeug, das nahe der Wasseroberfläche fliegen kann. Die ehemalige Sowjetunion war in dieser Hinsicht sehr fortschrittlich und entwickelte eine Reihe großvolumiger und schneller Wasserflugzeuge zur Verwendung als militärisches Gerät. Die Leute nannten es das Kaspische Monster. Doch letztlich wurde es nicht in Massenproduktion hergestellt und montiert. Mit dem Zusammenbruch der Sowjetunion wurde das Projekt schließlich vollständig beendet.

Kaspisches Monster

Allerdings beginnen derzeit viele Länder mit der Erforschung wassernaher Flugzeuge. Auch in unserem Land wird auf diesem Gebiet geforscht, in der Hoffnung, diesen Effekt für die Entwicklung von Raketen zu nutzen, die nahe der Wasseroberfläche fliegen können.

Moderne Wasserflugzeuge nutzen den Bodeneffekt

Tatsächlich gibt es über Flugzeuge noch viel mehr zu sagen. Beispielsweise muss der Flügel einen bestimmten Höhenwinkel zur Luft bilden. Ist der Winkel zu klein, reicht der Auftrieb nicht aus; Wenn der Winkel zu groß ist, wird sich die Luft nach dem Passieren des Flügels schnell trennen und einen Bereich mit niedrigem Druck bilden, wodurch der Flügel einen großen Widerstand erfährt. Welche Flügelform kann den Auftrieb maximieren und den Luftwiderstand minimieren? Dies ist Gegenstand der Aerodynamikforschung.

Im Vergleich zur Zeit Daniel Bernoullis haben sich die Forschungsmethoden der Aerodynamik stark verbessert. Wir verfügen nicht nur über Computersimulationssoftware, sondern auch über Windkanäle, die es uns ermöglichen, die Windgeschwindigkeit anzupassen, ohne die Flugzeugflügel zu bewegen. Viele der Probleme, über die wir gerade gesprochen haben, können mithilfe von Windkanälen getestet werden.

Windkanaltests

3. Aerodynamik von Rennwagen

Tatsächlich ist die für ein Auto, insbesondere einen Sportwagen, erforderliche Kraft genau das Gegenteil von der für ein Flugzeug. Ein Flugzeug braucht Auftrieb, während ein Sportwagen Abwärtsdruck braucht.

Sportwagen sind sehr schnell und benötigen beim Wenden eine hohe Zentripetalkraft. Die Zentripetalkraft kann nur durch die Reibungskraft f bereitgestellt werden.

Die Reibungskraft hat eine Obergrenze, und die Größe dieser Obergrenze hängt von der Rauheit µ der Kontaktfläche und dem Druck N ab. Je größer der Druck N zwischen Auto und Boden ist, desto größer ist die Reibung.

Wir können uns jedoch auf keinen Fall darauf verlassen, dass sich der Druck durch eine Erhöhung des Fahrzeuggewichts erhöht, denn eine Gewichtserhöhung würde das Fahrzeug erstens langsamer und weniger flexibel machen und zweitens würde mit der Erhöhung der Fahrzeugmasse auch die zum Wenden erforderliche Zentripetalkraft zunehmen, was die Kosten nicht rechtfertigt. Gibt es eine Möglichkeit, den Druck zwischen dem Auto und dem Boden zu erhöhen, ohne das Eigengewicht zu erhöhen?

Die Leute dachten an die Aerodynamik.

In den 1950er und 1960er Jahren gab es in Großbritannien einen Automobilerfinder und Unternehmer: Colin Chapman.

Colin Chapman

Er studierte Bauingenieurwesen an der Universität und wurde später Pilot bei der britischen Luftwaffe. Nach seiner Pensionierung gründete er eine Autofirma – Lotus, was Lotus ausgesprochen wird. Aufgrund seines Studiums und seiner Militärdiensterfahrung strebte er sehr beharrlich nach Geschwindigkeit, Leichtigkeit und der Nutzung der Aerodynamik. Schon bald gewann das von ihm entworfene Auto den F1-Grand-Prix und wurde zu einem bekannten Rennteam.

Lotus-Logo

Im Vergleich zu Ferraris Streben nach Hochleistungsmotoren legt das Lotus-Team mehr Wert auf Leichtigkeit und die Nutzung von Luft. Im Jahr 1968 dachte sich Chapman: Wenn Flugzeuge Flügel zum Auftrieb nutzen können, warum können Autos dann nicht umgekehrte Flügel zum Abtrieb nutzen? Deshalb entwarf er den Lotus Typ 49B und befestigte den Heckflügel weit oben am Auto.

Lotus Typ 49B

Auf diese Weise gelangt der Luftstrom, wenn er von vorne durch das Auto bläst, jeweils durch die Ober- und Unterseite und erzeugt so einen Effekt, der dem einer Flugzeugtragfläche ähnelt. Natürlich darf der Frontflügel nicht fehlen. Je einer vorne und hinten drückte das Auto fest auf den Boden.

Obwohl die Motorleistung des Typ 49B nicht an die von Ferrari heranreichte, verhalfen seine gute Straßenlage und die relativ leichte Karosserie dem Lotus-Team zum Gewinn der F1-Meisterschaft 1968.

Bald entdeckte jeder diese neue Erfindung. Die Motorentechnologie von Ferrari ist nicht leicht zu erlernen, aber die aerodynamische Ausrüstung von Lotus wird vollständig außen ausgestellt und ist leicht zu erlernen. Fast alle Teams begannen mit der Montage von Heckflügeln. Allerdings ist der Heckflügel tatsächlich ein zweischneidiges Schwert. Obwohl es die Griffigkeit verbessern kann, erhöht es auch den Luftwiderstand. Dies ist das gleiche Prinzip wie bei Flugzeugen.

Als jeder Front- und Heckflügel zum Standard machte, begann Chapman darüber nachzudenken, wie er sein Auto verbessern könnte. Er fragte sich, wie man mehr Abtrieb erreichen könne, ohne den Widerstand zu sehr zu erhöhen. Er dachte an den Bodeneffekt. Der Abstand zwischen dem Fahrzeugchassis und dem Boden ist sehr gering. Wenn das Chassis so konstruiert ist, dass es hervorsteht, würde dann nicht ein Venturi-Rohr zwischen dem Chassis und dem Boden gebildet werden?

Lotus Typ 79 und Typ 80

1977 erfand Chapman den Rennwagen Lotus Type 79. Das Chassis dieses Rennwagens hat eine konvexe Struktur. Wenn Luft in diesen Teil strömt, erhöht sich die Luftdurchflussrate aufgrund der Kompression des Raums unter dem Auto, wodurch ein Venturi-Effekt entsteht. Die Luft darüber drückt das gesamte Auto auf den Boden.

Das TYPE79-Auto nutzt den Bodeneffekt, um Abtrieb zu erzeugen

Um ein Entweichen der Luft zu verhindern, entwarf Chapman außerdem Schürzen auf beiden Seiten des Rennwagen-Chassis. Diese Schürzen können die Luft blockieren und verhindern, dass sie entweicht. Dieses Auto half dem Lotus-Team, die F1-Meisterschaft erneut zu gewinnen.

TYPE79-Rennwagen erhält Air Fence

Als Chapman für Lotus verantwortlich war, gewann das Team in 15 Jahren insgesamt 7 F1-Konstrukteursmeisterschaften. Leider starb Clin Chapman im Alter von 54 Jahren an einem Herzinfarkt.

Colin Chapman und Lotus

Er hat ein berühmtes Sprichwort: „Wenn Sie noch nicht gewonnen haben, bedeutet das, dass Sie nicht hart genug gearbeitet haben .“

Im F1-Bereich ist die britische Rennsportmarke Lotus eine Marke, die dem deutschen Porsche und dem italienischen Ferrari ebenbürtig ist. Wer jedoch glaubt, dass Lotus nur Rennwagen hat, der irrt.

Im Jahr 1957 brachte Lotus sein erstes Zivilfahrzeug auf den Markt, den Lotus Elite. Da es keinen Windkanal gab, beklebte Chapman die Karosserie mit Kaschmir. Er und sein Freund fuhren das Auto, während einer den Kaschmir auf der Motorhaube festband, und beobachteten die Bewegungsrichtung des Kaschmirs bei einer Geschwindigkeit von 160 km/h. Schließlich schufen sie den Elite mit einem Luftwiderstandsbeiwert von 0,29. Sie sollten wissen, dass selbst bei heutigen Sportwagen der Luftwiderstandsbeiwert oft über 0,3 liegt.

Lotus Elite

Im Jahr 2019 brachte Lotus den Supersportwagen Evija auf den Markt, der weltweit auf 130 Exemplare limitiert ist. Dieser Sportwagen verkörpert voll und ganz den Geist von Chapman und treibt die Aerodynamik auf die Spitze. Das hohle Design vorne und hinten kann den Windwiderstand erheblich reduzieren.

Lotus Evija

Am Chassis ist ein Diffusor angebracht, dessen Funktion mit der des Venturi-Rohrs übereinstimmt, das bei einem Rennwagen durch den nach unten gerichteten Vorsprung gebildet wird. Dieser komprimiert die Luft, beschleunigt die Strömung und erzeugt Abtrieb. Es wird geschätzt, dass das Auto 1,8 Tonnen Abtrieb erzeugen kann.

Evijas aerodynamisches Design

Aufgrund seiner Kohlefaserstruktur wiegt es jedoch nur 1,68 Tonnen, was bedeutet , dass es theoretisch kopfüber auf einem flachen Tunnel fahren kann.

Natürlich ist das nur Theorie, also versuchen Sie es nicht. Ein weiterer Grund ist, dass dieses Auto etwa 20 Millionen Yuan kostet und die meisten Leute es sich nicht leisten können, es auszuprobieren.

Vom Studium eines Glases Wasser, eines Atemzugs, bis hin zu einem Flugzeug, einem Sportwagen. Die Technologie verändert die Welt in immer schnellerem Tempo. Konfuzius sagte: „Ist es nicht ein Vergnügen, zu lernen und es von Zeit zu Zeit zu üben?“ Viele Leute verstehen „习“ als Rezension. Ich denke, es ist besser, es als Übung zu verstehen. Colin Chapman wandte sein Wissen über Aerodynamik auf Autos an und gründete die erstklassige Sportwagenmarke Lotus. Was für eine schöne Sache das ist!

ENDE