Co ogranicza prędkość samochodu?

Z technicznego punktu widzenia, co ogranicza maksymalną prędkość, jaką można osiągnąć zwykłym samochodem? Rozumiem, że niektóre szybsze samochody ze względów bezpieczeństwa są ograniczone do tego, aby nie jechać szybciej niż, powiedzmy, 250 km / h, ale to nie moje pytanie.

Mogę wymyślić kilka powodów, ale nie jestem pewien, który z nich jest istotny:

1. Czy limit jest ustalany przez jakąś część (która?) Przekroczenie, jeśli zwiększę obroty, jak sugerują czerwone znaki na obrotomierzach?
2. A może raczej nie można wystarczająco szybko zatankować paliwa, aby ciągle zwiększać obroty?
3. A może tarcie / opór wzrasta w miarę przyspieszania, a silnik nie jest w stanie tego przezwyciężyć, ponieważ może wygenerować tylko maksymalną siłę / moment obrotowy? Jeśli tak, od czego zależy ten moment obrotowy / siła?

Istnieje kilka prostych powodów, dla których prędkość pojazdu (niezależnie od warunków drogowych) może być ograniczona:

1. Przekładnia - Pojazdy produkcyjne z konwencjonalnymi skrzyniami biegów mają ograniczoną liczbę biegów. W większości nowoczesnych samochodów jest to zwykle 5 lub 6, podczas gdy starsze pojazdy mogą mieć zaledwie 2 lub 3. Jeśli przełożenie najwyższego biegu jest zbyt niskie („niższe” biegi są wyrażone jako większe przełożenia liczbowe), to całkowicie możliwe, że silnik zaczerwieni się, zanim opór powietrza stanie się w ogóle czynnikiem. To wiąże się z twoim pierwszym punktem na temat czerwonej strefy na obrotomierzu. Jeśli osiągnąłeś czerwoną linię, która jest maksymalną prędkością obrotową twojego silnika, ale nie masz wyższego biegu do zmiany biegów, nie możesz jechać szybciej bez uszkodzenia silnika.

2. Przeciąganie - podobnie jak każdy przedmiot fizyczny, samochody są narażone na opór powietrza i inne źródła oporu (opór toczenia itp.). Jeśli opór w samochodzie przekracza ilość mocy, którą silnik jest w stanie wytworzyć na kołach, wówczas prędkość jest ponownie ograniczona.

3. Ograniczniki prędkości - Warto wspomnieć, że ze względów bezpieczeństwa lub ze względów prawnych pojazdy produkcyjne są prawie zawsze ograniczone w ECU (sterownik silnika). Jeśli ECU wykryje, że koła obracają się z wystarczająco dużą prędkością, odetnie moc silnika, aby zapobiec przyspieszeniu pojazdu. Możliwe jest obejście tej ochrony za pomocą ECU rynku wtórnego lub modyfikacji w magazynie podstawowym. Jako przykład, niektóre lata modelowe Hondy Civic mają ograniczoną prędkość do około 120 mil na godzinę (190 km / h).

4. Oceny opon - wszystkie opony mają określony wskaźnik prędkości, który jest prawdopodobnie znacznie mniejszy niż faktyczna prędkość maksymalna pojazdu. Ocena prędkości jest pojedynczą literą i stanowi część kodu opony ( więcej informacji znajdziesz tutaj ). Na przykład, tymczasowe opony zapasowe mogą być ograniczone tylko do 80 mph (130 km / h), zanim grozi im niebezpieczeństwo wybuchu.

5. Stabilność / aerodynamika - jest to mniej perspektywa inżynieryjna niż praktyczna, ale w przypadku „zwykłego” samochodu będzie pewien punkt, w którym zawieszenie i inne elementy nie będą wystarczające, aby utrzymać samochód jadący prosto drogą bezpieczna moda. Niepotwierdzone dowody na poparcie tego punktu mają postać opowieści o starym, pełnowymiarowym amerykańskim samochodzie z lat 70., który przy prędkości trzycyfrowej nie miał właściwości aerodynamicznych, aby utrzymać przednie koła na ziemi. Krótko mówiąc, podnośnik z powietrza poruszającego się pod samochodem uniósł przednie koła z ziemi do przerażającego, szybkiego koła. Chociaż proces ten technicznie nie spowodował spowolnienia samochodu, z pewnością utrudniał kontrolę przy tej prędkości.

Ograniczeniem prędkości jest więc połączenie dwóch rzeczy: mocy silnika z przekładnią oraz oporu toczenia i oporu powietrza.

Opór toczenia do około 40 km / h jest największym oporem, ale powyżej tej prędkości opór powietrza jest dominującym czynnikiem i zwiększa się, gdy jedziesz.

Moc silnika jest stała (poprawne strojenie itp.), Ale ważna jest również przekładnia - silnik o mocy 200 KM może napędzać ciągnik rolniczy lub zadbany samochód sportowy.

Gdy całkowity opór jest równy mocy dostępnej na kołach, nie jedziesz szybciej.

Fizyka cię powstrzymuje. Czy kiedykolwiek jeździłeś na rowerze? 25 km / h jest łatwe, 30 jest trudne, 40 wymaga specjalnego sprzętu lub bardzo napompowanego ciała, a 50 jest prawie niemożliwe. Dlaczego wysiłek staje się tak gwałtowny dla tak małych wzrostów prędkości? Powietrze.

Opór aerodynamiczny

Opory toczenia są dominującym czynnikiem, gdy samochód jedzie wolno - dlatego tak trudno go popchnąć. Ale przy wyższych prędkościach czynnikiem decydującym jest opór aerodynamiczny. Jest tak, ponieważ opór toczenia jest dość liniowy. Opór aerodynamiczny nie jest i jest co najmniej czynnikiem drugiego rzędu - pojawia się jak pociąg towarowy przy wyższych prędkościach. W rzeczywistości słyszałem, że pociągi z węglem, które potrafią załadować 40 km / h, mogą zrobić tylko 35 pustych. To dlatego, że każdy pusty wagon na węgiel to duża miarka, łapiąc wiatr. Opór toczenia jest prawie zerowy dla pociągu.

Dostępna moc

Oczywiście ten opór aerodynamiczny jest zrównoważony z mocą, jaką silniki mogą na niego zastosować. Mogliby dostać ten pusty pociąg na węgiel do prędkości 70 km / h, gdyby postawili na nim czterokrotnie lokomotywy.

Mówisz o samochodach, więc zależy to od tego, ile akumulatorów może dostarczyć, a sterownik silnika może pchać bez obrażeń. Lub, ponieważ zakładasz samochody napędzane paliwem, chodzi o to, ile powietrza może poruszać silnik . Dodanie odpowiedniej ilości paliwa jest łatwe. O przepływie powietrza decyduje tuning - kanał wlotowy / wylotowy / przenoszenie / rezonans, rozmiar i liczby zaworów, camming itp. (Również czerwona linia silnika (maks. Obroty), ale jeśli twój kanał / rezonans jest dostrojony, więc podniesienie czerwonej linii zrobi różnicę, że silnik będzie działał dość słabo na ulicy.)

Ważnym czynnikiem może być również przekładnia. Miałem samochód, który walczył z maksymalną prędkością. Czwarty bieg był zbyt wysoki, aby mógł przyspieszyć. Trzeci bieg wyprzedza jego szczyt mocy, więc im szybciej jedziesz, tym mniej masz mocy. Bieg był niewłaściwy pod względem prędkości, ale był doskonały do ​​zabawy na drodze, wyrafinowania i MPG, za co zapłaciłem.

Typowy niesportowy samochód uliczny, taki jak Ford Flex, prawdopodobnie przekroczy fizyczne ograniczenia aerodynamicznego oporu, zanim osiągnie punkt, w którym komputer przekroczyłby limit prędkości lub limit MPH.

W przypadku nowoczesnych samochodów o wysokich osiągach, zbudowanych po około 2000 roku do dziś (2018), odpowiedź jest prosta: przyczepność opon .

Osiągi i zarządzanie silnikiem osiągnęły już poziom, który może przewyższyć poziom przyczepności opon na drodze. To, co się dzieje, gdy próbujesz wywierać więcej energii niż twoje opony są w stanie znieść, to poślizg kół.

Większość ludzi znałaby poślizg kół od startu na stojąco (jak w wyścigach drag) i kiedy samochody poruszają się powoli (kiedy ludzie celowo palą gumę). Ten rodzaj poślizgu został wyeliminowany poprzez umożliwienie CPU kontrolowania hamulców (kontrola trakcji).

Następnie pojawia się poślizg kół, którym się zajmujemy. Poślizg koła podczas jazdy z maksymalną prędkością. Tradycyjnym rozwiązaniem było zmodyfikowanie aerodynamiki samochodu i zmniejszenie siły, aby w zasadzie pchnąć samochód na drogę.

Teraz osiągnęliśmy etap, w którym dodanie jeszcze większej siły docisku zwiększy opór i zmniejszy wydajność. Ale nasze najskuteczniejsze silniki nadal mogą generować poślizg kół.

Jednak równolegle z rozwojem silnika postępy w dziedzinie chemii i projektowania opon przyczyniły się również do zwiększenia maksymalnej prędkości samochodu poprzez zwiększenie prędkości, którą opona jest w stanie obsłużyć przed utratą przyczepności. Teraz, gdy osiągnęliśmy punkt, w którym nasze najlepsze silniki mogą stale uszkadzać opony, bieżącym czynnikiem ograniczającym jest przyczepność opon.

Aby znaleźć czysto teoretyczną granicę całkowicie zależną od granic oporu toczenia opony i oporu powietrza. Oto praca.

Formuły

• $F_d = \dfrac{1}{2}pA\mu_d v^2$
• $f_s = \mu_s mg$

UWAGA: Używam wartości modelu Tesli 3.

Znane wartości

• A = 0,23 m ²
• g = 9,80665 m / s ²
• m = 1611 kg
• $\mu_s$
• $\mu_d$
• p = 1,2754 kg / m ³

Założenia

• Samochód jest idealnie prostopadły do ​​siły grawitacji.
• Samochód znajduje się na poziomie morza.
• Warunki są idealne.
• Moc silnika jest nieskończona.

Wyniki

$V_{theo} = 1280.9\text{ mph}$

Po pierwsze, nie określiłeś samochodu napędzanego biegiem (z napędem bezpośrednim). Nawet w przypadku pojazdów z napędem bezpośrednim prędkość graniczna jest ostatecznie ustalana poprzez zaprojektowanie aerodynamiki, aby samochód nie startował i nie latał.

Ostatnio sprawdziłem, czy ustanowiono rekordy prędkości lądowej w samochodach o ekstremalnej konstrukcji, napędzanych odrzutowcem lub rakietą, z niewiarygodnie wyspecjalizowanymi kołami i hamulcami (standardowe tarcze po prostu rozpadałyby się przy wysokich obrotach) między innymi.

Podsumowując, ponieważ nowe materiały są opracowywane z coraz większymi stosunkami wytrzymałości do masy, rekordy prędkości lądowej prawdopodobnie będą nadal bite.