在新車解析或者一些汽車廣告中,經常能看到「風阻係數」這個名詞,隨後對其的解釋基本是風阻係數越小就越省油。那麼風阻係數是如何影響汽車油耗的,風阻係數真是越小越好嗎?
在解釋風阻係數和油耗的關係之前,我們先來思考一個問題,把燃料中的化學能轉換成機械能後,這些能量究竟做了些什麼?阻止汽車前進主要有兩個因素,一是摩擦力,二是空氣阻力。在汽車起步或低速行駛時,大部分動力都用在了克服摩擦力上,這也解釋了為什麼輪胎缺氣會讓油耗上升,因為輪胎氣壓越低與地面接觸面積就越大,自然摩擦力就會增加。不過隨著車速的攀升,空氣阻力將成為阻止汽車前進的最大敵人。為何會這樣,來看下面這個公式:
F=(1/2)CρSV^2其中:F為空氣阻力C為空氣阻力係數(也就是風阻係數)ρ為空氣密度S為物體迎風面積V為物體與空氣的相對運動速度
通過公式可以看出,相對速度V的平方和空氣阻力F成正比關係,每當「V」增大一倍,空氣阻力就會翻四倍,所以車輛在高速行駛時,絕大部分的機械能都用在了克服空氣阻力上面。有機構測算過,一般轎車在以80km/h行駛時,60%至70%的動力都花費在克服空氣阻力上了。換句話說,若想在高速工況下節省燃料,首先要解決的問題就是減小空氣阻力的影響。那麼該如何做呢,我們繼續來看前面的公式。空氣密度ρ、物體迎風面積S和空氣阻力係數C都與空氣阻力F成正比例關係,只要設法減小這三個變量的數值就好了。
空氣阻力係數C可以看成一個常量,我們無法改變。物體迎風面積S,這個很好理解,就是車輛正面投影的面積,也可以大致理解成寬度乘以高度。如果想降低這項參數,唯一的解決方案就是選擇更小的車,不過這和人們的用車需求有矛盾,多數人還是喜愛大塊頭的SUV。喜歡大車無可厚非,只是要知道在同等動力水平下,轎車比SUV省油就是了。
至於說空氣阻力係數C,這個就比較複雜了,它和物體形狀、表面粗糙度等因素相關。想要具體測算一款車的風阻係數,必須藉助風洞測試或者用數學模型模擬才行。換句話講風阻係數是測試出來的,沒有具體公式來計算,當然其中牽扯的物理知識以及數學計算就不詳細去說了。不過我們可以通過對比不同形狀物體的風阻係數來尋找規律。
通過上圖可以發現,越接近水滴形狀的物體風阻係數越低,反之那些方盒子狀的物體風阻係數就很大。既然降低風阻係數對油耗有積極的影響,那為何我們看不到水滴狀的汽車呢?這就要引出一個新的概念——下壓力。看到這個名詞,首先會聯想到賽車,但我們的家用車同樣需要下壓力來保證高速行駛的穩定性。不然高速行駛時會產生很大的升力,並且讓輪胎的抓地力降低、車身發飄,這是極為危險的。
車身部分空氣動力效應
車底部分空氣動力效應
上面這兩張圖展示了車輛在高速行駛時,車身和車底的空氣動力學效應。其中車底部分,是利用伯努利定理以及由伯努利定理衍生出來的文氏管效果來實現下壓力的,不過這與空氣阻力的關係沒有那麼密切,今天就不展開說明了,有興趣的朋友可以去查查專業資料。
車身部分,可以看到下壓力主要來自於前擋區域。車輛在高速行駛時,前擋風玻璃與氣流方向會形成一定的攻角,正是有這個角度,所以才會產生下壓力。大家可以簡單做個實驗,車輛在行駛時把手伸出窗外(當然在安全的前提下),掌心朝上,逆時針旋轉一定的角度,這時就能感覺到風把你的手向地面按壓,這就是下壓力。
另外通過上圖還能看到,車尾部分會產生升力,所以很多賽車和高性能車會在尾部加裝一個尾翼,目的就是增加車尾的下壓力。
不過這也有一個問題,同樣拿之前的實驗來說,隨著手掌轉動的角度增加,掌面的阻力也會越來越大。也就是說增加下壓力的同時,也會增加車輛的空氣阻力。下壓力和空氣阻力相比較,顯然是下壓力更重要,畢竟它和車輛的安全性息息相關,所以我們才看不到水滴狀的汽車。
寫在最後
說到這,大家應該明白風阻係數並非越低越好,它是有前提的。準確的說,在保證下壓力的前提下風阻係數越低越好。所以那些強調性能的超跑,風阻係數反而會更大,比如麥拿輪P1的風阻係數大約是0.34,保時捷918在0.35左右,甚至比很多SUV的風阻係數都要高。