Статья. Наземный транспорт 21 века – пути снижения силы лобового сопротивления

Научно – исследовательская и проектная работа студентов

Ильина Татьяна Васильевна, преподаватель физики Государственного колледжа технологии и управления «Колледжный комплекс» г. Электроугли

Возглавив научно студенческое общество колледжа, я обратила внимание на интерес студентов особенно специальности Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта к мировой проблеме 21 века - энергетический кризис во всём мире.

Срок, на который человечеству хватит мировых запасов нефти, газа и угля при нынешнем уровне потребления ограничен - недра истощаются. Есть природные источники, которые давно погасли - природные ресурсы не возобновляются, происходят климатические изменения (сожжение ископаемых источников энергии). Цены на нефть растут стремительно. Если цена на нефть продолжит расти, то увеличится потребность в биотопливе. Биоэнергетика может частично заменить ископаемые источники энергии, расходуя зерно, растительные масла на производство биодизельного топлива, но био запасы это пища, еда для людей, которым грозит голод, с каждым годом растёт население. Развитие биотопливной индустрии вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами. По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 возрастёт до 1,2 млрд человек. Переводить критичный компонент мировой пищевой системы на топливо нельзя - будет голод. Можно использовать водород в качестве автомобильного топлива, но процесс получения водорода связан с образованием углекислого газа, влияющий на парниковый эффект. Получение чистого водорода (без одновременного образования углекислого газа) электролиз воды – процесс энергоёмкий.

Есть два пути уменьшения потребления топлива: улучшение аэродинамических качеств транспорта и улучшение дорог. Совместно это приведёт к экономии энергоресурсов, экономии времени нахождения в пути и улучшения экологии. Уменьшение силы лобового сопротивления и как следствие – увеличение скорости наземного транспорта. Россия готовится к производству поездов нового поколения способных развивать скорость 250 – 350 км/ч, аналогичных высокоскоростным поездам «Сапсан», TGV, гоночных машин «Формулы 1». Наше правительство планирует создать высокоскоростное железнодорожное сообщение из Москвы с Казанью, Самарой и Ульяновском в рамках программы доставки болельщиков на чемпионат мира по футболу в 2018 году. "Это будет мощным импульсом для развития скоростного движения в европейской части РФ", - сказал В.Путин. Россия заказала у Siemens поезда пригородного сообщения "Ласточка" для зимней Олимпиады 2014 года в Сочи. В Верхней Пышме уже запущено производство электричек нового поколения - типа "Ласточка". Электропоезд ЭС1 (получивший прозвище "Ласточка") построен на заводе Siemens в Крефельде. 28 апреля 2013 г. запущен скоростной поезд "Ласточка" по маршруту Москва – Нижний – Новгород. Ведутся научно-исследовательские работы по автомобилям на альтернативных источниках топлива. Максимальная скорость электромобиля составит 140 км/ч, а запас хода -170 километров. Россия принимает участие в королевских автогонках «Формула -1», международном ралли «Дакар. Автогиганты Дженерал Моторс, Мерседес Бенц, Рено, Фиат, Бугатти для отработки новейших технологий и дальнейшего внедрения в автопромышленность создали автогонки. Для уменьшения лобового сопротивления воздуха создатели автомобилей стремятся придать им обтекаемую форму. Грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы автомобиля позволяют уменьшить Сх -коэффициент лобового сопротивления. Сх определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помощью расчетов. У современных автомобилей значение Сх в пределах 0,30. Главная задача снизить до 0,10.

На нашей планете всякое перемещение происходит или в воздухе, или в воде, и на движущееся тело всегда действует сила, противоположная направлению его движения относительно окружающей среды. Эта сила называется лобовым сопротивлением. Именно из-за неё для поддержания равномерного движения любого транспортного средства необходима работа двигателя: если его выключить, тело потеряет скорость и остановится. Любое сопротивление зависит от формы и размеров тела. На базе второго закона Ньютона Н. Е. Жуковский рассчитал аэродинамическую силу лобового сопротивления.

В школьном курсе физики поверхностно знакомят с движением тел в воздушной и водных средах, но будущим специалистам по обслуживанию автомобильного транспорта эта тема важна.

Поставив перед собой задачи: экспериментально определить аэродинамический коэффициент лобового сопротивления наземного транспорта различных форм, разработать методику расчёта силы лобового сопротивления, провели ряд исследований. С помощью лабораторной аэродинамической трубы, аэродинамических весов, теории моделирования, основного закона сопротивления воздуха и методики осуществили продувки моделей различных форм наземного транспорта. По результатам эксперимента построили и интерполировали графики для определения коэффициента лобового сопротивления конкретной модели. Установили, что коэффициент лобового сопротивления зависит от формы тела.

Цели были достигнуты, студенты расширили свой кругозор в понимании коэффициента лобового сопротивления и его значение для наземного транспорта различных форм параллелепипеда, ромба, сферы, капли. Все опыты удались. Убедились, что формы высокоскоростного наземного транспорта 21 века приближаются к каплевидности. Проверили, как зависит сила лобового сопротивления от скорости движения. Уменьшение сил лобового сопротивления это способ уменьшения выброса вредных веществ (тяжёлых металлов, углекислого газа), экономии топлива. Все эти работы будут иметь значение с одновременным развитием транспортных путей. В настоящее время увеличение скорости и улучшение аэродинамических качеств автомобилей будут неэффективны. Развитие дорог и транспортных развязок для высокоскоростного наземного транспорта планируем в следующей научно исследовательской работе.

В процессе исследования проводилась работа с литературными источниками по аэродинамике, консультировались в МГТУ им. Н.Э. Баумана. В лаборатории физики колледжа проведена серия опытов на аэродинамической трубе. Посетили Дмитровский автополигон под Москвой лаборатории аэродинамики и эргономики познакомились с техническими характеристиками полномасштабной аэродинамической трубы с результатами натурных «продувок» автомобилей ВАЗ для сравнения с нашими лабораторными результатами.

По окончанию работы провели семинар на тему «Наземный высокоскоростной транспорт 21 века». В своих докладах студенты затронули вопросы развития высокоскоростного современного наземного транспорта, применения новых видов топлива, проблем экологии. Участники семинара представили результаты исследований по испытаниям в аэродинамической трубе дали сравнительный анализ своих показателей с аналогичными испытаниями на Дмитровском автомобильном полигоне. Выступления сопровождались графиками, таблицами, видеоматериалами, показан ралли- марафон «Дакар», материалы Женевского автосалона. Студенты колледжа внимательно и с интересом воспринимали материалы докладчиков. Цель семинара – привлечь студентов к исследовательской деятельности, была достигнута. Ряд присутствующих студентов пожелали участвовать в Научном студенческом обществе.

По завершению работы, студент 3 курса Олег Никишин выступил с докладом «Пути снижения силы лобового сопротивления» на областной конференции научно – исследовательской и проектной деятельности учащихся «Юный исследователь» в г. Черноголовка, получив диплом 3 степени.



Лабораторная экспериментальная установка с набором тел и аэродинамическими весами