ОГЭ 2018 Физика Часть 1 Задание 20

Прочитайте текст и выполните задания 20-22.

Антикрыло
Рассмотрим движение жидкости в трубе переменного сечения (рис. 1). В широких частях трубы жидкость должна течь медленнее, чем в узких, так как количество жидкости, протекающей за одинаковые промежутки времени, одинаково для всех сечений трубы. Давление же внутри жидкости, которое измеряется с помощью манометрических трубок, ведёт себя обратным образом: давление жидкости больше там, где скорость движения жидкости меньше, и наоборот. Эта зависимость между скоростью жидкости и её давлением известна в физике как закон Бернулли. Закон Бернулли справедлив для жидкостей и газов.

Для увеличения прижимной силы, придавливающей автомобиль к дорожному покрытию, используется специальное приспособление – антикрыло. Рассмотрим сначала крыло симметричного профиля, установленное строго горизонтально (рис. 2а). В этом случае набегающие на него струйки воздуха будут огибать его совершенно одинаково и давление воздуха под и над крылом будет тоже одинаковым.

Теперь установим крыло под углом к потоку (рис. 2б). Скорость движения воздушного потока под нижней поверхностью крыла становится больше скорости над верхней поверхностью. Соответственно, давление воздуха на верхнюю поверхность крыла будет больше, чем давление на нижнюю поверхность. Из-за образовавшейся разности давлений возникает аэродинамическая сила(рис. 2б), вертикальная составляющая которой называется прижимной силой, а горизонтальная составляющая – силой лобового сопротивления.

Тюнинг автомобилей нынче в моде. Кроме разных обвесов и других модных элементов популярностью пользуются спойлеры на машину. Одни водители воспринимают их как элементы дизайна, другие уверены в том, что данный элемент кузова предоставляет некоторые преимущества. Давайте попробуем в этом разобраться.

Зачем спойлер на машине?

Начнем с простого. Данный элемент задает стиль всему автомобилю и делает его спортивным, уникальным. Именно для стайлинга авто он используется в первую очередь. Во вторую очередь его применяют как практичный элемент, который улучшает аэродинамику автомобиля, перенаправляя потоки воздуха. Если говорить простыми словами, то спойлер на большой скорости позволяет прижать зад автомобиля к трассе, что будет способствовать лучшему сцеплению колес с асфальтом. На машинах без спойлера на большой скорости зад приподнимается под действием потока воздуха под кузовом машины. Сцепление по данной причине ухудшается.

Как работает спойлер на машине?

На большой скорости встречный поток воздуха становится сильным. Он попадает под днище автомобиля и приподнимает кузов над дорогой. Сзади автомобиля образуются вихревые потоки воздуха, которые немного его тормозят. Все это увеличивает аэродинамические нагрузки на машину. Спойлер позволяет направить потоки в нужную сторону, что исключит лишние нагрузки.

Рекомендуется устанавливать два спойлера: спереди и сзади. Задний прижимает зад автомобиля к трассе на больших скоростях, что позволяет немного разгрузить переднюю ось. Элемент спереди прижимает переднюю ось. На нем также могут быть встроены дефлекторы, которые направляют поток воздуха на тормозные колодки или диски, что способствует их лучшему охлаждению.

Классификация

В зависимости от того, чего именно хочет добиться владелец, внося данный конструктивный элемент в дизайн, спойлеры можно разделить.

По дизайну они бывают:

1. Кастомы. Производятся по индивидуальному дизайну заказчика. Это дорогая уникальная вещь, которая более не встречается нигде.
2. Заводские. Производятся на заводе, выпускаются большими партиями и имеют вид заводского конструктивного элемента.

По способу крепления:

1. Опорные. Крепятся с помощью специальных опор, которые часто являются простыми саморезами или болтами. Несмотря на грубость, это достаточно надежный крепеж.
2. Липкие. Можно догадаться о способе крепления уже из названия. Крепятся такие спойлеры с помощью двустороннего скотча или клея. Надежность такого крепления не вызывает доверия. Были случаи, когда на большой скорости такие элементы банально слетали с автомобилей.

По месту установки:

1. Задние. Обычно они устанавливаются на багажниках или ниже заднего стекла.
2. Для крыши. Чаще всего устанавливаются на хэтчбеках, задней двери.
3. Юбки для заднего и переднего бампера.
4. Диффузоры. Их невозможно заметить, т. к. установлены они под днищем кузова.
5. Боковые спойлеры, представляющие собой накладки на порог машины.

По применению:

1. Универсальные - могут быть установлены на многие машины.
2. Специальные - ставятся только на конкретную модель еще на заводе.

Преимущества

Спойлер на машину может иметь как преимущества, так и недостатки. Начнем с того, что это не просто дорогая игрушка, а дорогой конструктивный элемент, который может даже навредить автомобилю. Если его будет устанавливать человек, не разбирающийся в теме, то он, скорее всего, произведет монтаж неправильно. И тогда такой элемент на машине будет бесполезен, а на большой скорости даже опасен. Тогда зачем нужен спойлер на машине? Его главное назначение - усиление сцепления шин с дорогой, повышение управляемости. Этого можно добиться только в случае правильной установки.

Итак, главное преимущество установки этого конструктивного элемента - улучшение управляемости автомобиля за счет повышения коэффициента сцепления задних колес с дорогой. Машину не будет сносить в стороны.

Второе преимущество - снижение расхода топлива. Потоки воздуха на большой скорости создают сопротивление движению автомобиля, из-за чего возникает ощущение, что он притормаживает. Водитель при этом пытается сохранить скорость и давит педаль газа, что ведет к перерасходу топлива. Спойлер позволяет снизить сопротивление воздуха, что обуславливает снижение расхода бензина.

Дополнительная безопасность - это еще одна причина, поясняющая, для чего нужен спойлер на машине. Из-за того что данная деталь перенаправляет потоки воздуха при движении, вероятность заноса транспорта снижается, и он становится более маневренным. Риск попасть в аварию снижается. Также он делает торможение более эффективным, особенно зимой. А если по бокам будут установлены дополнительные пороговые расширители, то эффективность торможения будет еще выше.

Недостатки

Недостатки имеют место только в том случае, если этот элемент будет установлен неверно. Неправильное положение относительно встречных потоков воздуха значительно ухудшит аэродинамику, сопротивление воздуху будет увеличено, а это приведет к дополнительному расходу топлива. Также автомобиль в случае падения управляемости намного сложнее выпрямить, а при большой скорости просвет между дорогой и днищем сильно уменьшится. Это опасно при плохих дорогах. Все эти недостатки явно просматриваются у пластиковых спойлеров на машину.

Заключение

Правильно установленный спойлер действительно полезен и эффективен, поэтому желание многих владельцев его установить логично. Некоторые водители хотят знать, как сделать спойлер на машину самостоятельно, но занятие это плохое. Чтобы сделать самостоятельно спойлер, необходимо произвести аэродинамический расчет автомобиля и только затем определить форму будущего элемента и место его установки. В противном случае он пойдет во вред, поэтому самостоятельно его сделать и установить не получится.

Порой, даже опытный водитель, в чем разница между антикрылом и спойлером, сформулировать не всегда-то и сможет. То есть объяснить на пальцах в стиле: это вот такая вот штука – каждый вполне в состоянии (ну, мол, сам понимаешь, что я имею в виду). А вот показать разницу постороннему, не связанному с автоделом, из разряда ни разу не грамотный, почти для всех – весьма затруднительно. А зря, стоило бы найти слова, поскольку многие начинающие и неопытные водители считают, что эти фишки нужны только для обозначения крутости владельца в глазах окружающих, то есть – для отвода глаз.

Данные приспособления были придуманы и установлены не просто так, а с какими-то целями, которые как раз и не всегда понятны среднестатистическому обывателю. Давайте попробуем разобраться в этом вопросе.

В чем разница между антикрылом и спойлером, на первый взгляд, хорошо как-то определил один знакомый автомеханик: «Первое торчит, второе сливается». Однако, это определение вовсе не объясняет те причины, исходя из которых люди тратят довольно немалые деньги для установки этих приспособлений.

Цели и задачи

Обе фишки в первую очередь выполняют даже функции разные: спойлеры улучшают аэродинамику корпуса и оптимизируют встречные воздушные потоки, а антикрыло на эти факторы действует скорее отрицательно, зато улучшает управляемость автомобилем. Спойлеры, грубо говоря, рассекают воздух, заставляют его обдувать машину более мелкими струями (кстати, их еще одно название – рассекатели).

При этом, в данном процессе разные спойлеры прижимают к дорожному полотну разные части машины. Попутно эти детали берут на себя функции защиты, отбивая от корпуса вылетающую из-под колес (своих и товарищей по дороге) грязь, комья и пыль.

Антикрыло, как уже сказано, предназначено в основном для совершенствования послушности управления автомобиля. Принцип его действия обозначен уже в названии: если крыло должно обеспечивать подъемную силу, то его противоположность – как раз прижимную. И сила эта действует исключительно на заднюю ось, придавливая капот с тыла к дорожному полотну. В качестве второй функции антикрыла можно упомянуть повышение устойчивости автомобиля на больших скоростях. Впрочем, это следствие все того же прижимающего эффекта.

Спойлеры

Чисто внешне они представляют собой как бы продолжение автомобильного корпуса. Монтируются они заподлицо с ним и кажутся неотъемлемой частью. Спереди спойлер ставится под бампер. Он направляет воздух так, что под днищем машины формируется низкое давление. Соответственно более высокое – сверху – давит на капот, прижимая его к земле. Этим и достигается определенный аэродинамический эффект.

Задние спойлеры могут быть установлены на багажнике или сверху на заднем стекле. В результате, последнее меньше пачкается во время езды, а задняя ось сильнее нагружается при сильном разгоне. Вследствие такого разделения потока (большой внизу, под днищем, малый – сзади, поверх багажника) в целом машина прижимается к дороге на всей своей протяженности.

Антикрыло: Оно бывает только одно и ставится сзади, на багажник. Монтируется оно не встык с поверхностью кузова, а на стойках. Самое простое устанавливается стационарно; более продвинутые могут складываться – в этом случае антикрыло поднимается при разгоне свыше 140 км/час. А уж вовсе крутое – в дороге еще и может менять горизонтальный наклон, учитывая скорость. При торможении антикрыло создает дополнительное сопротивление, сокращая тормозной путь.

За монтажом – к установщикам

И спойлеры, и антикрыло самостоятельно ставить не рекомендуется, если вы только не специалист в аэродинамике и не знакомы с подробностями правильных расчетов. Даже неправильный подбор, основанный на принципе «этот понравился больше», может значительно усилить сопротивление корпуса воздушным потокам – при том, что задачей было его снижение. А уж неграмотная установка вполне способна сделать из антикрыла самое настоящее крыло, приподнимающее задок автомобиля над дорожным полотном.

Зная, в чем разница между антикрылом и спойлером, можно представить себе и последствия некомпетентной установки спойлеров: машину в движении будет подбрасывать и водить туда-сюда по дороге. А уж расходы на топливо, будьте уверены, возрастут минимум процентов на 20-25: движку придется преодолевать дополнительное сопротивление атмосферной среды.

К удивлению многих автолюбителей и почитателей тюнинга, антикрыло и спойлер – разные по своему назначению устройства. Проведем небольшой экскурс в мир аэродинамики автомобиля, чтобы понять роль спойлера и заднего антикрыла.

Из теории аэродинамики

Антикрыло, что явствует уже из названия, является противоположностью крыла. Главный принцип работы крыла – создание подъемной силы. Разница давлений между нижней и верхней плоскостью профилированного тела была описана Бернулли. Именно профилированная форма крыла, при которой верхняя плоскость имеет большую площадь, используется в авиации для создания подъемной силы. В случае с антикрылом имеет место тот же физический процесс, но только крыло перевернуто. Таким образом, плоскость, на которой устанавливается приспособление, получает дополнительную прижимную силу. В этом и заключается основное предназначение аниткрыльев.

Как работает антикрыло на автомобиле

Площадь нижней части антикрыла больше площади верхней плоскости, поэтому воздух над антикрылом проходит быстрее. В нижней части создается область низкого давления, а в верхней – зона высока давления. Увеличению эффекта способствует расположение эпод отрицательным углом атаки. Между нижней частью и плоскостью, на которой установлено антикрыло, должно быть расстояние для прохождения воздушных потоков. Именно таким образом установка заднего и переднего антикрыльев придает автомобилю дополнительное давление на площадь контакта колеса с дорогой. Иными словами, увеличивается прижимная сила.

Немного о спойлере

Но для чего тогда спойлер? Этот термин в автомобильный мир также попал из авиации. В крыле самолета используются специальные многофункциональные интерцепторы, именуемые спойлерами. Их главное предназначение – противодействие подъемной силе. Что касается автомобильного спойлера, то это устройство для перенаправления воздушных потоков с целью уменьшения аэродинамического сопротивления. Дополнительной, но не менее важной, функцией заднего спойлера является отвод грязевых потоков. Во время движения на большой скорости позади автомобиля образовывается турбулентность, что приводит к засасыванию грязевых потоков, проходящих под днищем. Поэтому в конструкцию заднего спойлера заложена функция уменьшения турбулентности.

В автоспорте, как ни странно, спойлеры применяются для создания разряжения за автомобилем. Завихрения создают зону низкого давления у заднего бампера, что способствует увеличению прижимного усилия. Увеличивается скорость прохождения воздушных потоков под днищем автомобиля. В таком случае спойлер помогает всему кузову автомобиля выступать в роли антикрыла (нужно вспомнить закон Бернулли).

Основные характеристики

Подводя небольшие итоги, можно провести общее сравнение. Антикрыло:

• создает прижимное усилие;
• повышает коэффициент лобового сопротивления.

На гражданские автомобили монтируются только спойлеры, так как использование антикрыла ведет к возрастанию расхода топлива и, как следствие, количеству вредных веществ от выхлопных газов. Именно поэтому конструкторские бюро работают над уменьшением значения Сх (коэффициент воздушного сопротивления).

Чудеса аэродинамики

Заядлые автолюбители могут вспомнить классический аэродинамический элемент, используемый Porsche. Так называемый ducktail (утиный хвост), который получают многие заднемоторные спорткары. Название заднего антикрыла ducktail получить не может, так как не имеет расстояния между кузовом и нижней кромкой аэродинамического элемента. Но и спойлером задумка Порше быть не может, так как располагается задолго до места срыва воздушных потоков. А этот аспект – один из главных, если мы говорим об определении заднего спойлера.

Благодаря большому углу атаки ducktail значительно увеличивает прижимающую силу задней оси. А ведь именно эту роль выполняет антикрыло. Также за аэродинамическим элементом создается разряжение, что заставляет воздушные потоки скользить по кормовой части автомобиля, попутно захватывая горячий воздух с моторного отсека. Таким образом, инженеры решили две немаловажные задачи.

Многие современные спортивные автомобили имеют управляемое антикрыло. Оно не только может изменять угол атаки, но и вовсе быть единым целым с кузовом до определенного момента. Антикрыло автоматически выезжает при достижении определенной скорости, изменяет угол наклона в зависимости от тормозного усилия и интенсивности маневрирования.

Аэродинамика передней части

Несмотря на то что при упоминании спойлера у большинства людей возникает представление заднего аэродинамического аксессуара, к разряду распределителей воздушных потоков может быть отнесена даже «губа» переднего бампера. Такой передний спойлер отводит часть воздуха около дорожного полотна, направляя его обиход кузова автомобиля. «Юбка» позволяет уменьшить завихрения, которые неминуемо возникают при огибании деталей подвески, трансмиссии, выхлопной системы. Конструкторы современных авто пытаются сделать днище обтекаемым, пряча элементы под аэродинамическими кожухами.

В автоспорте применяются не только классические «юбки», но и более развитые спойлеры переднего бампера. Так называемые сплитеры, предназначение которых – отсекать наплывающий воздушный поток, пропуская его через внутренние каналы воздуховодов. Забираемый воздух может быть использован для охлаждения двигателя, тормозов либо для диффузора в заднем бампере.

В гонках на время возросшее сопротивление набегающему воздуху компенсируется увеличением мощности. Главная цель – улучшить управляемость автомобиля, устойчивость и эффективность торможения.

Далеко не каждый владелец автомобиля знает, чем отличаются спойлер и антикрыло, но только не тот, кто желает улучшить аэродинамические характеристики своего четырехколесного друга на высоких скоростях движения. Изначально эти элементы обвеса использовались исключительно на гоночных автомобилях в профессиональном спорте, где важность аэродинамики приравнивается к мощности двигателя. Сейчас же их устанавливают многие производители в серийном выпуске либо сами автовладельцы, совершенствуя маневренность своего железного коня. Прежде чем перейти непосредственно к тому, что же такое антикрыло и спойлер, как они действуют и классифицируются, обратимся немного к теории.

Аэродинамика автомобиля

Серийно выпускаемый авто способен развить скорость около 400 км/ч, а самолеты взлетают при 200 км/ч. Возникает вопрос: почему же машины не летают? Разобраться в этом поможет такой раздел механики, как аэродинамика. Помимо силы тяжести, трения, сцепления с дорожным полотном и сопротивления качению, движущийся автомобиль подвергается воздействию подъемной и прижимной сил воздуха, сопротивлению воздушного потока. Эти факторы влияют на маневренность, устойчивость авто и на расход топлива.

Поток воздуха обходит кузов в двух направлениях - под днищем и над крышей, а при ускорении сопротивление воздушного потока возрастает пропорционально скорости в квадрате.

Еще в конце XVIII века швейцарец Бернулли установил, что снизу поток плотнее, и поэтому автомобиль приподнимается. К тому же воздух, сталкиваясь с крышей или капотом, завихряется и образует небезопасное разряжение. Чем под более прямым углом расположены элементы кузова, например, ветровое стекло, тем выше значение подъемной силы. Эти моменты учитываются при разработке машин конструкторами. Автолюбители и сами могут повлиять на аэродинамику, придерживаясь следующих рекомендаций:

• держать закрытыми во время движения окна и люки;
• избавиться от ненужных декоративных элементов и накладок, а необходимые, например, антенну, приобрести обтекаемой формы;
• отполировать кузов;
• позаботиться о креплении выступающих деталей под днищем (тросов, шлангов и т.п.);
• установить обвесы, сокращающие зону разряжения и увеличивающие прижимную силу.

Для выполнения последней рекомендации лучше воспользоваться услугами мастерской автотюнинга или посоветоваться с опытным специалистом, поскольку неправильно установленный обвес (спойлер или антикрыло) не только не улучшит аэродинамические характеристики, но может привести к потере управления машиной.

Важно! Часто спойлер и антикрыло путают между собой или ошибочно принимают за один и тот же элемент. Антикрыло, благодаря своей форме, увеличивает прижимную силу, имеет две рабочие поверхности и крепится на специальных стойках. Спойлер воздействует на автомобиль в продольном направлении, повышая его устойчивость, и внешне выглядит как продолжение кузова, а не отдельный элемент.

Спойлер

Среди всевозможных обвесов, используемых производителями и автовладельцами, наибольшей популярностью пользуется спойлер - конструкция, преобразующая ламинарный воздушный поток в турбулентный. Деталь выполняет несколько основных функций:

• улучшает аэродинамические характеристики авто;
• украшает экстерьер машины, являясь элементом современного тюнинга,
• улучшает управляемость при движении на высоких скоростях;
• повышает устойчивость авто во время движения;
• минимизирует вероятность заносов;
• экономит топливо при движении на больших скоростях;
• снижает загрязняемость стекол.

Какими бывают спойлеры?

По месту крепления

Данные элементы обвеса классифицируют по различным признакам. Во-первых, они могут устанавливаться на разные элементы кузова. Спереди располагают под бампером. Они направляют поток воздуха вверх, создавая повышенное давление, а под днищем образуется разряжение. Возникает так называемый граунд-эффект, увеличивающий прижимную силу передней оси, поэтому такие конструкции целесообразно устанавливать на переднеприводных машинах. Иногда спойлеры изготавливают таким образом, чтобы направить воздушный поток на тормозные диски и радиатор. Автомобиль будто «засасывает» воздух в вентотверстия и прижимается к поверхности дороги.

Спойлер на заднем бампере бессмысленно использовать отдельно, но в совокупности с другими элементами обвеса он оказывает значительное влияние на аэродинамические характеристики автомобиля, увеличивая сопротивление подъемной силе. Элементы, устанавливаемые в зоне порогов, иначе их называют расширители порогов, увеличивают общее сопротивление потоку воздуха. Независимо от типа привода машины они улучшают процесс торможения.

На задней части крыши или на багажнике располагают задний спойлер. Он препятствует образованию завихрения воздушных потоков за машиной, тем самым снижая лобовое сопротивление. Дает нагрузку на заднюю ось автомобиля при высоких скоростях. Данный элемент целесообразно применять на грузовых автомобилях. В этом случае он оснащается рукояткой, позволяющей регулировать высоту соразмерно с высотой прицепа.

По способу крепления

Для эффективного крепления спойлеров на опорах чаще всего прибегают к помощи саморезов, реже - болтов. Бывают и так называемые липкие спойлеры. Они фиксируются с применением двустороннего скотча или стекольного клея.

По материалу изготовления

Среди большого разнообразия материалов, применяемых при производстве спойлеров, можно выделить следующие:

• первые изделия изготавливали из металла. Поперечный элемент, как правило, делали из алюминия, а стойки - из стали. Сейчас металлические спойлеры редко производят;
• конструкции из стеклопластика достаточно прочные и легко поддаются обработке. Материал представляет собой синтетические смолы, наполненные стекловолокном;
• ABS-пластик используют в серийном производстве спойлеров. Это недорогой и пластичный материал, однако, недолговечный из-за постоянно возрастающей хрупкости, обусловленной испарением фенолов в результате атмосферных воздействий;
• силиконовые конструкции обладают высокой пластичностью, прочностью и большим сроком службы. В последнее время их популярность возрастает;
• достоинствами углепластика являются прочность и легкость. Ввиду большой трудо- и энергоемкости, спойлеры из него самые дорогие.

Выбор и установка

При выборе спойлера необходимо учесть назначение всех его видов, свойства материала. Обвесы следует выбирать для конкретной модели автомобиля, маловероятно, что универсальный элемент оправдает ожидания автолюбителя. Немаловажным является тот факт, что аэродинамика автомобиля улучшается лишь при скорости, превышающей 90 км/ч. Поэтому стоит подумать, нужны ли они вообще.

Важно! Установку рекомендуется производить в автомастерской, только опытный мастер надежно закрепит изделие под определенным углом наклона к оси машины. В противном случае подъемная сила может уменьшиться, или произойти перегрузка одной из осей, что может привести к необратимым последствиям.

Антикрыло

Это элемент, способный создавать дополнительную прижимную силу, увеличивая трение, возникающее между ведущими колесами и дорожным полотном. Основные функции, которые выполняет элемент:

Для эффективного действия конструкции необходима определенная форма и размер антикрыла, правильное крепление, которое заключается в расположении детали под углом 10 - 15° к продольной оси машины. Угол наклона в зависимости от скорости автомобиля может меняться. Устройство в сечении должно иметь форму перевернутого крыла самолета. Размер антикрыла несколько больше, чем спойлера, и находится оно на большем расстоянии от кузова.

Среди достоинств этого обвесного элемента есть и недостаток: увеличение сопротивления воздушному потоку, которое приводит к падению скорости и увеличенному расходу топлива.