Cosa limita la velocità di un'auto?

Dal punto di vista ingegneristico, cosa limita la velocità massima che puoi raggiungere con un'auto normale? Capisco che alcune delle auto più veloci sono limitate per ragioni di sicurezza a non correre più velocemente di 250 km / h, ma non è una mia domanda.

Posso pensare a diversi motivi, ma non sono sicuro di quale di questi sia rilevante:

1. Il limite impostato da qualche parte (quale?) Si interrompe se aumento i giri / min, come suggerito dai segni rossi sui giri / min?
2. O è piuttosto che non riesci ad ottenere carburante abbastanza velocemente da continuare ad aumentare il regime?
3. Oppure l'attrito / resistenza aumenta man mano che si accelera e il motore non riesce a superarlo poiché può generare solo una quantità massima di forza / coppia? Se sì, da cosa dipende questa quantità di coppia / forza?

Ci sono alcuni semplici motivi per cui la velocità di un veicolo (nonostante le condizioni della strada) può essere limitata:

1. Ingranaggi - I veicoli di produzione con trasmissioni convenzionali hanno un numero limitato di ingranaggi. Per la maggior parte delle auto moderne, di solito è 5 o 6, mentre i veicoli più vecchi possono avere solo 2 o 3. Se il rapporto di trasmissione della marcia più alta è troppo basso (le marce "inferiori" sono espresse come rapporti numerici più grandi), è interamente possibile che il motore si riduca prima che la resistenza dell'aria diventi un fattore. Questo si lega al tuo primo punto sulla zona rossa sul contagiri. Se hai raggiunto la linea rossa, che è la massima velocità di rotazione del tuo motore, ma non hai una marcia più alta in cui cambiare, non puoi andare più veloce senza danneggiare il motore.

2. Trascinamento : come qualsiasi oggetto fisico, le automobili sono soggette alla resistenza dell'aria e ad altre fonti di resistenza (resistenza al rotolamento, ecc.). Se la resistenza sull'auto supera la quantità di potenza che il motore è in grado di produrre alle ruote, la velocità è di nuovo limitata.

3. Limitatori di velocità - Vale la pena ricordare che i veicoli di produzione sono quasi sempre limitati nella velocità della ECU (Engine Control Unit) per motivi di sicurezza o legali. Se l'ECU rileva che le ruote girano a una velocità abbastanza veloce, ridurrà la potenza del motore per impedire al veicolo di andare più veloce. È possibile eludere questa protezione con una centralina aftermarket o con una modifica a quella originale. Ad esempio, alcuni anni modello della Honda Civic sono limitati alla velocità di circa 190 km / h.

4. Valutazioni dei pneumatici - Tutti i pneumatici hanno una determinata velocità, che è probabilmente molto inferiore alla velocità massima effettiva del tuo veicolo. La valutazione della velocità è una singola lettera e fa parte del codice del pneumatico (vedi qui per maggiori informazioni). Ad esempio, le ruote di scorta temporanee possono essere limitate a soli 130 km / h solo 80 miglia all'ora prima di essere in pericolo imminente di scoppio.

5. Stabilità / aerodinamica - Questa è una prospettiva meno ingegneristica rispetto a una pratica, ma per un'auto "normale" ci sarà un certo punto in cui le sospensioni e altri componenti non sono sufficienti per mantenere l'auto che guida dritto lungo la strada in un moda sicura. Le prove aneddotiche a supporto di questo punto si presentano sotto forma di una storia su una vecchia auto americana a grandezza naturale degli anni '70 che, se portata a velocità a tre cifre, non aveva le capacità aerodinamiche per mantenere le ruote anteriori a terra. In breve, l'ascensore dall'aria che si muoveva sotto la macchina sollevava le ruote anteriori da terra in una terrificante "impennata" ad alta velocità. Sebbene questo processo tecnicamente non abbia rallentato la macchina, ha certamente reso difficile il controllo a quella velocità.

Quindi, ciò che limita la velocità è una combinazione di due cose: la potenza del motore con la trasmissione e la resistenza al rotolamento e all'aria.

Fino a circa 40 miglia all'ora la resistenza al rotolamento è la più grande resistenza, ma al di sopra di quella velocità la resistenza dell'aria è il fattore dominante e aumenta più velocemente si procede.

La potenza del motore è fissa (ok tuning ecc.) Ma anche la marcia è importante: un motore da 200 CV può alimentare un trattore agricolo o un'auto sportiva pulita.

Una volta che la resistenza totale è uguale alla potenza disponibile alle ruote, non si procede più velocemente.

La fisica ti ferma. Hai mai andare in bicicletta? 25 mph sono facili, 30 sono difficili, 40 richiedono attrezzi speciali o un corpo molto pompato e 50 è quasi impossibile. Perché lo sforzo diventa così intenso per aumenti di velocità così piccoli? Aria.

Resistenza aerodinamica

La resistenza al rotolamento è il fattore dominante quando l'auto procede lentamente, ecco perché sono così difficili da spingere. Ma a velocità più elevate, il fattore dominante è la resistenza aerodinamica. Questo perché la resistenza al rotolamento è abbastanza lineare. La resistenza aerodinamica non lo è , ed è almeno un fattore del secondo ordine: si presenta come un treno merci a velocità più elevate. In effetti ho sentito treni di carbone che possono caricare 40 mph, possono fare solo circa 35 vuoti. Questo perché ogni macchina vuota del carbone è un grande scoop, che cattura il vento. E la resistenza al rotolamento è quasi nulla per un treno.

Potenza disponibile

Ovviamente, la resistenza aerodinamica è bilanciata dalla potenza che i motori possono applicare contro di essa. Potrebbero portare quel treno di carbone vuoto fino a 70 mph se ci mettessero quattro volte le locomotive.

Stai parlando di auto, quindi è una questione di quanto le batterie possono fornire e il controller del motore può spingere senza subire danni. O dal momento che stai assumendo auto a carburante, si tratta di quanta aria può attraversare il motore . L'aggiunta della corretta quantità di carburante è semplice. Il flusso d'aria viene deciso sintonizzando: condotto di aspirazione / scarico / porting / risonanza, dimensioni e numeri della valvola, camma, roba del genere. (Anche il redline del motore (max RPM), ma se la tua canalizzazione / risonanza è sintonizzata in modo da aumentare il redline farà la differenza, quel motore funzionerà abbastanza male per strada.)

Anche l'ingranaggio può essere un fattore. Ho avuto un'auto che ha lottato alla sua massima velocità. La quarta marcia era troppo alta per poter accelerare. La terza marcia ha superato la sua potenza massima, quindi più veloce sei andato, meno potenza hai avuto. La marcia era tutta sbagliata per la velocità, ma era eccellente per il divertimento di guida su strada, raffinatezza e MPG, che è quello che ho pagato.

Una tipica auto da strada non sportiva come una Ford Flex è in grado di colpire i limiti fisici della resistenza aerodinamica prima che raggiunga un punto in cui il computer limiterebbe i giri o il limite MPH.

Per le moderne auto ad alte prestazioni, costruite dopo il 2000 fino ad oggi (2018), la risposta è semplice: aderenza degli pneumatici .

Le prestazioni e la gestione del motore hanno già raggiunto un livello in grado di sovraperformare il livello di aderenza degli pneumatici sulla strada. Quello che succede quando provi a esercitare più energia di quanta ne possano sopportare le tue gomme è lo slittamento delle ruote.

La maggior parte delle persone avrebbe familiarità con lo slittamento delle ruote dalle partenze in piedi (come nelle gare di resistenza) e quando le auto si muovono lentamente (quando le persone deliberatamente bruciano la gomma). Questo tipo di slittamento è stato eliminato lasciando che una CPU controllasse i freni (controllo della trazione).

Poi arriva lo slittamento delle ruote di cui ci occupiamo. Slittamento delle ruote durante lo spostamento alla massima velocità. La soluzione tradizionale per questo era modificare l'aerodinamica della vettura e aggiungere forza per spingere sostanzialmente la macchina sulla strada.

Ora siamo arrivati ​​al punto in cui l'aggiunta di una forza di spinta ancora maggiore aumenterebbe la resistenza e ridurrebbe le prestazioni. Ma i nostri motori più performanti possono ancora generare slittamento delle ruote.

Tuttavia, parallelamente allo sviluppo del motore, i progressi nella chimica e nella progettazione degli pneumatici hanno anche contribuito ad aumentare la velocità massima di un'auto aumentando la velocità che lo pneumatico è in grado di gestire prima di perdere aderenza. Ora che abbiamo raggiunto un punto in cui i nostri migliori motori possono costantemente guastare le gomme, l'attuale fattore di limitazione è la presa delle gomme.

Trovare il limite puramente teorico che dipende totalmente dai limiti della resistenza al rotolamento del pneumatico e della resistenza dell'aria. Quindi ecco il lavoro.

formule

• $F_d = \dfrac{1}{2}pA\mu_d v^2$: questa è la formula per la forza di resistenza.
• $f_s = \mu_s mg$: questa è la formula per la forza di attrito statica.

NOTA: sto usando i valori di un modello Tesla 3.

Valori noti

• A = 0,23 m ²
• g = 9.80665 m / s ²
• m = 1611 kg
• $\mu_s$ = 0,7
• $\mu_d$ = 0,23
• p = 1,2754 kg / m ³

ipotesi

• L'auto è perfettamente perpendicolare alla forza di gravità.
• L'auto è al livello del mare.
• Le condizioni sono ideali.
• La potenza del motore è infinita.

risultati

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

Non hai specificato un'auto a trasmissione diretta (direct drive), per prima cosa. Anche per i veicoli a trazione diretta, la velocità limite viene impostata in definitiva progettando l'aerodinamica per impedire all'auto di decollare e volare.

L'ultima volta che ho controllato, i record di velocità terrestre sono stati fissati con auto di design estremo, alimentate a getto o a razzo, con ruote e freni incredibilmente specializzati (i dischi standard volerebbero a pezzi agli alti regimi coinvolti) tra le altre parti.

In sintesi, poiché i nuovi materiali vengono sviluppati con rapporti forza-massa sempre maggiori, è probabile che i record di velocità terrestre continuino a essere infranti.