Jak silný má být dostatečně výkonný motor? Minimálně 80 kW, 110 koní? Podobný agregát má Fiat Panda 100HP a jeho dynamika je celkem slušná. A teď si představte, že dáme to samé do Audi Q7. To by byla tragedie! Vždyť tento obr potřebuje k podobným jízdním vlastnostem více než dvojnásobně silný motor. Proč? Odpověď je jasná. Má nesrovnatelně vyšší jízdní odpory.
Vydáno: 20.3.2007
Během jízdy musí vozidlo překonávat nejrůznější odpory. Celkem máme sedm hlavních nepřátel, kteří nám brání v pohybu vpřed. Někteří mají síly méně, jiní více. Ale když se dají dohromady, dokáží nás pěkně potrápit. Na silnici nakonec rozhoduje o dynamice vozidla výkon, který nám zůstane po překonání sil zmíněných nepřátel.
Takže konkrétně. Naši úhlavní nepřátelé se jmenují: odpor v důsledku tření, setrvačnosti, vzduchu, stoupání, tření převodového mechanizmu, skluzu hnacích kol a v případě, že táhneme nějaké další vozidlo se k nim připojí ještě odpor na háku.
Odpor valivého tření – nepřítel č.1
Tento odpor patří k těm silnějším a můžeme ho rozdělit na dvě části. Tedy odpor valení a ztráty v důsledku tření. Problematika odporu, vznikajícího během kontaktu pneumatiky s vozovkou je poměrně složitá. Konečná velikost závisí na řadě faktorů (hmotnost vozidla, konstrukce pneumatik, tlak v pneumatikách, povrch vozovky a tak dále). Ztráty u vozidla jedoucího po dálnici konstantní rychlostí budou samozřejmě jiné, než ztráty vozidla, které jede po nezpevněné cestě a navíc brzdí.
Podstatné je, že toto tření závisí především na hmotnosti vozidla a povrchu vozovky. Například Fiat Panda má zhruba o 55 % menší odpor než Audi Q7. A protože výkon k překonání odporů závisí na rychlosti jízdy, bude malá Panda při 130 km/h potřebovat o 4,5 kW méně, než obrovské SUV (Fiat Panda – 3,71kW, Audi Q7 – 8,23kW). Číslo zdánlivě zanedbatelné, ale jsme teprve na začátku.
Graf: Odpor tření v závislosti na rychlosti
I vzduch může mít velkou sílu
S odporem vzduchu to je podobné, jako s chůzí proti silnému větru. Ta je obtížná a jde ztuha. Jakmile se však otočíme bokem, hned je cítit, že na nás působí menší síla. Rychlobruslaři nejezdí v kožichu, ale v přiléhavé kombinéze. Vlající kabát má velký součinitel odporu vzduchu. U automobilů platí to samé. Zásadní vliv má čelní plocha a součinitel odporu vzduchu. Síla, kterou působí proudící vzduch proti směru jízdy, se zvětšuje s druhou mocninou rychlosti. Výkon na překonání této síly se zvětšuje dokonce s třetí mocninou. Takže zvýšíme-li rychlost dvojnásobně, odpor stoupne čtyřnásobně a potřebný výkon bude dokonce 8x větší. Z toho vyplývá, že aerodynamika vozu má velký význam z hlediska spotřeby paliva při vysokých rychlostech.
Hodnoty spotřeby, uváděné výrobcem, jsou sice pravdivé, ale celé je to trochu jinak. Spotřeba uvedená v technickém průkazu byla zjištěna ve zkušebně, mimo běžný provoz. Jednotlivé cykly se simulují podle přesně daných podmínek. Při simulaci mimoměstského cyklu se rychlost pohybuje okolo 100 km/h. Vše se provádí v uzavřeném prostoru, tedy bez působení odporu vzduchu.
Rychlá jízda po dálnici proto přináší trochu jiné hodnoty spotřeby paliva. Při dodržování pravidel silničního provozu nebude rozdíl příliš velký, ale pokud pojedete například 160 km/h, spotřeba znatelně stoupne. Z toho vyplývá, že nenápadný údaj součinitele odporu vzduchu (cx) je docela důležitý. Rozhoduje totiž o úspoře paliva. Bez ohledu na to, zda řidič chce nebo ne.
Rozdíl součinitele odporu vzduchu u našich konkrétních vozidel není příliš výrazný. (Audi 0,37 , Fiat 0,33). V tomto případě hraje důležitější roli čelní plocha. Při rychlosti 130 km/h nám odpor vzduchu ubere u Audi 30,5 kW. V případě malého Fiatu to bude 16 kW. Na 160 km/h bude potřeba už 57, respektive 30 kilowattů.
Graf: Odpor vzduchu v závislosti na rychlosti
Do kopce to nejede
Na silnicích to je jako v životě, jde to s námi nahoru dolů, z kopce do kopce. Vlivem působení gravitační síly zde máme dalšího nepřítele. Ale od těch ostatních se trochu liší. Při jízdě nahoru má zápornou hodnotu, brzdí nás. Při jízdě dolů se jeho hodnota změní na kladnou a působí jako hnací síla.
Také velikost této síly závisí na hmotnosti automobilu. Samozřejmě s rostoucí rychlostí se zvyšuje, ale nárůst není tak velký jako v případě odporu vzduchu. Při jízdě po nakloněné ploše se tíha vozu rozloží na dvě části. Jedna část tlačí vozidlo na silnici, druhá část působí rovnoběžně se svahem. Dalo by se říci, že vozidlo je v této fázi jízdy lehčí. Tím pádem nám klesá odpor valivého tření.
Ještě je potřeba dodat, že při jízdě z kopce působí odpor stoupání ve směru jízdy. Takže nám pomáhá. Můžeme zařadit neutrál a vézt se téměř zadarmo. Mimochodem při takovéto jízdě lze v praxi vyzkoušet působení odporu valivého tření a odporu vzduchu. U velkých automobilů představuje i jízda z kopce menší problém. Váha tisíců kilogramů má za následek velkou sílu. Brzdit takový kolos dá práci. Ale to souvisí také s dalším odporem.
Graf: Odpor stoupání pro sklon 2° a 5°
Nejprve se nechce rozjet, potom nechce zastavit
Jedná se o odpor setrvačnosti. Nejprve nám brání se rozjet. Když se vozidlo rozjede, tak ho zase nutí pokračovat v jízdě. V podstatě to je síla, která chce setrvávat ve stavu, v jakém se vozidlo zrovna nachází. Ale celé je to ještě trochu složitější. Od motoru až na kola najdeme velmi mnoho součástí, které se otáčejí. I na ně působí zmíněná síla. U vozidla jako celku brání odpor setrvačnosti tomu, aby se vozidlo začalo „posouvat“. U rotačních součástí nechce, aby se roztočily, v opačném případě aby se zastavily. Takže výsledný odpor se skládá ze dvou částí. Hlavní je váha vozidla a tou menší jsou pak zmíněné otáčející se součástky.
V provozu se setkáváme s kladou i zápornou hodnotou této síly. Zatímco její odpor proti tomu, abychom se rozjeli můžeme považovat za nepříjemný, odpor proti zastavení už je nebezpečný. O tom se můžete přesvědčit při pohledu na jakýkoli crash test. Zničení celého vozidla má na svědomí právě opačná hodnota odporu setrvačnosti.
A co ti zbylí?
Nakonec nám zůstali dva nepřátelé. Odpor tření převodového mechanizmu a odpor skluzu hnacích kol. Oba nám ukousnou část z výkonu motoru. Prvně jmenovaného bych považoval za silnějšího. Jak bylo řečeno, celé ústrojí přenášející točivý moment z motoru na kola obsahuje mnoho rotačních součástí. Ty musí někde držet a musí do sebe zapadat.
Princip je úplně stejný, jako když si chcete zahřát ruce. Třete dlaně o sebe a najednou se zahřejí. Jenže ve fyzice zázraky nejsou a teplo se jen tak nezjeví. Po delším provozování této činnosti vás začnou bolet ruce. Delší dobu jste překonávali odpor tření a k tomu je potřeba nějaká energie, která se přemění na teplo. Úplně stejně to funguje v případě motoru a převodového ústrojí. U všech ložisek, nejrůznějších uložení a samozřejmě vzájemně se dotýkajících částí vzniká teplo, a to v důsledku přeměny energie. Tato energie pochází právě z motoru. Máme tak dalšího příživníka, který nám oslabuje pohonnou jednotku. Proto se výkon jednotky a výkon na kolech vzájemně liší.
Odpor skluzu hnacích kol není významný. Vzniklé ztráty nejsou tak velké. Tedy pokud hovoříme o deformačním skluzu. Toho se zúčastňuje především dezén pneumatiky. Při působení hnací síly se jednotlivé dílky dezénu ohýbají. Jedná se ale o takřka neznatelné pohyby. Vlastní skluz (protočení) kola jistě zná každý.
Sečteno a podtrženo
Nakonec si představme situaci. Jedeme po dálnici konstantní rychlostí 130 km/h do mírného kopečka, který má sklon 2° (3,5%). Protože nezrychlujeme, odpadá nám odpor setrvačnosti a v podstatě i odpor skluzu hnacích kol. Zůstali nám 4 úhlavní nepřátelé. A kolik si v takovéto situaci nakonec vezmou z výkonu vozidla? U malého Fiatu to je přibližně 38 kW. V případě Audi dostáváme číslo více než dvojnásobné – 77 kW. Při 160 km/h nám hodnoty vzrostou o dalších 50% (58 kW, 116 kW).
Graf: Celkový odpor v závislosti na rychlosti
Souboj se všemi jmenovanými nepřáteli svádíme v každodenním provozu a ani o tom nevíme. Jejich síla v porovnání se silou motoru nebývá příliš velká. Ale s každým kilem na víc roste. Velikost jízdních odporů má vliv především na spotřebu paliva. Při dnešních cenách pohonných hmot to je věc celkem nepříjemná. I když, jak pro koho.
Text a grafy: Lukáš Dittrich
Foto: Daimler Chrysler
Poznámka autora: Uváděné hodnoty odporů pro Fiat Panda a Audi Q7 jsou orientační. Slouží pouze pro představu rozdílu malého a velkého vozu a pro ukázku růstu odporů v závislosti na rychlostech.
