ΟΤΑΝ Η ΦΥΣΙΚΗ ΣΥΝΑΝΤΑ ΤΗΝ ΒΙΟΛΟΓΙΑ

ΟΤΑΝ Η ΦΥΣΙΚΗ ΣΥΝΑΝΤΑ ΤΗΝ ΒΙΟΛΟΓΙΑ

Δημιουργική Εργασία
Β΄ Λυκείου
ΓΕΛ ΙΤΕΑΣ

Ακολουθεί ένα απόσπασμα (ΚΙΝΗΣΗ ΖΩΩΝ-ΜΗΧΑΝΩΝ/ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ) από την εργασία των μαθητών στη Δημιουργική Εργασία "Όταν η Φυσική συναντα τη Βιολογία"

Ø  Οι άνθρωποι μπορούν να τρέξουν με μέγιστη ταχύτητα 37,6 χιλιόμετρα την ώρα ή 10,4 μέτρα το δευτερόλεπτο, όχι πολύ πιο γρήγορα από μία δρομάδα καμήλα που φθάνει 35,3 χιλιόμετρα λ/ώρα ή 9,8 μέτρα/δευτερόλεπτο.

Ø  Όμως ο ιαγουάρος  έχει περίπου διπλάσια ταχύτητα από τους πιο γρήγορους σπρίντερ του πλανήτη, πιάνοντας 104 χιλιόμετρα την ώρα ή 29 μέτρα το δευτερόλεπτο.

Ο Μπολτ έχει τρέξει τα 100 μέτρα σε 9,58 δευτερόλεπτα, αλλά ο ιαγουάρος σε 5,8 δευτερόλεπτα. Ο ίδιος αθλητής έχει τρέξει τα 200 μέτρα σε 19,19 δευτερόλεπτα, αλλά ο ιαγουάρος σε 6,9 δευτερόλεπτα.

Ø  Το όχημα JaguarXJ220 έχει μέγιστη ταχύτητα 349,4 km/h (217,1 mph)

Η ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ

https://www.youtube.com/watch?v=-bxAHG0LvcE

ΠΩΣ ΤΡΕΧΕΙ Ο ΙΑΓΟΥΑΡΟΣ

https://youtu.be/mBWsiWdOqhw

 

Η ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΜΙΑΣ Ferrari

 

 

https://youtu.be/Z-4v4I7Gzk0?t=58

Αρχές αεροδυναμικής

Τί είναι αεροδυναμική; Όταν το αυτοκίνητο βρίσκεται σε κίνηση δέχεται και εξασκεί δυνάμεις σε δύο κυρίως «τομείς»: το οδόστρωμα και το στρώμα αέρος που το περιβάλλει. Αεροδυναμική επομένως είναι το πεδίο δυνάμεων που απορρέουν από την κίνηση ενός στερεού σώματος μέσα στον αέρα. Πόσο αναγκαία είναι η γνώση της αεροδυναμικής;

Σχήμα 1: 

Ο αέρας δημιουργεί προβλήματα στα αυτοκίνητα

Η γνώση των παραμέτρων της αεροδυναμικής που σχετίζονται με το αυτοκίνητο θεωρείται αναγκαία προκειμένου να βελτιώσουμε τους ακόλουθους σημαντικούς τομείς επιδόσεων:

1. Οικονομία καυσίμου.
2. Υψηλές Ταχύτητες.
3. Σταθερότητα Χειρισμών και Υψηλές Ταχύτητες.
4. Σταθερότητα στους Πλευρικούς Ανέμους.
5. Ψύξη Μηχανής και Φρένων.
6. Μειωμένοι Θόρυβοι Αέρος.
7. Εξαερισμός.
8. Απόψυξη.
9. Κλιματισμός.
10. Μείωση του ποσοστού σκόνης και λάσπης που εναποτίθεται στο αυτοκίνητο.
11. Κράτημα των υαλοκαθαριστήρων στη θέση τους.

Ας εξετάσουμε τη σχέση που υφίσταται μεταξύ αυτοκινήτου και αεροδυναμικής. Είναι σημαντικό σ' αυτό το σημείο να εξετάσουμε αυτήν τη σχέση γιατί, όπως θα δούμε, ο αέρας εξασκεί επάνω στο αυτοκίνητο ορισμένες δυνάμεις και ροπές που στη συνέχεια θα προσπαθήσουμε να αντιμετωπίσουμε χρησιμοποιώντας διάφορα αεροδυναμικά βοηθήματα.

Σχήμα 2: 

Οι τρεις βασικές δυνάμεις που εξασκεί ο αέρας στα αυτοκίνητα

Οι τρεις δυνάμεις που επιδρούν στο αυτοκίνητο που βρίσκεται εν κινήσει είναι η οπισθέλκουσα, η άνωση και η πλευρική δύναμη. Οπισθέλκουσα είναι η δύναμη που εμποδίζει το αυτοκίνητο από το να κινείται προς τα εμπρός, άνωση είναι η δύναμη που σηκώνει το αυτοκίνητο από το οδόστρωμα (απώλεια πρόσφυσης) και η πλευρική δύναμη είναι εκείνη που σπρώχνει το αυτοκίνητο από το πλάι (οι πλευρικοί άνεμοι έχουν συνήθως σαν αποτέλεσμα την απώλεια ευθύγραμμης κίνησης ή την ανατροπή του αυτοκινήτου).

Σχήμα 3: 

Ο αέρας τείνει να ανασηκώσει το αυτοκίνητο

Υπάρχουν τρεις αεροδυναμικές συνιστώσες που συμβάλλουν σημαντικά στην ευστάθεια ή μη του αυτοκινήτου. Η πρώτη είναι η "γωνία προσβολής"" του πρόσθιου τμήματος του αυτοκινήτου από τα αερονημάτια, που συμβάλλει στην ανύψωσή χου γύρω από το κέντρο βάρους του. Αυτή η συνιστώσα γύρω από το κέντρο βάρους προκαλεί τη "ροπή ανατροπής" όπως λέγεται στην αεροδυναμική ορολογία. Η ροπή ανατροπής επομένως συνδέεται άμεσα με τη γωνία προσβολής του αέρα και με την πρόσθια και οπίσθια τάση ανύψωσης του αυτοκινήτου.

Σχήμα 4

Η δεύτερη συνιστώσα είναι η "ροπή περιστροφής ή περικύλισης" (roll) που προκαλείται από τον πλευρικό άνεμο και τείνει να ανατρέψει το όχημα προς το πλάι.

Η τρίτη είναι η "ροπή εκτροπής" που προκαλείται όταν ο αέρας προσβάλλει το αυτοκίνητο υπό γωνία. Αυτή η συνιστώσα έχει και αποτέλεσμα να εκτρέψει το αυτοκίνητο από την πορεία του. Με λίγα λόγια, βρίσκουμε εξαιρετική δυσκολία στο να οδηγήσουμε το όχημα σε ευθεία γραμμή.

Σχήμα 5: 

Αυτοκίνητα διαφορετικής προσωπικότητας αντιμετωπίζουν διαφορετικά αεροδυναμικά προβλήματα

Για τις τρεις κατηγορίες αυτοκινήτων που αντιπροσωπεύουν τα προηγούμενα (αν έχουν μπει με τη σειρά!) σκιτσάκια βλέπουμε ότι εξαιρετική σημασία δίνεται στα μεν αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων στη "ροπή ανατροπής", στα φορτηγάκια με μεγάλη πλευρική επιφάνεια στη "ροπή περιστροφής" και στα επιβατικά αυτοκίνητα στη "ροπή εκτροπής". Από τα ανωτέρω προκύπτει ότι, αν επέμβουμε σε ένα συμβατικό όχημα αυξάνοντας σημαντικά τις επιδόσεις του, τότε πρέπει να χρησιμοποιήσουμε και τα κατάλληλα αεροδυναμικά βοηθήματα προκειμένου να ανατρέψουμε τις νέες αεροδυναμικές ροπές που θα εξασκούνται σ' αυτό.