O que limita a velocidade de um carro?

Do ponto de vista da engenharia, o que limita a velocidade máxima que você pode alcançar com um carro comum? Entendo que alguns dos carros mais rápidos são limitados por razões de segurança a não correrem mais rápido do que 250 km / h, mas essa não é minha pergunta.

Posso pensar em várias razões, mas não tenho certeza qual delas é relevante:

1. O limite é definido por uma parte (que?) É quebrada se eu aumentar a rotação, como sugerido pelas marcas vermelhas nos medidores de rotação.
2. Ou é melhor que você não consiga abastecer rápido o suficiente para continuar aumentando as rpm?
3. Ou será que o atrito / arrasto aumenta à medida que você acelera e o motor não pode superar isso, pois só pode gerar uma quantidade máxima de força / torque? Se sim, de que depende essa quantidade de torque / força?

Existem algumas razões simples pelas quais a velocidade de um veículo (não obstante as condições da estrada) pode ser limitada:

1. Engrenagem - Os veículos de produção com transmissões convencionais têm um número limitado de marchas. Para a maioria dos carros modernos, geralmente são 5 ou 6, enquanto os veículos mais antigos podem ter apenas 2 ou 3. Se a relação de transmissão da marcha mais alta for muito baixa (as marchas "inferiores" são expressas como relações numéricas maiores), é inteiramente É possível que o motor fique vermelho antes que a resistência do ar se torne um fator. Isso está relacionado ao seu primeiro ponto sobre a zona vermelha no tacômetro. Se você alcançou a linha vermelha, que é a velocidade de rotação máxima do seu motor, mas não possui uma marcha mais alta para mudar, não poderá ir mais rápido sem danificar o motor.

2. Arrastar - Como qualquer objeto físico, os carros estão sujeitos à resistência do ar e a outras fontes de arrasto (resistência ao rolamento, etc.). Se o atrito no carro exceder a quantidade de potência que o motor é capaz de produzir nas rodas, sua velocidade será novamente limitada.

3. Limitadores de velocidade - Vale ressaltar que os veículos de produção quase sempre têm velocidade limitada na ECU (Unidade de controle do motor) por razões de segurança ou legais. Se a ECU detectar que as rodas estão girando a uma velocidade rápida o suficiente, ele cortará a energia do motor para impedir que o veículo acelere. É possível contornar essa proteção com um ECU de pós-mercado ou com uma modificação no estoque. Como exemplo, alguns anos modelo do Honda Civic são limitados em velocidade a cerca de 190 km / h.

4. Classificações dos pneus - Todos os pneus têm uma certa classificação de velocidade, provavelmente muito menor que a velocidade máxima real do seu veículo. A classificação de velocidade é uma letra e faz parte do código do pneu (veja aqui para mais informações). Por exemplo, pneus sobressalentes temporários podem ser limitados a apenas 130 km / h antes de estarem em perigo iminente de sofrer uma explosão.

5. Estabilidade / Aerodinâmica - Esta é uma perspectiva menos de engenharia do que prática, mas para um carro "regular" haverá um certo ponto em que a suspensão e outros componentes não são suficientes para manter o carro dirigindo direto na estrada. moda segura. A evidência anedótica para apoiar esse ponto vem na forma de uma história sobre um carro americano em tamanho antigo dos anos 70 que, quando levado a velocidades de três dígitos, não tinha capacidade aerodinâmica para manter as rodas dianteiras no chão. Em suma, o elevador do ar movendo-se sob o carro elevou as rodas dianteiras do chão para um terrível "wheelie" de alta velocidade. Embora esse processo não tenha tecnicamente causado a desaceleração do carro, certamente dificultava o controle a essa velocidade.

Então, o que limita a velocidade é uma combinação de duas coisas: a potência do motor com a engrenagem e a resistência ao rolamento e ao ar.

Até aproximadamente 40 mph, a resistência ao rolamento é a maior resistência, mas acima dessa velocidade a resistência do ar é o fator dominante e aumenta quanto mais rápido você for.

A potência do motor é fixa (ajuste correto, etc.), mas a marcha também é importante - um motor de 200 cv pode acionar um trator agrícola ou um carro esportivo.

Uma vez que a resistência total é igual à potência disponível nas rodas, você não vai mais rápido.

A física para você. Já andou de bicicleta? 25 mph é fácil, 30 é difícil, 40 exige equipamento especial ou um corpo muito bombeado e 50 é quase impossível. Por que o esforço é tão acentuado para pequenos aumentos de velocidade? Ar.

Arrasto aerodinâmico

A resistência ao rolamento é o fator dominante quando o carro está lento - é por isso que é tão difícil de empurrar. Mas em velocidades mais altas, o fator dominante é o arrasto aerodinâmico. Isso ocorre porque a resistência ao rolamento é bastante linear. O arrasto aerodinâmico não é , e é pelo menos um fator de segunda ordem - ele surge como um trem de carga em velocidades mais altas. Na verdade, eu ouvi trens de carvão que podem fazer 40 mph carregado, só podem fazer cerca de 35 vazio. Isso porque cada carro de carvão vazio é uma grande bola, pegando o vento. E a resistência ao rolamento é quase nula para um trem.

Potência disponível

Obviamente, esse arrasto aerodinâmico é equilibrado com a potência que os motores podem aplicar contra ele. Eles poderiam pegar o trem de carvão vazio até 70 mph, se colocassem quatro vezes as locomotivas nele.

Você está falando de carros, então é uma questão de quanto as baterias podem fornecer e o controlador do motor pode empurrar sem sofrer danos. Ou já que você está assumindo carros movidos a combustível, trata-se de quanto ar o motor pode passar . É fácil adicionar a quantidade correta de combustível. O fluxo de ar é decidido pelo ajuste - dutos de admissão / exaustão / portabilidade / ressonância, tamanho e números das válvulas, cames, coisas assim. (Também a linha vermelha do motor (RPM máx.), Mas se o seu duto / ressonância estiver ajustado, aumentar a linha vermelha fará a diferença, esse motor funcionará muito mal na rua.)

A engrenagem também pode ser um fator. Eu tinha um carro que lutava na velocidade máxima. A quarta marcha era alta demais para poder acelerar. A terceira marcha ultrapassou seu pico de potência, portanto, quanto mais rápido você passava, menos potência tinha. A velocidade estava toda errada na velocidade, mas era excelente para diversão na rua, refinamento e MPG, o que eu paguei.

É provável que um carro de rua não esportivo típico, como um Ford Flex, atinja os limites físicos de resistência aerodinâmica antes de atingir um ponto em que o computador limite a rotação ou o limite MPH.

Para carros modernos de alto desempenho, fabricados após o ano 2000 até hoje (2018), a resposta é simples: aderência dos pneus .

O desempenho e o gerenciamento do motor já atingiram um nível que pode superar o desempenho dos pneus de aderência na estrada. O que acontece quando você tenta exercer mais energia do que seus pneus podem suportar é o deslizamento das rodas.

A maioria das pessoas estaria familiarizada com o deslizamento das rodas nos arranques em pé (como nas corridas de arrancada) e quando os carros estão se movendo lentamente (quando as pessoas deliberadamente queimam borracha). Esse tipo de derrapagem foi eliminado ao permitir que uma CPU controlasse os freios (controle de tração).

Em seguida, vem o deslizamento da roda. Deslize da roda enquanto se move na velocidade máxima. A correção tradicional para isso era modificar a aerodinâmica do carro e aumentar a força para basicamente empurrar o carro para a estrada.

Agora chegamos ao estágio em que adicionar ainda mais força descendente aumentaria o arrasto e reduziria o desempenho. Mas nossos motores de melhor desempenho ainda podem gerar derrapagem das rodas.

No entanto, paralelamente ao desenvolvimento do motor, os avanços na química e no design dos pneus também contribuíram para aumentar a velocidade máxima de um carro, aumentando a velocidade que o pneu é capaz de suportar antes de perder a aderência. Agora que chegamos a um ponto em que nossos melhores motores podem danificar consistentemente os pneus, o atual fator limitante é a aderência dos pneus.

Para encontrar o limite puramente teórico, dependendo totalmente dos limites da resistência ao rolamento do pneu e da resistência ao ar. Então aqui está o trabalho.

Fórmulas

• $F_d = \dfrac{1}{2}pA\mu_d v^2$
• $f_s = \mu_s mg$

NOTA: Estou usando valores de um modelo Tesla 3.

Valores conhecidos

• A = 0,23 m ²
• g = 9,80665 m / s ²
• m = 1611 kg
• $\mu_s$
• $\mu_d$
• p = 1,2754 kg / m ³

Premissas

• O carro é perfeitamente perpendicular à força da gravidade.
• Carro está ao nível do mar.
• As condições são ideais.
• A potência do motor é infinita.

Resultados

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

Você não especificou um carro acionado por engrenagem (tração direta), por um lado. Mesmo para veículos com tração direta, a velocidade limite é definida em última análise, projetando aerodinâmica para impedir que o carro decole e voe.

Na última vez que verifiquei, os recordes de velocidade em terra foram estabelecidos com carros de design extremo, movidos a jato ou foguete, com rodas e freios incrivelmente especializados (discos padrão apenas voariam separados nas altas RPMs envolvidas), entre outras partes.

Em suma, à medida que novos materiais são desenvolvidos com proporções de força / massa cada vez maiores, é provável que os recordes de velocidade em terra continuem sendo quebrados.