¿Qué limita la velocidad de un automóvil?

Desde una perspectiva de ingeniería, ¿qué limita la velocidad máxima que puede alcanzar con un automóvil normal? Entiendo que algunos de los autos más rápidos se limitan por razones de seguridad a no correr más rápido de 250 km / h, pero esa no es mi pregunta.

Se me ocurren varias razones, pero no estoy seguro de cuál de ellas es relevante:

1. ¿Se rompe el límite por alguna parte (¿cuál?) Que se rompe si aumento las rpm, como lo sugieren las marcas rojas en los medidores de rpm?
2. ¿O es más bien que no puedes obtener combustible lo suficientemente rápido como para seguir aumentando las rpm?
3. ¿O es que la fricción / resistencia aumenta a medida que aceleras y el motor no puede superar esto, ya que solo puede generar una cantidad máxima de fuerza / par? En caso afirmativo, ¿de qué depende esta cantidad de par / fuerza?

Hay algunas razones simples por las cuales la velocidad de un vehículo (a pesar de las condiciones del camino) puede ser limitada:

1. Engranaje : los vehículos de producción con transmisiones convencionales tienen un número limitado de engranajes. Para la mayoría de los automóviles modernos, esto suele ser 5 o 6, mientras que los vehículos más antiguos pueden tener tan solo 2 o 3. Si la relación de transmisión de la marcha más alta es demasiado baja (las marchas "inferiores" se expresan como relaciones numéricas más grandes), es completamente es posible que el motor se vuelva rojo antes de que la resistencia del aire se convierta en un factor en absoluto. Esto se relaciona con su primer punto sobre la zona roja en el tacómetro. Si ha alcanzado la línea roja, que es la velocidad de rotación máxima de su motor, pero no tiene una marcha más alta para cambiar, entonces no puede ir más rápido sin dañar su motor.

2. Arrastrar : como cualquier objeto físico, los automóviles están sujetos a la resistencia del aire y a otras fuentes de resistencia (resistencia a la rodadura, etc.). Si el arrastre del automóvil excede la cantidad de potencia que el motor es capaz de producir en las ruedas, entonces su velocidad es nuevamente limitada.

3. Limitadores de velocidad : vale la pena mencionar que los vehículos de producción casi siempre tienen velocidad limitada en la ECU (Unidad de control del motor) por razones de seguridad o legales. Si la ECU detecta que las ruedas están girando a una velocidad lo suficientemente rápida, cortará la potencia del motor para evitar que el vehículo vaya más rápido. Es posible eludir esta protección con una ECU del mercado de accesorios o con una modificación a la de stock. Como ejemplo, algunos años modelo del Honda Civic tienen una velocidad limitada a alrededor de 120 mph (190 km / h).

4. Clasificación de las llantas: todas las llantas tienen una clasificación de velocidad determinada, que probablemente sea mucho menor que la velocidad máxima real de su vehículo. La clasificación de velocidad es una sola letra y es parte del código del neumático (consulte aquí para obtener más información). Por ejemplo, las llantas de refacción temporales se pueden limitar a solo 80 mph (130 km / h) antes de que estén en peligro inminente de sufrir un reventón.

5. Estabilidad / Aerodinámica : esta es una perspectiva menos ingenieril que práctica, pero para un automóvil "normal" habrá un cierto punto en que la suspensión y otros componentes no son suficientes para mantener el automóvil conduciendo en línea recta en un moda segura La evidencia anecdótica para apoyar este punto se presenta en forma de una historia sobre un viejo automóvil estadounidense de tamaño completo de los 70 que, cuando se llevó a velocidades de tres dígitos, no tenía las capacidades aerodinámicas para mantener las ruedas delanteras en el suelo. En resumen, la elevación del aire que se movía debajo del automóvil levantó las ruedas delanteras del suelo en un aterrador "caballito" de alta velocidad. Aunque este proceso técnicamente no causó que el automóvil se desacelerara, ciertamente dificultó el control a esa velocidad.

Entonces, lo que limita la velocidad es una combinación de dos cosas: la potencia del motor con el engranaje y la resistencia a la rodadura y al aire.

Hasta aproximadamente 40 mph, la resistencia a la rodadura es la mayor resistencia, pero por encima de esa velocidad, la resistencia al aire es el factor dominante y aumenta cuanto más rápido vaya.

La potencia del motor es fija (ajuste correcto, etc.), pero el engranaje también es importante: un motor de 200 CV puede alimentar un tractor agrícola o un automóvil deportivo limpio.

Una vez que la resistencia total es igual a la potencia disponible en las ruedas, entonces no vas más rápido.

La física te detiene. ¿Alguna vez montaste en bicicleta? 25 mph es fácil, 30 es difícil, 40 requiere equipo especial o un cuerpo muy bombeado, y 50 es casi imposible. ¿Por qué el esfuerzo es tan fuerte para aumentos de velocidad tan pequeños? Aire.

Resistencia aerodinámica

La resistencia a la rodadura es el factor dominante cuando su automóvil va lento, es por eso que son tan difíciles de empujar. Pero a velocidades más altas, el factor dominante es la resistencia aerodinámica. Eso es porque la resistencia a la rodadura es bastante lineal. Aero drag no lo es , y es al menos un factor de segundo orden: se presenta como un tren de carga a velocidades más altas. De hecho, he escuchado que los trenes de carbón que pueden cargar 40 mph, solo pueden hacer unos 35 vacíos. Esto se debe a que cada vagón de carbón vacío es una gran primicia que atrapa el viento. Y la resistencia a la rodadura es casi nula para un tren.

Potencia disponible

Obviamente, esa resistencia aerodinámica se equilibra con la potencia que los motores pueden aplicar contra ella. Podrían obtener ese tren de carbón vacío hasta 70 mph si le pusieran cuatro veces más locomotoras.

Estás hablando de autos, por lo que es una cuestión de cuánto pueden suministrar las baterías y el controlador del motor puede empujar sin sufrir daños. O dado que está asumiendo automóviles que funcionan con combustible, se trata de cuánto aire puede mover el motor . Agregar la cantidad correcta de combustible es fácil. El flujo de aire se decide ajustando: conductos de admisión / escape / puertos / resonancia, tamaño y números de válvulas, levas, cosas por el estilo. (También la línea roja del motor (RPM máx.), Pero si su canalización / resonancia está ajustada, por lo que elevar la línea roja hará la diferencia, ese motor funcionará bastante mal en la calle).

El engranaje también puede ser un factor. Tenía un auto que luchaba a su máxima velocidad. La cuarta marcha era demasiado alta para poder acelerar. La tercera marcha lo colocó más allá de su pico de potencia, por lo que cuanto más rápido fue, menos caballos de fuerza tenía. El engranaje estaba mal para la velocidad, pero fue excelente para la diversión de conducción en la calle, el refinamiento y el MPG, que es lo que pagué.

Es probable que un típico automóvil de calle no deportivo como un Ford Flex alcance los límites físicos de la resistencia aerodinámica antes de que llegue a un punto donde la computadora limitaría las revoluciones o el límite de MPH.

Para los automóviles modernos de alto rendimiento, construidos después del año 2000 hasta hoy (2018), la respuesta es simple: agarre de los neumáticos .

El rendimiento y la gestión del motor ya han alcanzado un nivel que puede superar la cantidad de adherencia que tienen los neumáticos en la carretera. Lo que sucede cuando intenta ejercer más energía de la que pueden manejar sus neumáticos es el deslizamiento de las ruedas.

La mayoría de las personas estarían familiarizadas con el deslizamiento de las ruedas desde los arranques de pie (como en las carreras de arrastre) y cuando los automóviles se mueven lentamente (cuando las personas queman goma deliberadamente). Este tipo de deslizamiento se eliminó dejando que una CPU controlara los frenos (control de tracción).

Luego viene el deslizamiento de la rueda que nos preocupa. Deslizamiento de la rueda mientras se mueve a la máxima velocidad. La solución tradicional para esto era modificar la aerodinámica del automóvil y agregar fuerza para empujar básicamente el automóvil hacia la carretera.

Ahora hemos llegado a la etapa en la que agregar aún más fuerza descendente aumentaría la resistencia y reduciría el rendimiento. Pero nuestros motores de mayor rendimiento aún pueden generar deslizamiento de las ruedas.

Sin embargo, en paralelo al desarrollo del motor, los avances en la química y el diseño de los neumáticos también han contribuido a aumentar la velocidad máxima de un automóvil al aumentar la velocidad que el neumático puede manejar antes de perder el agarre. Ahora que hemos llegado a un punto en el que nuestros mejores motores pueden fallar constantemente los neumáticos, el factor limitante actual es el agarre de los neumáticos.

Encontrar el límite puramente teórico que depende totalmente de los límites de la resistencia a la rodadura del neumático y la resistencia al aire. Así que aquí está el trabajo.

Fórmulas

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

NOTA: Estoy usando valores de un modelo Tesla 3.

Valores conocidos

• A = 0,23 m ²
• g = 9.80665 m / s ²
• m = 1611 kg
• $\mu_s$
• $\mu_d$
• p = 1.2754 kg / m ³

Supuestos

• El automóvil es perfectamente perpendicular a la fuerza de la gravedad.
• El coche está al nivel del mar.
• Las condiciones son ideales.
• El poder del motor es infinito.

Resultados

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

No especificó un automóvil impulsado por engranajes (transmisión directa), para empezar. Incluso para vehículos de conducción directa, la velocidad límite se establece en última instancia mediante el diseño de la aerodinámica para evitar que el automóvil despegue y vuele.

La última vez que lo verifiqué, los récords de velocidad en tierra se establecieron con autos de diseño extremo, propulsados ​​por propulsión a chorro o cohete, con ruedas y frenos increíblemente especializados (los discos estándar simplemente se volarían a las altas RPM involucradas), entre otras partes.

En resumen, a medida que se desarrollen nuevos materiales con relaciones de resistencia a masa cada vez mayores, es probable que se sigan batiendo los récords de velocidad en tierra.