Spørg Fagfolket: Hvorfor ser man ikke biler og fly med overflader som en golfbold?

Illustration: Bigstock/somchaiphoto

Vores læser Jørgen Bundgaard har spurgt:

Hvorfor ser man ikke biler med en overflade som en golfbold?

Når teknikken kan mindske luftmodstanden for en cykelrytter, kan det vel også give en brændstofbesparelse for maskindrevne køretøjer?

Desuden har Lasse Frøding spurgt:

En golfkugle har huller for at mindske vindmodstanden, hvorfor gør man ikke det samme med fly-vinger?

Kollegerne i afdelingen ’Tracking R&D – modelling and analysis’ hos Trackman har sat sig sammen og udformet følgende besvarelse:

Nu er vi stærkere inden for golfbolde end biler og fly, men vi kan godt byde ind med nogle forklaringer.

Ret simplificeret kan man opdele luftmodstand på et objekt i form-modstand og overflade-modstand.

Overflade-modstand er et udtryk for friktion mellem luften og overfladen. En ru overflade har større areal i kontakt med luften og genererer mere overflade-modstand sammenlignet med en helt glat overflade.

Figur 1 Illustration: Wikipedia/TheOtherJesse

Form-modstand, derimod, er et udtryk for, hvor ‘strømlinet’ formen på et objekt er, og det man typisk tænker på, når man siger en ‘aerodynamisk form’.

Et dråbeformet objekt har lavere form-modstand end et kasseformet, som eksemplificeret i figur 1, hvor drag-koefficienten i praksis repræsenterer luftmodstanden.

Specifikt om golfbolde:

Når en kugle bevæger sig igennem luften, genererer den en turbulent zone lige bag sig, hvilket resulterer i luftmodstand.

Den turbulente zone (wake) opstår, når luftens ‘glatte’ (laminare) flow hen over bolden ikke længere kan følge overfladen på bolden og ’giver slip’ fra overfladen.

Da luftmodstanden på en kugle vokser ikke-lineært med kuglens hastighed, er flowet ved lave hastigheder laminart hen over kuglen, og luftens interaktion med kuglens overflade genererer overflademodstanden.

Samtidig slipper det laminare flow boldens overflade tidligt og giver en stor ‘wake’ (turbulent zone bag kuglen).

Figur 2. Kilde: Scobie, James. Illustration: Ingeniøren

Ved højere hastigheder bliver der derimod genereret et lag af turbulent flow rundt om bolden, der ’isolerer’ kuglens overflade fra at interagere med luften.

Dette gør, at luften kan ‘hænge fast’ på kuglens overflade i længere tid, hvilket reducerer hvor stor den turbulente zone bag bolden bliver, hvorved man opnår et signifikant fald i luftmodstand for kuglen.

Hvorfor så dimples?

Svaret på, hvorfor golfbolde har små huller, skal findes i figur 3, som igen viser drag-koefficienten (et udtryk for den effektive luftmodstand oplevet af et objekt), som funktion af Reynolds-tallet, som er en dimensionsløs størrelse og i simpel forstand kan tænkes som skalerende med boldens hastighed.

Figur 3. Kilde: Bixente Artola. Illustration: Ingeniøren

Som det fremgår, har kurven for både en glat kugle (rød) og en golfbold (blå) et karakteristisk ‘knæk’, hvor luftmodstanden pludselig falder.

Dette er præcis overgangen beskrevet ovenfor, hvor flowet omkring bolden går fra laminart (glat) til turbulent (kaotisk), og det ses tydeligt, at denne overgang sker ved lavere Reynolds tal (hastighed) for golfbolde end for glatte bolde, hvilket er en konsekvens af dimples på overfladen.

Den ændrede overfladetekstur ændrer interaktionen med luften, således at det turbulente flow omkring overfladen opstår tidligere - og bolden derfor flyver længere.

Disse ’dimples’ er så specifikt designet, at golfbolde for deres typiske hastigved vil befinde sig tæt på minimum i kurven for maksimal distance.

Hvorfor har en bil så ikke samme overflade som en golfbold?

En golfbold har den ulempe, at den er kugleformet. En kugle har en højere form-modstand end mere strømlinede former, som vist i figur 1.

For strømlinede former, derimod, udgør overflademodstanden en større andel af den samlede luftmodstand end form-modstanden - i teknisk terminologi siger man, at overflademodstanden ‘dominerer’.

Figur 4. Illustration: Wikipedia/BoH

Derfor er det for en strømlinet bil vigtigere at have en helt glat overflade, der kan reducere overflademodstanden, hvorimod den bonus en ru overfladetekstur vil give i forhold til at få luften til lettere at hænge fast på overfladen og reducere ‘wake’, er mindre signifikant.

Altså er det ultimativt en afvejning af to forbedringer, hvoraf den glatte overflades reduktion af overflademodstand er mere effektiv for et i forvejen strømlinet objekt som en bil.

Ydermere skalerer førnævnte Reynolds-tal (der afgør, hvornår skiftet fra laminart til turbulent flow sker) med objektets størrelse, hvorfor en bil opnår turbulent overflade-flow ved markant lavere hastigheder end en lille golfbold, som yderligere reducerer den bonus, man vil få med en ‘ru’ overflade.

Endelig skal det nævnes, at Volkswagen og Porsche faktisk har biler i produktion med en golfbold-lignende overflade på dele af undersiden af bilen, netop i zoner hvor luft-flowet skal afbøjes en del for at følge bilens overflade.

Og så den lavpraktiske: Ville almindelige mennesker mon købe biler med golfboldoverflader?

Samme argument for fly-vinger

Argumentet for fly er meget det samme som for biler. Fly har en mere 'aerodynamisk' form, og derfor kommer størstedelen af vindmodstanden fra overflade-modstand (som vist i figur 4).

Desuden afhænger Reynolds-tallet (der bestemmer, om der er laminar eller turbulent flow) af et objekts størrelse og dets hastighed.

Et fly er større og bevæger sig hurtigere end en golfbold, derfor opnås der turbulent flow langs overfladen på flyet, uden at det er nødvendigt at manipulere med overfladeteksturen.

Nøglen til spørgsmålet findes i figur 3: Golfbolde har den overflade, de har, fordi de har præcis den størrelse og bevæger sig med den hastighed, de gør.

Hvis en golfbold var større - eller bevægede sig med højere hastighed - ville den flyve længere, hvis den var helt glat (for højere Reynolds-tal har den røde linje lavere drag-koefficient end den blå linje).

Bonus omkring cykelrytteres tøj:

Cykelryttere er en situation, der binder golfbolden og bilen sammen.

Det er set, at cykelryttere bruger tøj på enkeltstarter, der har en bestemt tekstur på ydersiden af tøjet for netop at mindske vindmodstanden.

Dette er oftest specifikt at finde på armene, da armene er tilnærmelsesvist cylinderformede og derfor har en højere form-modstand (se figur 1), hvorfor det netop vil være gavnligt at udnytte golfbold-effekten.

På andre dele af kroppen med mere strømlinet form, som hjelmen og ryggen på rytteren, er overfladen helt glat for derimod at reducere overflade-modstanden, som for bilen.

Altså igen en situation, hvori man afvejer effekten af at reducere de to bidrag til den totale luftmodstand og arbejder mod det optimale kompromis.

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Supplering:

Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC). (2009, May 22). Wings That Waggle Could Cut Aircraft Emissions By 20%. ScienceDaily: Citat: "... Dr Duncan Lockerby, from the University of Warwick, who is leading the project, said: “This has come as a bit of a surprise to all of us in the aerodynamics community. It was discovered, essentially, by waggling a piece of wing from side to side in a wind tunnel.” ... Engineers have known for some time that tiny ridges known as ‘riblets’ - like those found on sharks bodies - can reduce skin-friction drag, (a major portion of mid-flight drag), by around 5%. But the new micro-jet system being developed by Dr Lockerby and his colleagues could reduce skin friction drag by up to 40%, ..."

17 February 2006, focus.aps.org: Rough Skin is Good, backup: Citat: "... The team then attached a set of pill-shaped disks flat against the plate, in a row parallel to the leading edge but 8 centimeters behind it. The disks only stuck up 1.4 millimeters above the surface but still caused ribbons of spiraling flow in the air downstream. That flow smoothed out formerly turbulent air more than a meter away ... "Since the mid 1950's roughness elements have been known to trigger transition [to turbulence]," Fransson says. But "we put in roughness elements, and we show that we can delay transition. This is very new." He suggests that a similar strategy might suppress chaotic behavior in situations ranging from lasers to fusion plasmas. ... But he cautions that the clean experimental result may not capture what happens in the real world. George Karniadakis of Brown University agrees that the new result is a "good contribution," but he suspects that the disks will cause extra pressure drag that may overwhelm any reductions. Fransson says the disks only increase pressure drag by 3.5% but that the team hasn't yet measured the net drag ..."

Aircraft Aerodynamic Boundary Layers. IX.A Riblets.

  • 5
  • 0

Der mangler en like funktion så man kan give thumbs up til artikler. Det var et usædvanligt grundigt og kompetent svar, så hermed et stort like herfra!

  • 88
  • 0

Biler med "dimples" så man af og til i Frankrig - dengang jeg boede der (1987-92). De var godt nok lidt større end dem på golfbolde. De var efter sigende skabt af "moder-natur", men jeg nåede ikke selv at få nogle.

Derimod fik jeg en "karrosseritilpasning" ved at skride ud i et sving med "golfboldstore" runde sten i rabatten; lidt som den ved Côte d'Azur populære afrunding af bilens hjørner (a la Nicoise), som dengang var på mode. Men ak, svinget var gået for hårdt til vangerne; så forsikrinsselskabet valgte at afskrive.

  • 2
  • 3
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten