Kiedy wsiadasz do pojazdu, zazwyczaj zabierasz ze sobą rodzinę lub przyjaciół. Ale nie są oni jedynymi pasażerami samochodu. Matematycy, jak Pitagoras, czy fizycy, jak Newton, również są towarzyszami Twojej podróży. David Calle, ambasador edukacji i umacniania pozycji młodzieży SEAT (SEAT Education and Youth Empowerment), inżynier ds. komunikacji, gwiazda YouTube i finalista konkursu Global Teacher Prize 2017, przedstawia nam wyjątkowe wyjaśnienie trzech formuł, które umożliwiają działanie naszych pojazdów. To nowy sposób nauczania w służbie motoryzacji.
Hamuj z Newtonem.
Kto by się spodziewał, że jabłko, które spadło z drzewa obok Izaaka Newtona, zapoczątkuje jedną z najbardziej produktywnych karier w fizyce. Jego pierwsze prawo bezwładności jest tym, na co uwagę zwracają instruktorzy jazdy, kiedy mówią o utrzymywaniu bezpiecznej odległości. „Jeśli prowadzisz samochód i nagle kot przebiegnie Ci drogę, nie masz innego wyjścia, jak kontynuować jazdę bez zbaczania. Jedyne, co możesz zrobić, to zahamować”, mówi David. Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, chyba że zostanie zmuszone do zmiany swojego stanu pod działaniem siły zewnętrznej. „A tą zewnętrzną siłą jest Twoja stopa na pedale hamulca”, żartuje nauczyciel.
Kiedy reagujemy, nie naciskamy jeszcze na hamulec, czyli jdziemy dalej. Aby obliczyć odległość tej reakcji, wystarczy jedna z trzech zasad: pomnóż prędkość przez czas. Przeciętny człowiek potrzebuje 0,75 sekundy na reakcję, więc jeśli na przykład jedziesz z prędkością 120 km/h (33,33 m/s), będziesz kontynuować jazdę przez co najmniej 25 metrów, aż w końcu naciśniesz hamulec. Dlatego tak ważne jest, aby nie przekraczać ograniczeń prędkości i zachować bezpieczną odległość, „żeby uratować kota”, śmieje się David.
W takich przypadkach najważniejszą rzeczą, poza szybkim hamowaniem, jest wykrycie przeszkód na drodze z dużym wyprzedzeniem. Dlatego producenci samochodów zapewniają coraz lepszą widoczność, nawet podczas nocnych podróży. SEAT Leon czwartej generacji ma pełne światła LED, które świecą jaśniej i mają zasięg do 70 metrów, w porównaniu do 50 metrów w starszych modelach.
Aerodynamika wykładnicza.
Kiedy austriacki wynalazca Edmund Rumpler wymyślił samochód w kształcie kropli wody w 1921 r., można było przewidzieć, że aerodynamika stanie się obsesją producentów samochodów. Ta nauka, która prowadzi badania nad ruchem powietrza, ma kluczowe znaczenie dla osiągów pojazdu. „Dzięki optymalizacji aerodynamiki samochód będzie jechał szybciej, ale będzie też bezpieczniejszy i wydajniejszy, ponieważ zmniejszy zużycie paliwa i emisję CO2”, podkreśla Calle.
Rumpler nie mylił się w kwestii swojego ekstrawaganckiego pojazdu: „Rzeczywiście, samochody o zaokrąglonych, zwężających się bryłach są bardziej opływowe niż te o bardziej pudełkowatych kształtach, ponieważ mogą przebić się przez duże masy powietrza znajdujące się przed Tobą”, mówi profesor. Mimo to pod określonymi kształtami i objętościami zawsze musi znajdować się formuła wspierająca te decyzje: formuła aerodynamiki.
Wszystkie te formuły gwarantują odpowiednią wydajność, bezpieczeństwo i wygodę.
To prawo fizyki zasadniczo stwierdza, że kiedy podwajasz przednią powierzchnię obiektu, podwajasz opór, jaki wywiera na nią powietrze, ale jeśli podwoisz prędkość, opór zwiększy się czterokrotnie. „Dzieje się tak, ponieważ powierzchnia i opór mają liniową zależność; podczas gdy z szybkością opór jest powiązany wykładniczo ”, wyjaśnia nauczyciel. Dlatego im szybciej jedziesz, tym trudniej jest walczyć z siłą powietrza, więc powierzchnia i jej formy muszą działać na Twoją korzyść.
Całki. Wreszcie się przydadzą.
Myślmy realnie. W czasach studenckich wszyscy zmagaliśmy się, przynajmniej kilka razy, z całkami i ich pochodnymi. Do czego, tak na poważnie, przydają się te obliczenia w codziennym życiu? „To pytanie zadawano mi niezliczoną ilość razy”, przyznaje Calle, „a odpowiedź można znaleźć na każdym torze wyścigowym”.
W przypadku gdy ścigają się dwaj kierowcy, a Ty chcesz wiedzieć, który z nich szybciej pokonał zakręt, najłatwiej jest zmierzyć prędkość każdego z kierowców w jednym lub dwóch punktach krzywej i obliczyć średnią. „Ale to dałoby nam tylko statyczny obraz ich prędkości”, mówi Calle. Aby uwzględnić wszystkie dane z każdego punktu krzywej, całka będzie idealna, ponieważ jest to po prostu ciągła suma nieskończonych danych.
Dzięki zaawansowanym systemom telemetrycznym, które mierzą różne wielkości w czasie rzeczywistym, obecnie uzyskiwanie danych o prędkości w każdym punkcie na łuku lub torze wyścigowym jest proste. „Dysponując danymi, nie musimy ich sumować indywidualnie. Wystarczy wyliczyć całkę z całości, a średnia wyniku każdego kierowcy powie nam, kto wygrał”, wyjaśnia profesor. Poza wyścigami ten system monitorowania prędkości jest również stosowany w celach bezpieczeństwa. Tak jest w przypadku nowego SEAT-a Leona, który jest wyposażony w adaptacyjny tempomat (ACC) i asystenta podróży, zapewniającego wspomaganie podczas jazdy z prędkością do 210 km/h.
Jazda według liczb.
To tylko trzy z wielu przykładów matematyki stojącej za tworzeniem samochodów. „My tego nie widzimy, ale w branży motoryzacyjnej pracują ludzie, którzy poświęcają wiele godzin na obliczenia, operacje i formuły, aby zapewnić najlepsze osiągi samochodu, a przede wszystkim bezpieczeństwo”, podsumowuje David Calle. „I również komfort: na przykład miliony zer i jedynek łączą się w konsoli, aby zaspokoić wszystkie potrzeby w zakresie informacji i rozrywki w kodzie binarnym”, dodaje. „Ale to już inna historia”.
