流體的魅力 方程式賽車如何實現貼地前行

　　【太平洋汽車網 技術頻道】賽場上經常能夠看到這樣一個畫面：平均時速250公里的F1賽車彎道超車時候總是緊貼地面呼嘯而過。要知道，普通車輛到達這個速度的時候，任何外界力細小的波動都是致命的，就好比時速1028公里的波音747突然撞上一只小鳥所引發的蝴蝶效應，F1賽車是如何解決這個問題的，本篇將從方程式賽車遵循空氣動力學的外觀設計上簡單地給大家聊聊!

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　　車輛在高速時候最容易受到的外界影響當屬側向力了——即外界作用在車輪上的力，為了規避側向力，使賽車在高速行駛時能夠穩扎穩打，工程師想到辦法就是增加車輪與地面的貼合度——設法提高空氣作用到車身上的壓緊力。

　　如何設計車身形狀，充分利用空氣動力學原理，使得能夠承托一輛重618噸的空中大巴一飛沖天的氣流同樣也能夠將一輛平均時速為250公里的F1方程式賽車牢牢地壓緊在地面上，成為賽車設計師們的一個重要命題。

　　顧名思義，下壓力和上升力是一對反義詞，產生下壓力的原理就是通過改變前分流器、前翼、尾翼甚至是整個車身的形狀使得車輛的上部和下部出現一個壓強差，當上部分壓強作用在車身上的壓力加上車輛本身的重量小于下部分壓強作用在車輛底部壓力的時候，車輛就飛起來了;相反，大于下部分壓強作用在車輛底部壓力的時候，車輛就實現了貼地，并且上下的壓力差越大，貼地力也越大。

　　對于F1方程式賽車，因氣壓差產生的下壓力能夠到達1000磅。可問題是，下壓力并非越大越好，巨大的下壓力會造成空氣動力拖拽現象，使得車輛速度有所下降，而這個恰恰和賽車贏為先的宗旨相違背，如何在保證賽車行駛的穩定性以及可操控性前提下降低因過大的下壓力造成的空氣動力損失，也是賽車設計師們著手的重要命題。

　　據伯努利原理，隨著流體速度的增加，流體周圍的壓強將會降低，生活中比較常見的例子就是往兩張相對布置白紙中間空隙吹氣的時候兩張白紙不會彈開反而會結合到一起，這是因為中間間隙流體的速度比外圍快，使得中間間隙的壓強低于外圍壓強所引發的有趣現象。同樣原理，工程師要保證賽車底部的壓強低于頂部壓強產生很好的下壓力的話，就要使得底部流體的流速高于頂部流體流速才行。

　　大家可能覺得，要達到這個效果把賽車車身做成倒機翼形狀就好了，可是由于地面影響賽車行駛的因素往往非常復雜(彎道、過坎等)，且根據F1賽制規定，賽車底部必須做成平底狀，所以這種倒機翼形狀的設計不大現實。工程師在保證賽車底部足夠平整的前提下，會通過前后加裝擴張器來達到使底部流體快速通過的效果。

　　對擴張器的設計也是一門學問，主要從擴張器離去角、離地間隙、擴張器檔隔板密度以及排氣管熱風導向四個方面進行考慮。

　　擴張器離去角決定了流經賽車底部的流體將會以一種怎樣的姿態離開，離去角的角度越大，流體的速度越快，周圍的壓強差也就越大，可是這個角度并非設計得越大越好，過大的離去角會使得流體會在車輛尾部行成紊流產生一個拖拽車輛的力，不利于賽車的正常表現。工程師在決定離去角度大小的時候只能進行折中。

　　賽車往往設計成前低后高的俯沖狀，這樣做的目的不是為了保證剎車的穩定性(當然，可能也會有影響)，而是這種設計本身就使得整個車身呈現出一個大擴張器的作用，前后離地高度差越大，作用越明顯。可是話又說回來了，隨著賽車尾部離地間隙的擴張，空腔也逐漸擴大，這時候尾部很容易受到兩邊的側向力影響。工程師在做離地間隙的設計的時候也是需要折中處理的。

　　擴張器的檔隔板是分流底部流體的重要器具，檔隔板的密度同樣會影響流體流動的速度，這就好比深圳去香港過海關的時候，如果只有一個大門的話，每個人都爭搶著過關，最終結果就是大家都過不了關。要是過關門設計得過于頻繁，對人力物力成本本身又造成了一種浪費。同樣，檔隔板密度過低的話，流體之間相互制約，形成紊流，反之，檔隔板本身也占據一定的空間，也會阻礙流體的運動。

　　賽車排氣管布置在尾部擴張器附近，根據熱脹冷縮原理，從排氣管出來的熱風處理不好的話會阻礙底部流體的流動。工程師非常巧妙地弄出一遭反客為主，把從排氣管出來的熱風引至貼合車輪導出(圖中紅色部分)，相當于裝了一堵無形的墻，外面的側風進不來，里面的流體出不去。

　　總結：對賽車的設計不只是上面所提到的，還有尾翼、駕駛艙、前導板等等。其宗旨都只有一個——讓賽車更快地到達終點線。竊以為，工程師在設計這些的時候除了保證氣流能夠快速無摩擦地貼合車身通過外，如果能讓流體在賽車尾部形成一個助推力，讓賽車跑得更快的話，那當真是極好的。

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