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昨天我們談到了讓F1跑車(chē)“貼地飛行”的空氣動(dòng)力學(xué)原理，今天繼續(xù)談到空氣動(dòng)力學(xué)如何影響跑車(chē)設(shè)計(jì)。

下壓和引導(dǎo)前翼氣流

首先，讓我們來(lái)看看F1跑車(chē)的第一個(gè)觸摸前方氣流的前翼。雖然它直接提供的下壓力在整車(chē)的比例中并不大，但它的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到后部零件的空氣動(dòng)力學(xué)效率。因此，這是整個(gè)跑車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的重要組成部分。

和飛機(jī)的機(jī)翼一樣，F(xiàn)1賽車(chē)的前翼在產(chǎn)生壓力的同時(shí)，機(jī)翼表面也會(huì)產(chǎn)生機(jī)翼后渦面，機(jī)翼尖端會(huì)形成機(jī)翼尖端的渦流，氣流也會(huì)“上洗”(在機(jī)翼對(duì)應(yīng)、機(jī)翼尖端渦流的影響下，氣流向下傾斜，產(chǎn)生“下洗流”)，影響跑車(chē)中后部氣流場(chǎng)的空氣動(dòng)力學(xué)性能和后翼的空氣動(dòng)力學(xué)效率。

無(wú)論是前翼還是后翼，以及整車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，目標(biāo)都是以最小的阻力產(chǎn)生最大的下壓力。

當(dāng)高速氣流穿過(guò)F1賽車(chē)的前翼時(shí)，如果沒(méi)有得到很好的引導(dǎo)，就會(huì)撞到輪胎，影響整車(chē)中后部的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

前鴨翼產(chǎn)生的脫體渦流通過(guò)戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼上表面，可以降低上表面的壓力，從而產(chǎn)生渦升力，提高戰(zhàn)斗機(jī)的升力特性。在近距離藕合鴨式氣動(dòng)布局的戰(zhàn)斗機(jī)身上。

因此，F(xiàn)1跑車(chē)前翼的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是更好地引導(dǎo)氣流，使車(chē)前的高速氣流能夠流向?qū)ε苘?chē)最有利的方向，比如通過(guò)增加翼尖板(類(lèi)似于飛機(jī)上的翼尖翼)來(lái)引導(dǎo)氣流恰到好處地通過(guò)輪胎。

此外，對(duì)于垂直多片翼面組合的前翼，這些翼面組合的攻角越大，下壓力越大。但當(dāng)超過(guò)一定范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣流分離(即“振動(dòng)”)，下壓不會(huì)增加反而下降，還會(huì)導(dǎo)致前翼迎風(fēng)面積大，增加空氣阻力。

對(duì)飛機(jī)而言，升力與飛行速度的平方成正比，F(xiàn)1賽車(chē)的“負(fù)升力”，即下壓力，也是如此。

當(dāng)速度在150公里/小時(shí)左右時(shí)，F(xiàn)1跑車(chē)產(chǎn)生的下壓相當(dāng)于其重量。當(dāng)F1跑車(chē)以最大速度行駛的直道沖線時(shí)，此時(shí)的壓力可能是汽車(chē)的三到四倍。

后翼和底板各有千秋

對(duì)于F1賽車(chē)的后翼來(lái)說(shuō)，前翼、前輪胎、后視鏡、車(chē)手頭盔、側(cè)艙和排氣管已經(jīng)影響到車(chē)身后部的空氣流動(dòng)，使得后翼的空氣動(dòng)力學(xué)效率低于前翼。但為了平衡賽車(chē)的可操作性，后翼往往會(huì)產(chǎn)生與前翼基本相同(或更大)的下壓力。

因此，為了避免跑車(chē)前中間部分部件的渦流影響，后翼的形狀不一定是直的，有的凹陷在中間，有的凸起在中間。簡(jiǎn)而言之，工程師會(huì)對(duì)翼型進(jìn)行特殊的改進(jìn)。在密集的規(guī)則框架下，他們會(huì)尋找最佳的視角、高度和翼型來(lái)迎接氣流，并產(chǎn)生既定的下壓力。

F1賽車(chē)的后翼很少是直的，大部分都是“勺子”形狀。這種設(shè)計(jì)是基于避免或妥協(xié)前部氣流；然而，類(lèi)似的情況在飛機(jī)尾翼的設(shè)計(jì)中并不少見(jiàn)。

F-4“鬼”誕生于20世紀(jì)50年代末。Ⅱ戰(zhàn)斗機(jī)，其全動(dòng)水平尾翼具有特別明顯的“下垂”特征。

F-“鬼”之所以有這樣的尾翼設(shè)計(jì)，一個(gè)重要的原因就是為了避免前翼湍流的不良影響。如果沒(méi)有這樣的下反角，比如降落階段的大迎角(比如)，機(jī)翼的下洗氣流會(huì)影響平尾的俯仰控制。

當(dāng)飛機(jī)機(jī)翼的襟翼放下時(shí)，翼形的相對(duì)弧度增加，機(jī)翼產(chǎn)生的升力更大。F1賽車(chē)的尾翼(下圖)對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)生更大的下壓力。

飛機(jī)通過(guò)前翼改變升力系數(shù)，所以在F1跑車(chē)上，后翼配備了可調(diào)前翼DRS(超車(chē)輔助系統(tǒng))后，當(dāng)F1跑車(chē)準(zhǔn)備在直道超車(chē)時(shí)，DRS啟動(dòng)，前翼與后翼對(duì)齊或視角較小，空氣動(dòng)力產(chǎn)生的地下壓力瞬間減弱，空氣阻力減小，有利于跑車(chē)加速，超越前車(chē)。

F1賽車(chē)的下壓力主要有三個(gè)來(lái)源：：除車(chē)身上部的前翼、后翼外，還有來(lái)自賽車(chē)的底板和擴(kuò)散器。

在F1比賽在2022年頒布新規(guī)并引入“地面效應(yīng)”之前，由于不同年齡、不同車(chē)隊(duì)的跑車(chē)設(shè)計(jì)思路不同，這三種對(duì)下壓力的貢獻(xiàn)率差異很大，比如接近三分之一；大約20%~30%來(lái)自前翼，30%~40%來(lái)自后翼，50%來(lái)自底板和擴(kuò)散器。

隨著F1跑車(chē)規(guī)則在2022年的修訂，F(xiàn)1跑車(chē)進(jìn)入了“地面效應(yīng)”時(shí)代——賽車(chē)底板再下壓“生成”效果更加突出。

一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)1賽車(chē)的底板和擴(kuò)散器大多是“下壓力”。對(duì)于2022年F1大賽新規(guī)發(fā)布前的跑車(chē)來(lái)說(shuō)，在跑道上馳騁時(shí)，高速氣流流過(guò)幾乎完全平坦的跑車(chē)底板。到達(dá)車(chē)尾的擴(kuò)散器時(shí)，氣流會(huì)沿著底盤(pán)和擴(kuò)散器的斜坡方向加速流出，因?yàn)榭颠_(dá)效應(yīng)(也稱為“附壁作用”)，就像一雙看不見(jiàn)的大手不斷從車(chē)底取出氣流。氣流加速“逃離”車(chē)底后，因此，底部形成負(fù)壓區(qū)(或根據(jù)伯努利定律的解釋?zhuān)装逄幍目諝饬魉俑?，壓力更?，進(jìn)而對(duì)跑車(chē)產(chǎn)生向下的壓力，使跑車(chē)能夠進(jìn)一步穩(wěn)定地在地面上馳騁。

擴(kuò)散器（diffuser）這是F1跑車(chē)獲得下壓力的重要來(lái)源，現(xiàn)在它已經(jīng)應(yīng)用于一些性能汽車(chē)甚至民用汽車(chē)。

跑車(chē)也受到風(fēng)和海拔的影響。

就像天上的飛機(jī)一樣，升力會(huì)受到天氣的影響，尤其是風(fēng)的影響?！百N地飛行”的F1跑車(chē)的空氣動(dòng)力性能也受到天氣的關(guān)鍵外部條件的影響。風(fēng)向和風(fēng)速的變化將直接影響F1跑車(chē)的性能和賽車(chē)的操縱體驗(yàn)。

在航空領(lǐng)域，我們會(huì)考慮利用逆風(fēng)來(lái)提升升力，縮短飛機(jī)起飛距離；在圍場(chǎng)內(nèi)，F(xiàn)1跑車(chē)還應(yīng)考慮風(fēng)向或風(fēng)速變化對(duì)跑車(chē)操作的下壓和影響。

對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，逆風(fēng)起航會(huì)產(chǎn)生更大的升力，起飛距離也可以縮短。那么，對(duì)于在逆風(fēng)前提下進(jìn)入彎道的F1跑車(chē)來(lái)說(shuō)，逆風(fēng)也可以帶來(lái)更大的下壓力，所以可以以更快的速度穩(wěn)定地來(lái)到彎道；如果順風(fēng)，下壓會(huì)相對(duì)減小。

同樣，由于空氣密度的降低，飛機(jī)在高海拔地區(qū)的升力也會(huì)降低。當(dāng)墨西哥等高海拔跑道高速行駛時(shí)，F(xiàn)1跑車(chē)也會(huì)遇到“衰減”的壓力。

無(wú)論是航空領(lǐng)域還是F1跑車(chē)上的空氣動(dòng)力學(xué)，其實(shí)都遠(yuǎn)比作者這幾千字所涉及的復(fù)雜！

這些復(fù)雜的因素再次表明，主宰F1賽場(chǎng)的不是別人，而是空氣動(dòng)力學(xué)的“看不見(jiàn)的大手”——F1跑車(chē)，也是世界上最極端使用空氣動(dòng)力學(xué)的跑車(chē)。

隨著F1跑車(chē)規(guī)則在2022年的修訂，F(xiàn)1跑車(chē)進(jìn)入了“地面效應(yīng)”時(shí)代，前翼和后翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能被削弱，賽車(chē)底板成為產(chǎn)生下壓力的絕對(duì)主力軍。

這種新規(guī)則下，空氣動(dòng)力學(xué)又塑造了怎樣的新一代F1跑車(chē)？五一假期過(guò)后，我們繼續(xù)在晨讀中聊天。

排版：陳奕邈

文案 | 策劃 ：鄭宇航

編審 | 制片人：武晨，王蘭

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