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昨天我們談到了讓F1跑車“貼地飛行”的空氣動力學原理，今天繼續(xù)談到空氣動力學如何影響跑車設(shè)計。

下壓和引導前翼氣流

首先，讓我們來看看F1跑車的第一個觸摸前方氣流的前翼。雖然它直接提供的下壓力在整車的比例中并不大，但它的設(shè)計直接關(guān)系到后部零件的空氣動力學效率。因此，這是整個跑車空氣動力學設(shè)計的重要組成部分。

和飛機的機翼一樣，F(xiàn)1賽車的前翼在產(chǎn)生壓力的同時，機翼表面也會產(chǎn)生機翼后渦面，機翼尖端會形成機翼尖端的渦流，氣流也會“上洗”(在機翼對應(yīng)、機翼尖端渦流的影響下，氣流向下傾斜，產(chǎn)生“下洗流”)，影響跑車中后部氣流場的空氣動力學性能和后翼的空氣動力學效率。

無論是前翼還是后翼，以及整車的空氣動力學設(shè)計，目標都是以最小的阻力產(chǎn)生最大的下壓力。

當高速氣流穿過F1賽車的前翼時，如果沒有得到很好的引導，就會撞到輪胎，影響整車中后部的空氣動力學性能。

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

因此，F(xiàn)1跑車前翼的設(shè)計目標之一是更好地引導氣流，使車前的高速氣流能夠流向?qū)ε苘囎钣欣姆较颍热缤ㄟ^增加翼尖板(類似于飛機上的翼尖翼)來引導氣流恰到好處地通過輪胎。

此外，對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。但當超過一定范圍時，會導致氣流分離(即“振動”)，下壓不會增加反而下降，還會導致前翼迎風面積大，增加空氣阻力。

對飛機而言，升力與飛行速度的平方成正比，F(xiàn)1賽車的“負升力”，即下壓力，也是如此。

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

后翼和底板各有千秋

對于F1賽車的后翼來說，前翼、前輪胎、后視鏡、車手頭盔、側(cè)艙和排氣管已經(jīng)影響到車身后部的空氣流動，使得后翼的空氣動力學效率低于前翼。但為了平衡賽車的可操作性，后翼往往會產(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。簡而言之，工程師會對翼型進行特殊的改進。在密集的規(guī)則框架下，他們會尋找最佳的視角、高度和翼型來迎接氣流，并產(chǎn)生既定的下壓力。

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

F-4“鬼”誕生于20世紀50年代末。Ⅱ戰(zhàn)斗機，其全動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，一個重要的原因就是為了避免前翼湍流的不良影響。如果沒有這樣的下反角，比如降落階段的大迎角(比如)，機翼的下洗氣流會影響平尾的俯仰控制。

當飛機機翼的襟翼放下時，翼形的相對弧度增加，機翼產(chǎn)生的升力更大。F1賽車的尾翼(下圖)對應(yīng)的是產(chǎn)生更大的下壓力。

飛機通過前翼改變升力系數(shù)，所以在F1跑車上，后翼配備了可調(diào)前翼DRS(超車輔助系統(tǒng))后，當F1跑車準備在直道超車時，DRS啟動，前翼與后翼對齊或視角較小，空氣動力產(chǎn)生的地下壓力瞬間減弱，空氣阻力減小，有利于跑車加速，超越前車。

F1賽車的下壓力主要有三個來源：：除車身上部的前翼、后翼外，還有來自賽車的底板和擴散器。

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、不同車隊的跑車設(shè)計思路不同，這三種對下壓力的貢獻率差異很大，比如接近三分之一；大約20%~30%來自前翼，30%~40%來自后翼，50%來自底板和擴散器。

隨著F1跑車規(guī)則在2022年的修訂，F(xiàn)1跑車進入了“地面效應(yīng)”時代——賽車底板再下壓“生成”效果更加突出。

一般來說，F(xiàn)1賽車的底板和擴散器大多是“下壓力”。對于2022年F1大賽新規(guī)發(fā)布前的跑車來說，在跑道上馳騁時，高速氣流流過幾乎完全平坦的跑車底板。到達車尾的擴散器時，氣流會沿著底盤和擴散器的斜坡方向加速流出，因為康達效應(yīng)(也稱為“附壁作用”)，就像一雙看不見的大手不斷從車底取出氣流。氣流加速“逃離”車底后，因此，底部形成負壓區(qū)(或根據(jù)伯努利定律的解釋，底板處的空氣流速更高，壓力更低)，進而對跑車產(chǎn)生向下的壓力，使跑車能夠進一步穩(wěn)定地在地面上馳騁。

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

跑車也受到風和海拔的影響。

就像天上的飛機一樣，升力會受到天氣的影響，尤其是風的影響?！百N地飛行”的F1跑車的空氣動力性能也受到天氣的關(guān)鍵外部條件的影響。風向和風速的變化將直接影響F1跑車的性能和賽車的操縱體驗。

在航空領(lǐng)域，我們會考慮利用逆風來提升升力，縮短飛機起飛距離；在圍場內(nèi)，F(xiàn)1跑車還應(yīng)考慮風向或風速變化對跑車操作的下壓和影響。

對于飛機來說，逆風起航會產(chǎn)生更大的升力，起飛距離也可以縮短。那么，對于在逆風前提下進入彎道的F1跑車來說，逆風也可以帶來更大的下壓力，所以可以以更快的速度穩(wěn)定地來到彎道；如果順風，下壓會相對減小。

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

無論是航空領(lǐng)域還是F1跑車上的空氣動力學，其實都遠比作者這幾千字所涉及的復雜！

這些復雜的因素再次表明，主宰F1賽場的不是別人，而是空氣動力學的“看不見的大手”——F1跑車，也是世界上最極端使用空氣動力學的跑車。

隨著F1跑車規(guī)則在2022年的修訂，F(xiàn)1跑車進入了“地面效應(yīng)”時代，前翼和后翼的空氣動力學性能被削弱，賽車底板成為產(chǎn)生下壓力的絕對主力軍。

這種新規(guī)則下，空氣動力學又塑造了怎樣的新一代F1跑車？五一假期過后，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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