電影《F1：狂飆飛車》自上映后好評如潮。當布拉德·皮特駕駛著F1賽車在賽道上飛馳，大量第一視角鏡頭讓觀眾體驗到了時速300千米的狂飆快感。驚險的超車瞬間、車禍和起火事故，讓人腎上腺素飆升。

影片細節(jié)詳實準確，車手在賽道上“打開尾翼然后嗖地一下飛出去”的操作，與同伴、車隊技術(shù)人員的配合與拆臺，甚至車禍都有真實原型。

電影中賽車沖出賽道引發(fā)大火（上圖），與格羅斯讓當年的嚴重事故幾乎如出一轍（下圖）

這些細節(jié)背后，都離不開空氣動力學(xué)這門學(xué)科。

“臟空氣”，F(xiàn)1賽車的隱形敵人

電影里，布拉德·皮特飾演的桑尼·海耶斯準備超越前車時，賽車開始顛簸。他大罵“我們的車太差了”“車在dirty air里晃得厲害”，賽場旁的技術(shù)總監(jiān)無奈地把臉埋進手里。

這“臟空氣”究竟是什么？

它也叫“擾流”，是F1賽車高速行駛時，車身后方產(chǎn)生的紊亂氣流。賽車以近300公里/小時的速度前進，就像巨大攪拌器，把身后空氣攪亂，原本平穩(wěn)的層流變成雜亂的亂流。

車尾亂流丨上圖來自supermoto8

對于后車來說，“臟空氣”是噩夢。賽車的空氣動力學(xué)設(shè)計受干擾，難以控制，抓地力下降，就像飛機飛入亂流會顛簸。

F1賽車近似于“地面上駕駛的飛機”。

飛機起飛前滑行，動力系統(tǒng)與飛行時相同，但速度低，空氣動力設(shè)計難起作用，靠發(fā)動機推進。進入跑道加速，空氣動力開始發(fā)揮作用，速度越快，升力越強。

圖片來自Anirudh Singh

F1賽車極速接近300km/h，空氣動力影響大，更像貼地飛行的“地效飛行器”，不過賽車追求下壓力，與飛行器相反。

地效翼船（eworldship.com）與F1賽車模型（PERRINN團隊）

工程師用“多自由度”系統(tǒng)描述賽車在氣流中的狀態(tài)。F1賽車像有6個方向可動的物體，能前后、左右、上下移動，還能前后俯仰、左右側(cè)傾和水平旋轉(zhuǎn)。

賽車前后俯仰和左右傾側(cè)的示意圖

“臟空氣”干擾賽車的“自由度”運動，使后車下壓力下降，難以駕馭，失去平衡。

利用空氣動力學(xué)，讓車更快更穩(wěn)

電影中，技術(shù)團隊對車輛進行空氣動力學(xué)優(yōu)化，增強了下壓力和穩(wěn)定性。

引擎相差不大時，提升下壓力（抓地力），能更高效傳遞動力，提升賽車牽引力，讓車跑得更快。

賽車有6自由度，這是其中XYZ方向的示意圖

讓賽車更快，除增強動力，還需減小阻力，包括風阻。

風阻越小越好嗎？

通過空氣動力學(xué)設(shè)計，風阻可轉(zhuǎn)化為下壓力“壓住”賽車。但風阻變小，下壓力也可能變小。

所以要改進設(shè)計，用小的風阻帶來大的下壓力，提高賽車空氣動力效率。

精心設(shè)計的前翼與尾翼，可在車輛前后軸建立向下的氣動壓力區(qū)域，提升抓地力，直道彎道都出色。

尾翼設(shè)計更關(guān)鍵。F1賽車后輪驅(qū)動，后輪抓地力影響動力釋放。尾翼與飛機機翼相反設(shè)計，使空氣形成向下壓力。電影中尾翼有顯著攻角，增強下壓力，提高后輪抓地力。

F1賽車需要利用空氣得到下壓力丨Cleo Abram

真實F1歷史上，蓮花公司創(chuàng)始人科林·查普曼最早將空氣動力學(xué)用于F1比賽。1968年為Lotus 49B加入尾翼，助格拉漢姆希爾奪冠，開啟F1空力時代。1978年發(fā)現(xiàn)地面效應(yīng)，Lotus 79助馬里奧·安得雷蒂獲F1總冠軍。如今各車隊空氣動力學(xué)調(diào)教有別，但原則相同。

Lotus 49B

電影中凱莉·抗頓飾演的女主角凱特·麥肯娜，集車隊技術(shù)總監(jiān)等多種角色于一體，通過風洞測試找到賽車最優(yōu)空力調(diào)教，并指導(dǎo)應(yīng)用于比賽。

調(diào)節(jié)尾翼，減阻加速

電影男二號約書亞·皮爾斯（JP）超車前，將前傾尾翼調(diào)成水平，啟動“可調(diào)尾翼”系統(tǒng)DRS（減阻系統(tǒng)）。

尾翼攻角越大，下壓力越強，超車時為何“關(guān)閉尾翼”？

這體現(xiàn)了F1空氣動力學(xué)的精密性。前車擾流使后車尾翼受不均勻沖擊，產(chǎn)生氣動震蕩，尾翼無法有效產(chǎn)生下壓力，還削弱后輪抓地力。

為擺脫困境，車手超車時開啟DRS，讓尾翼上層翼片變水平，減小攻角，減少風阻，讓賽車直線加速，創(chuàng)造超車機會。

DRS減阻系統(tǒng)示意丨Cleo Abram@youtube

尾翼貢獻的下壓力只占總下壓力的17%左右，前翼（23%）和車身底部（60%）是主要來源。短時間“關(guān)閉”尾翼對賽車穩(wěn)定性影響有限，能帶來速度優(yōu)勢，實現(xiàn)超車。

賽車氣動下壓力分布圖

令人驚嘆的“尾流加速”

電影中“桑尼”與“約書亞”比賽末尾的“尾流加速”令人血脈賁張。這種超車方式雖不常見，但原理成立。

前面提到“擾流”，若后車與前車距離近，時機和位置精準，可進入前車尾流的“低壓區(qū)”，像被前車“吸”著跑。

跟車氣壓分布云圖丨h(huán)ttps://www.zhihu.com/question/473520737/answer/2075219233

此時后車前方空氣阻力降低，前車已“推開”大部分空氣。同時，車頭車尾氣壓差縮小，氣動壓差阻力減小。

“破風”和“低壓區(qū)吸附”使后車短時間獲得額外加速度，提升極速。電影中桑尼帶出尾流，約書亞緊貼其后，隨后桑尼閃開，約書亞沖刺超車，完美呈現(xiàn)“尾流加速”原理。

電影中的精彩瞬間表明，F(xiàn)1賽車不僅是速度比拼，更是空氣動力學(xué)與工程智慧的較量。其每個細節(jié)都凝聚著頂尖智慧。

下次看F1比賽或重溫電影，你或許能看出更多門道。

作者：魚有吉 Timo

編輯：Luna

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