遵循空气动力学 方程式赛车的贴地飞行

赛场上经常能够看到这样一个画面：平均时速250公里的F1赛车弯道超车时候总是紧贴地面呼啸而过。要知道，普通车辆到达这个速度的时候，任何外界力细小的波动都是致命的，就好比时速1028公里的波音747突然撞上一只小鸟所引发的蝴蝶效应，F1赛车是如何解决这个问题的，本篇将从方程式赛车遵循空气动力学的外观设计上简单地给大家聊聊!

　　车辆在高速时候最容易受到的外界影响当属侧向力了——即外界作用在车轮上的力，为了规避侧向力，使赛车在高速行驶时能够稳扎稳打，工程师想到办法就是增加车轮与地面的贴合度——设法提高空气作用到车身上的压紧力。

　　如何设计车身形状，充分利用空气动力学原理，使得能够承托一辆重618吨的空中大巴一飞冲天的气流同样也能够将一辆平均时速为250公里的F1方程式赛车牢牢地压紧在地面上，成为赛车设计师们的一个重要命题。

　　顾名思义，下压力和上升力是一对反义词，产生下压力的原理就是通过改变前分流器、前翼、尾翼甚至是整个车身的形状使得车辆的上部和下部出现一个压强差，当上部分压强作用在车身上的压力加上车辆本身的重量小于下部分压强作用在车辆底部压力的时候，车辆就飞起来了;相反，大于下部分压强作用在车辆底部压力的时候，车辆就实现了贴地，并且上下的压力差越大，贴地力也越大。

　　对于F1方程式赛车，因气压差产生的下压力能够到达1000磅。可问题是，下压力并非越大越好，巨大的下压力会造成空气动力拖拽现象，使得车辆速度有所下降，而这个恰恰和赛车赢为先的宗旨相违背，如何在保证赛车行驶的稳定性以及可操控性前提下降低因过大的下压力造成的空气动力损失，也是赛车设计师们着手的重要命题。

　　据伯努利原理，随着流体速度的增加，流体周围的压强将会降低，生活中比较常见的例子就是往两张相对布置白纸中间空隙吹气的时候两张白纸不会弹开反而会结合到一起，这是因为中间间隙流体的速度比外围快，使得中间间隙的压强低于外围压强所引发的有趣现象。同样原理，工程师要保证赛车底部的压强低于顶部压强产生很好的下压力的话，就要使得底部流体的流速高于顶部流体流速才行。

　　大家可能觉得，要达到这个效果把赛车车身做成倒机翼形状就好了，可是由于地面影响赛车行驶的因素往往非常复杂(弯道、过坎等)，且根据F1赛制规定，赛车底部必须做成平底状，所以这种倒机翼形状的设计不大现实。工程师在保证赛车底部足够平整的前提下，会通过前后加装扩张器来达到使底部流体快速通过的效果。

　　对扩张器的设计也是一门学问，主要从扩张器离去角、离地间隙、扩张器档隔板密度以及排气管热风导向四个方面进行考虑。

　　扩张器离去角决定了流经赛车底部的流体将会以一种怎样的姿态离开，离去角的角度越大，流体的速度越快，周围的压强差也就越大，可是这个角度并非设计得越大越好，过大的离去角会使得流体会在车辆尾部行成紊流产生一个拖拽车辆的力，不利于赛车的正常表现。工程师在决定离去角度大小的时候只能进行折中。

　　赛车往往设计成前低后高的俯冲状，这样做的目的不是为了保证刹车的稳定性(当然，可能也会有影响)，而是这种设计本身就使得整个车身呈现出一个大扩张器的作用，前后离地高度差越大，作用越明显。可是话又说回来了，随着赛车尾部离地间隙的扩张，空腔也逐渐扩大，这时候尾部很容易受到两边的侧向力影响。工程师在做离地间隙的设计的时候也是需要折中处理的。

　　扩张器的档隔板是分流底部流体的重要器具，档隔板的密度同样会影响流体流动的速度，这就好比深圳去香港过海关的时候，如果只有一个大门的话，每个人都争抢着过关，最终结果就是大家都过不了关。要是过关门设计得过于频繁，对人力物力成本本身又造成了一种浪费。同样，档隔板密度过低的话，流体之间相互制约，形成紊流，反之，档隔板本身也占据一定的空间，也会阻碍流体的运动。

　　赛车排气管布置在尾部扩张器附近，根据热胀冷缩原理，从排气管出来的热风处理不好的话会阻碍底部流体的流动。工程师非常巧妙地弄出一遭反客为主，把从排气管出来的热风引至贴合车轮导出(图中红色部分)，相当于装了一堵无形的墙，外面的侧风进不来，里面的流体出不去。

　　总结：对赛车的设计不只是上面所提到的，还有尾翼、驾驶舱、前导板等等。其宗旨都只有一个——让赛车更快地到达终点线。窃以为，工程师在设计这些的时候除了保证气流能够快速无摩擦地贴合车身通过外，如果能让流体在赛车尾部形成一个助推力，让赛车跑得更快的话，那当真是极好的。