想知道F1赛车“越快越稳”的秘密吗?
只要是看过一眼F1比赛的朋友,一定会被赛车独特的外观吸引,这其中包括了我们比较熟悉的前翼和尾翼。近些年F1赛车有了越来越夸张的空套设计,各家F1车队每年都会花重金在空套的研发设计上,这究竟是为何?空套对于赛车的意义何在?
空气动力学作为流体力学的一个重要分支,对汽车的经济性、操纵性、动力性等方面都有很大影响,对F1这样的顶级赛事来说更是研发工作的重中之重。
今天的F1赛事,在赛车的动力单元,包括发动机、涡轮增压器和能量回收系统的研发水平相对稳定的情况下,空气动力学几乎主宰了一辆方程式赛车的全部性能。
F1赛车可在5秒内提速至200km/h,极速可超过350km/h。但F1赛道直道少,弯道多,单纯靠引擎来提高直道上的尾速对F1赛事的意义并不是最大的。我们知道汽车在弯道中都有极限,超过极限就容易出现推头或者甩尾,甚至冲出跑道的情况。如果在弯道中轮胎没有充足的抓地力,即便有再强劲的动力也发挥不出来。为了提高F1赛车的极限,赛车上开始加入了空气动力学套件。
首先我们要对空套(即空气动力学套件,后文都将用空套代指)有一个简单的认识。加入空套的目的就是为了增加赛车的负升力,负升力也就是我们常说的下压力,是相对飞机机翼的升力提出的。飞机机翼是为了给飞机提供升力使飞机能够起飞,而F1赛车上的空套就刚好相反。F1上的空套是为了给赛车提供充足的下压力使其能够紧紧抓住地面,以提高赛车在弯道中的极限,可以让赛车能够以尽可能高的车速通过弯道以提高比赛成绩。
前翼和尾翼中起主要作用的部分是翼片,其产生下压力的原理和飞机翅膀产生升力的原理完全相同,我们可以简单理解为赛车上的翼片就是倒置过来的飞机机翼。根据伯努利定理,流速越大的地方压强越小。赛车翼片的下表面面积大,空气流速快,压强小;上表面面积小,空气流速小,压强大。因此就会对翼片产生向下的合力,也就是我们常说的下压力。
前翼除了能提供部分下压力以外,更重要的作用是整车气流管理的起点。前翼制造的湍流可控制前轮转动产生的乱流,尽可能地将他们向外推开,避免乱流进入车底影响扩散器的气动性能。即便是在转向过程中,前翼也能正常发挥作用。如果没有前翼,前轮形成的乱流会直接撞击后轮,这虽能够减小后轮的阻力,但对车底的气动来说却是灾难。
尾翼:尾翼是安装在车体后侧的气动装置,可提供整车30%的下压力。由于尾翼位置较高,只需要负责产生下压力,因此其结构就相对简单。
在弯道中,尾翼能为高速疾走的赛车提供充足的下压力稳定尾部。但在直道中,尾翼就成了阻力的主要来源。因此,在多弯或较短的赛道中,工程师会将翼片的攻角(可理解为翼片倾斜的角度)尽可能地调大来获取更大的下压力。而在多直道的赛段,如蒙扎赛道(整个赛季中平均车速最高的赛段)中,工程师会将攻角尽可能地调小,来减小高速中的阻力。
在2011年,为了增加比赛中超车的几率,增加比赛的观赏性,国际汽联将DRS系统引入F1赛车中。DRS相当于给尾翼的翼片加入了一套可调节角度的装置。在直道中打开DRS,尾翼翼片的攻角随之调小,空气阻力大幅降低,使赛车在直道上有了更高的尾速,从而增加了超车的几率。
扩散器位于赛车车底,提供了整车40%的下压力。与前翼和尾翼相比,扩散器应用到F1上的时间较晚,但却是F1赛车上最高效的气动装置。与前翼和尾翼的工作方式不同,扩散器在工作时几乎不产生阻力。
赛车底部的高速气流在流经扩散器时,气流由于康达效应会顺着扩散器斜面流动,扩散器部分形成真空区,如同一个抽气泵疯狂地抽出车底部的空气,使底部形成负压区,从而产生巨大的下压力。
不过,扩散器也有它的缺陷。扩散器对赛车底盘和地面之间的距离要求很高,细微的距离变化就会对整车下压力有很大影响。理论上来看,扩散器越低越好,可底盘一旦接触地面后,切断通过扩散器的气流,底部的负压随即消失,扩散器会立刻失效。严重的情况下赛车可能失控,后果不堪设想。
空套给赛车提供的下压力会随着车速的增加发生指数倍的增长,车速越快,下压力越大,赛车也就越稳。在极速状态下,好的空套最多可为赛车提供接近3.6倍赛车自重的下压力,如此极限的下压力保证了四个车轮可以紧紧抓住地面,充分发挥赛车的性能。所以有人说F1赛车在极速状态下可以贴着天花板行驶,也是有理有据的。
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