「F1小学堂」由佩雷兹失速事件浅谈空气动力学-前翼

「F1小学堂」由佩雷兹失速事件浅谈空气动力学-前翼

首页体育竞技瞬间阻力赛车更新时间:2024-06-03

电光火石之间, 佩雷兹的左前轮与阿尔本的右后轮轻微擦碰,阿尔本的红牛被顶到差点再度上演奥地利大奖赛即视感,但佩雷兹却损失更重,拖着受创的鼻翼,他在一圈半之间将之前领先后面集团的十几秒优势全部化为乌有,让迈凯伦车手兰多·诺里斯上演了精彩的两圈超三车,非常勉强地守住第6位。

看到这边,各位读者会不会觉得奇怪,到底为什么前翼一损伤,F1赛车的速度会一口气掉这么多?

有经验的车迷们一定能立刻回答:因为赛车的流体力学被破坏、气流没办法顺利流过赛车、车子的下压力会丧失很多、乱流会大大增加赛车的阻力……等等。如果你能顺利回答出以上这些答案,那么恭喜,你是看门道的车迷了。如果不行,那也没关系,且听笔者细细说来,到底F1赛车的”空气动力学”(Aerodynamic),是个什么样的奇妙玩意儿~


在解释空气动力学之前,我们先谈谈一些必需的物理学知识。

(一)气压

首先,气体是由一个一个小小的气体分子所组成,气体分子密度越大,则其压力越大。各位可以想像一颗篮球,刚买来时他是扁的,而随着你把气体打入球内,裡面这个狭小空间积累了越来越多的气体分子,使得球内的气体压力不断提升,最终撑起球皮,成了一颗圆滚滚的篮球。

(二)文丘里效应/文式效应

再来必须提到文丘里效应,这个效应是指,当流体流动时,一旦进入空间较狭窄的瓶颈管道,流体的压力会降低。又因为流体会迅速从高压处往低压处移动,所以压力降低的同时,流速也会增快。文邹邹的讲大家恐怕不懂,举个实际点的例子,大家如果有用橡胶管接龙头洒水过,当你用力挤出水口,让管径变小,水流就会瞬间变快,也能喷得更远。如果这样还是不能明白,大家先张嘴哈气在手,再以相同的力道嘟嘴吹气在手,就能清楚感受到文式效应了~

(三)牛顿第三运动定律/作用力与反作用力

我想这点应该不需要多提了,女朋友打你一巴掌,她的手上跟你的脸上是一样痛的(理论上,本实验需在专业控制环境下进行,没有适当防护不可轻易尝试)。

介绍了一些基础定理,接着我们开始进入空气动力学。上图是一个赛车翼片的侧面图。为什么翼片会是向上倾而不是向下斜呢?

这是因为赛车如果要高速于赛道中奔驰,需要的是强大的下压力,若是我们强行让空气向上流动,根据牛顿第三运动定律,则空气会给予相同力道的反作用力,而这正是下压力的由来。相对的,飞机机翼就是向下倾斜,因为飞机所需要的是升力,各位下次如果有搭飞机不妨可以注意一下。

好的,那向上偏斜的翼片会造成什么结果呢?

首先,从翼片上方通过的气流,因为是顺水推舟,并不会受到太多阻碍,因此气流的速度不会和原先差太多。然而,走下方的气体就不同了,由于受到挤压,根据文式定理,气体的流速会加快。至于翼片下方的气体为什么会跟着往上转,而不会直射而出呢?

我们先假设气体直射而出,此举会造成翼片的下方产生了一块几近真空的低压区,根据气体由高压往低压区流动的定律,翼片下方的气体自然会跟着往上转弯。

然而,若是翼片向上倾斜的攻角过大,导致翼片下方平射而出的气流力量胜过气流往低压区流动的力量,此举就会造成翼片上下方的气流分离,进而对下压力的产生造成负面影响,同等换到飞机飞行上就是失速。解决这个问题最直观的方法就是降低翼片攻角,但有时赛车所需的下压力可能大于产生气体分离时所用的翼片攻角,这样的问题又该如何解决呢?

答案就是涡流。所谓涡流,就是一股不停打转的气流,其效应就是让直线前进的气流能紧贴其行,同时产生壁垒的效果,让涡流以外的空气无法突破这层防护。至于涡流如何产生,就让我们进入今天的正题-赛车前翼。


上图是一张Racing Point赛车的前鼻翼,我们如果放大其中一片可以知道,翼片上方的空气是流速较慢,且气压较大的,而翼片下方是流速较快,且压力较小的,因此,上方的高压气体会不断地想往下方的低压区域跑,于是会在前翼的尖端产生气体的旋转,进而产生涡流。每一片前鼻翼,都能合并产生力量更强大的涡流,进而产生引导气流紧贴赛车表面的作用。

为什么让气流紧贴赛车表面流动是件相当关键的事呢?

若是赛车放任空气自己自由乱跑,那当车辆穿过气流时,空气自然而然地会往四周散开。这就会在赛车后方产生一大块极低气压的真空区块,根据气流由高压往低压流动的定理,这就会对赛车造成相当严重的阻力,进而影响赛车的速度。

受损的佩雷兹

说了这么多,我们再回过头来看看佩雷兹当时那受损的鼻翼。由上述的说明可以知道,这样状态下的鼻翼,是不可能产生足以搭配车上其他空力套件的涡流,也完全无法引导气流流向他们应该去的地方。也因此,不但鼻翼、尾翼都无法产生足够的下压力,连车身前后的压力差也会造成极大的阻力。对于一辆设计精密的F1赛车,这无疑对整台车的流体力学挥上一记重拳,也为甚么在短短那一圈半之间,佩雷兹能够败掉那十多秒的差距。

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