掌握空气等于掌握了F1？从赛车设计看空气动力学

　　新浪体育讯　当你站在白云机场边，看到奔向空中的飞机，是否想过是什么让这巨大的机器翱翔于天际。空气的力量，那看似柔弱的空气的力量。

　　空气动力学除了在航空器件中应用，汽车是另一个可以施展的领域。飞机中我们时常提到一个词汇是升力(Lift)，在汽车中我们需要介绍另一个东西叫做负升力(Negative Lift)或者下压力(Downforce)。

　　我们将一辆性能非常好的超级跑车、印第赛车或者方程式赛车倒过来，让轮子贴着天花板。如果这些车的速度足够高，并且天花板足够长的话，它们可以克服重力，贴在天花板上飞驰，这就是空气产生的下压力的效果。轻柔的空气是如何具有力量的呢？

　　我想每个人都对空气有一些感性的认识。当你坐在疾驰的汽车中，将手伸出车外(当然法规上不建议这样做)，试着将手与迎风方向的角度不断调整，你会感觉到空气的升力和下压力。在读流体力学的时候，我的教授曾经为我们做过这样一个试验。找一张A4尺寸(297X210毫米)的纸，用食指和拇指捏着两个长边，让短边贴着自己的嘴唇，此时纸是自然垂下去的，如果对着纸的上表面吹气，会发现纸飘起来了。很显然是空气在对抗重力。如果将这个原理反向应用于跑车和赛车，空气会将汽车紧紧压在地面上，给汽车足够的抓地力。

　　这个飘起来的A4纸的原理研究从亚里斯多德(公元前384-322年)就开始了。亚里斯多德提出一个运动的物体在它的前方会产生真空，这是物体继续运动下去的原因。我们现在知道这样的解释是不正确的。1726年，牛顿提出了一些似是而非的观点，空气和液体对运动于其中的物体产生影响，这种影响主要与流速和流体的密度有关。这已经很接近现在的理论。不过牛顿最终没有将那个模糊的观点深入研究下去，而是将经典的牛顿力学理论来解释空气与物体。

　　如我在下图所绘出的一样，从初等物理的角度来看，没有什么不妥之处，但是始终试验与理论的计算没有办法完全吻合。150年之后英国科学家瑞利(JWS.Rayleigh)爵士用水来模拟空气，发现牛顿的观点存在巨大问题。

　　1907年，俄罗斯科学家Joukowski发现流体中的物体受到的力不但与流体的速度而且也与物体表面的长度有关。1903年，莱特兄弟的飞机是对Joukowski理论的很好的检验。

　　其实早在1738年，伯努利就已经暗示了压强与流速之间有直接的关系，1755年欧拉建立了完整的伯努利方程，这个方程的表述为。

　　P＋1/2ρv2＝常数(公式中P是压强ρ是流体密度v是流体速度)

　　伯努利的这套原理第一次应用于汽车上应该是化油器的喉管如何利用低压强将燃油从油室吸出来。我们再回到最初的A4纸，由于用空气吹纸的上表面，上部流速快，压强低，上下的压力差在对抗重力。

　　这些空气动力学的基本原理有助于我们理解赛车的外形设计。赛车是一个追求速度的游戏，F1、印第、F3000和F3这些高速玩具都在应用下压力来提高自己的性能。由于这些赛事不是在一个直线的赛道上比赛，直线速度不是决定胜负的唯一法宝，过弯速度(由下压力决定)往往更受关注。

　　第一个带有下压力组件的赛车是瑞士人Michael May与1956年在保时捷550上改装的。在坐舱的顶上，May支了一个架子，架子上安置了反机翼形状的扰流件。这个扰流件的倾斜角度为-3度和17度。我们用下面的图来看，它是如何工作的。

　　由于May设计的扰流翼板下部的长度比上部长，所以流经下部的流体速度比较快，压强比较小，透过扰流翼板，空气产生了一个明显的下压力。May的设计非常成功，同级别的赛车没有办法与之抗衡，最终导致著名的Nurburgring赛道和Monza赛道都拒绝这样设计的赛车出赛。这款改装过的保时捷550没有真正参加过比赛，这不能不说是一种遗憾。

　　1968年在F1历史上是难忘的一年。不仅仅是因为伟大的天才车手杰姆o克拉克在德国霍肯汉姆举行的一场二级方程式比赛中不幸意外丧生这一悲剧；也不仅仅是因为四轮驱动F1赛车的尝试遭遇全面挫折；更不是因为F1赛车上首次贴上了赞助商的标签。之所以难忘是人们终于开始意识到空气动力学理论在赛车车身设计上的重要性，F1赛车车身上首次出现了扰流翼板--这是一个划时代的尝试、从此，F1步入了空气动力学时代。于是有人开始信奉"谁掌握了空气，谁就掌握了F1"。

　　扰流翼板在F1上的应用来得太猛了一些。一开始，扰流翼板还只是前后车身上的小小的凸起。但仅仅过了几个星期，工程师们就已经开始在车身上装置巨大的、突出车身许多的前翼和尾翼了。可惜的是，那个年代科技的发展还无法让工程师计算出翼板究竟给赛车带来多大的影响，而且翼板普遍装配得不够结实，高速下很容易折断，而这种情况一旦发生将会非常危险。

　　1969年，F1赛车设计得像火鸡的腿一样，扰流翼板的层数不断增多，高度不断提升，悲剧看来在所难免。西班牙巴塞罗那Montjuich赛道上两次严重的事故，使CSI(国际汽联主管赛事部门)得不痛下决心禁止F1赛车车身上出现任何扰流翼板。在那次事故中，两辆莲花赛车的尾翼先后脱落，险些造成重大人员伤亡。

　　扰流翼板本来应该全面禁止，但是一系列争执之后CSI做出了让步。扰流翼板没有完全取消，但是，对其非常严格限制，限制的内容包括尺寸、布置位置、强度以及连接等等。

　　表面的扰流翼板被限制了，赛车设计师开始想其他的办法来对抗，随后抽气机组件、地面效应组件开始出现，下压力还会继续提升，空气、设计师和FIA的游戏没有终止，悲剧也许也没有终结。(新浪特约F1观察员于明组稿王洪浩文)