F1赛车驶上赛道的力量: 地面效应与底盘空气动力学

地面效应就像一只看不见的手套,它不是把F1赛车从地面托起,而是把赛车吸附进赛道之中,由此产生的下压力可以数倍于车辆自身的重量.
地面效应就像一只看不见的手套,它不是把F1赛车从地面托起,而是把赛车吸附进赛道之中,由此产生的下压力可以数倍于车辆自身的重量.

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地面效应是一种空气动力学现象,它将F1赛车的底部车身变成一个巨大的倒置机翼,从而将赛车"吸附"在赛道上.空气快速流过车底狭窄的通道时,气压下降,赛车不是被向上推,而是被吸向赛道深处.正因如此,F1赛车以300 km/s过弯时是压向路面而不是撞向护栏:这种向下的力可以达到赛车自身重力的数倍.

亮点

  • 1977年 Lotus 78成为Formula 1历史上第一辆地面效应赛车.
  • Lotus 79, 1978年带来了首个依靠地面效应赢得的总冠军.
  • 地面效应 于1983年因平底规则被禁止,因平底规则被禁止, 于2022年随Venturi隧道回归.随Venturi隧道回归.
  • 2022年之后的赛车中,下压力约 60% 来自车底而非翼片.
  • 这场革命并非没有代价:高速下的 porpoising 即"海豚跳"问题始终如影随形.

什么是地面效应,它如何工作?一个与飞机相反的故事

这样想:飞机机翼加速流过其上方的空气,下方的空气将其抬升.工程师们有一天问"如果把它反过来呢?"于是F1历史上最伟大的构想之一诞生了.倒置的翼型在车底制造出一个低压区;上方正常的大气压则将赛车向下,也就是压向路面.我们称之为下压力,赛车速度越快,这个力就越大.

背后运作的物理原理 伯努利原理:空气流速越快,压力越低.地面效应的诀窍在于贴近地面.赛车越接近路面,车底进气间隙就越窄,空气流速更快,压力更低.也就是说,这种效应与贴近路面程度不成比例地放大.就像拖动壁炉刷时会吸入灰尘一样——通道越窄,吸力越强.

你知道地面效应相对于翼片最大的优势是什么吗? 阻力非常小. 翼片在产生下压力的同时也带来空气阻力;而底板通道几乎免费地提供强大力量.甚至 Lotus 78的最高速度也有所提升,因为增加的过弯速度并不会转化为直道上的速度损失.

Lotus时代:F1如何改变?从78到79的革命

构想的诞生:从Can-Am到de Havilland

这个想法其实并非全新的. 1960年代 宽车身的Can-Am跑车已经在利用类似的效应.但人们认为这在开轮式、窄车身的单座F1赛车上行不通.Peter Wright和Tony Rudd在1960年代末曾在BRM的风洞中测试过这个概念;项目随后被搁置.正是在此时,Colin Chapman登上了舞台.

Chapman 在 1976年初研究安装在名为de Havilland Mosquito的战斗机机翼上的散热器时灵光一闪:如果将系统倒置,就能获得可观的下压力.他据此撰写了一份27页的技术文档,倒计时开始了.

Lotus 78:无人能破解的黑盒子

Lotus 78 1977'de阿根廷大奖赛上踏入F1,并在同赛季的美国大奖赛西站(长滩)取得首胜.赛车侧浮箱底部被塑造成倒置的翼型;底面与路面之间的密封先由毛刷、后由实心尼龙滑动裙边提供.那个赛季对手们没能破解这辆车的秘密;查普曼的车队为了掩盖真正原因也编出了各种不同的解释.而且这个赛季并不乏味:马里奥·安德雷蒂拿下四场胜利和六个杆位,但五次引擎故障烧毁了冠军梦想——最终把奖杯拱手让给了没有地面效应的法拉利车手劳达.

驾驶这辆车,仿佛就像被涂在路上一样.
马里奥·安德雷蒂谈Lotus 78

Lotus 79:地面效应的首位冠军

然后,这件事最甜美的部分来了. Lotus 79 1978年比利时大奖赛上(佐尔德)亮相,安德雷蒂既拿下杆位又赢得比赛.这个赛季赤裸裸地展现了Lotus远超同级对手的实力:六场胜利,四次1-2完赛,安德雷蒂夺得车手总冠军,Lotus则以58分的优势领先对手法拉利获得车队总冠军.这是自梅赛德斯1955年的统治以来最成功的一个单赛季.只留下一个黑暗的注脚:罗尼·彼得森在1978年意大利大奖赛的事故后因治疗并发症去世,以落后安德雷蒂13分的成绩结束了赛季.

车底下发生了什么?文丘里管道、扩散器和尾翼

Ön kanat görünüşte downforce üretir ama asıl işi arkadaki her bileşene temiz hava ulaştıran tüm aracı bir kanal gibi tasarlamaktır.

把Lotus 78/79上的通道布局想象成一根管道:狭窄的入口,中间有一个"喉部",后轮前方的扩散器处突然扩张.空气通过狭窄部分时加速,压力降低;扩张部分则将气流重新恢复.由于裙边阻止空气从两侧逃逸,这种低压得以覆盖底部的整个宽度.这套装置在弯中下压力上带来了约 %15 的优势——对手们无法理解的正是这一点.

那么尾翼在做什么?前翼产生总下压力的约 %25-30 ,但它的主要任务更为深层:整理赛车其余部分将要面对的气流.只关注尾翼会产生误导,因为现代F1空气动力学是将整辆赛车设计成一个整体的通道系统.扩散器位于后轴后方,是底部少数允许进行造型的部分之一,是为底部气流做好出口准备的门户.还有一个关键细节:扩散器是近距离跟车时可能损失多达 %70 下压力的最脆弱部件——当前车进入脏空气中时,它最先失效.

即使是Gurney襟翼这样的小细节也能带来差别:研究表明襟翼使下压力提升约 %24 ,而风阻仅有限增加.地面效应还与机械抓地力协同工作;两者共同同时改善加速、制动和弯道速度.F1赛车能以高达4G的离心力过弯的秘密,主要不在于轮胎,而在于这种空气动力学压力.

特性地面效应(底板)翼片
下压力来源底板和文丘里管道前翼/尾翼
空气阻力代价较低相对较高
效率更高效效率较低
贡献相当2022年后下压力的约%60前翼占总量的约%25-30
弱点对贴地高度极度敏感(海豚跳)前方车辆的乱流

F1赛车为什么会跳?零基础讲解海豚跳

这就是地面效应的电影反派角色: porpoising,也就是海豚跳.它的名字来源于海豚像跃出水面般的弹跳,机制很简单:当赛车底板前缘越来越接近路面时,下压力随之增大,这个力压缩悬挂,使底板贴近到几乎接触路面,接近地面接触时低压区消失,赛车便抬起 - 随后下压力重新形成,循环再次开始.在高速下,这种震荡会让人眼睁睁看着车头弹跳.问题的根源在于空气动力学载荷对赛车离地间隙(ride height)的微小变化极度敏感.

在2022赛季 ,多辆赛车都在与这一现象搏斗,各车队采取了不同的办法:比如让赛车以更高的离地间隙和更软的悬挂行驶,或者干脆让悬挂自身去吸收震荡.听起来简单,但每种方案都有各自的代价 - 跑得高的赛车会损失地面效应的效率.正因如此,地面效应既是工程师的掌上明珠,也可能是他们的梦魇.

1983年的禁令与2022年的回归:规则如何改变赛车的性格?

侧裙与路面之间那种神奇的密封性同时也是危险的来源:一旦侧裙碰到路肩,吸附力会瞬间消失,赛车会突然失去对地面的下压力.FIA采取了严厉的措施: 1983年,通过平底(flat-bottom)规则禁止了地面效应.各车队重新开始在翼片上寻找下压力,赛车的性格也随之改变.

但故事并没有结束. 2022年规则改革 - 原本为2021年设计、因疫情推迟一年的整套方案 - 目标是更贴近的比赛和更激烈的竞争,同时将地面效应重新引入赛车.新底板上的两条通道引导并加速气流,从而制造低压区域:也就是现代的 文丘里管道.那么区别何在,自1978年以来到底变了什么?旧式侧裙赛车依靠与路面表面的物理接触来实现密封;而2022年赛车的管道气流则完全在车身内部运作,无需任何接触.结果可以这样概括:2022年及以后,赛车下压力的约 %60 并非来自翼片,而是来自底板和文丘里管道.这是数十年来最重大的设计革命,而在新时代的首批赛车中, AMR22正是正式宣告地面效应回归的赛车之一.

那么回归完美吗?不.2022-2025地面效应时期被以两种不同的眼光看待:一方面是"最全面、系统性撰写的规则集"的赞誉,另一方面则是"未能达到预期,管理层阻碍了必要的修正"的批评.这个时期在赛道上被红牛、随后是迈凯伦的统治所标记,而在其尾声开启了更为激烈的争论:文丘里通道的取消,被解读为地面效应时代的实际终结. 2026 的规则将赛车带到部分平坦的、效率较低的车底,配备三元件尾翼,并取消了底部横梁翼.当然,地面效应并不会完全消失——关于通过扩散器周围的空气动力学方案来弥补车底损失的力的研究仍在继续.

总结一下:为什么F1赛车能高速过弯?

答案不是一个词,但可以浓缩为一句话:因为赛车不仅仅是行驶在路上,而是被压在 路面之上.前翼和后翼管理着气流,车底下的通道产生数千公斤级的压力差;这个力传递到轮胎,而轮胎则完成了你交给它们的任务.1977年莲花车队在风洞中萌生的想法,1978年的冠军,1983年的禁令,2022年的华丽回归,以及2026年对新平衡的探索——F1的技术史其实一直在寻找同一个问题的答案:如何更好地贴附在路面上?下一次当你观看F1比赛,看到一辆赛车在弯道极限处毫无侧滑地滑过时,你已经知道底下发生了什么.而且我认为,这将让你用完全不同的眼光看待同一个弯道.

参考资料