前60英尺: 决定直线加速赛胜负的起步物理学

在前18米中争取到的0.1秒,到终点线时对车手而言就不再是半米的差距,而是整整一个车位的差距.
在前18米中争取到的0.1秒,到终点线时对车手而言就不再是半米的差距,而是整整一个车位的差距.

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直线加速赛的前60英尺,也就是起步线后约18米,是决定四分之一英里成绩最关键的路段:发动机的动力在这段距离传递到轮胎上,悬架将重量压向后轮,而wheelie bar则控制车头抬起.起步管理得当的车辆,在剩余的390米中不是追赶对手,而是拉开差距.那么在这短短几秒钟里,究竟发生了什么?我们一步步来看.

重点提示

  • 60英尺用时中 0.1秒的 改善,大致会体现为四分之一英里ET减少 0.2秒 的效果
  • 在直线加速赛道上,热熔胎的摩擦系数 可超过1.25-1.30 而街胎大约保持在0.8左右
  • Top Fuel赛车以约 11000马力 在3.6秒内跑完1000英尺
  • 正确的胎压和起步转速设置,仅凭自身就能将60英尺用时改善 超过0.1秒 缩短

为什么前60英尺决定整场比赛?

直线加速赛其实不是速度比赛,而是加速度比赛.获胜的并不是在四分之一英里终点达到最高车速的车辆,而是在最短时间内抵达终点线的车辆.其中的数学原理是牛顿第二定律:F=ma.发动机产生的力通过轮胎对赛道的抓地力传递到车辆的质量上.当力恒定时,质量越小,加速度越大;但如果轮胎抓不住这个力,公式就只是纸上谈兵.

这就是60英尺用时如此重要的原因.这个时间是指车辆从起步线出发,直到通过60英尺(约18米)末端的灯所经历的时间.起步时一切都处于最困难的状态:轮胎遭遇冷冲击,发动机要求几乎全部的动力,而车辆的重量还没有落在正确的位置.前18米跑得糟糕的车辆,无法完全弥补损失的那段加速度.

赛道一侧也是关键因素.赛前,工作人员会在起跑段涂上特殊的增摩擦化合物;车辆进行的烧胎动作也会在赛道上留下轮胎橡胶.抓地力高到据说在起步线行走时,鞋底可能粘在地面上.用一条低抓地力的轮胎开上这种路面,就像在冰上滑冰.

动力传递瞬间:离合器、扭矩变换器和Transbrake

起步的核心,是发动机将动力传递到车轮的那一瞬间.在手动挡车辆上,这要靠离合器来完成:挂一挡踩住离合器,拉高转速,然后在恰当时机松开离合.要实现完美起步,转速、离合器的接合速度和轮胎抓地力必须同时平衡——这比想象中难得多,保证只有通过反复尝试才能获得.

在自动变速箱的车辆中,工作由液力变矩器承担.起步时扭矩倍增器介入,放大传递到发动机的扭矩并输出到驱动轮;而在巡航速度下,锁止活塞压紧,实现1:1的机械效率.变矩器内部包含泵轮、涡轮和锁止离合器;也就是说,它远不止是一个起步离合器.在大功率配置中,离合器片会采用陶瓷或凯夫拉等先进材料;因为普通材料无法承受那样的扭矩.

而在 serious 级别的直线加速赛车上,情况又是另一回事:transbrake(变速刹车).在按住按钮时,变速箱同时接合一挡和倒挡的元件,将车辆固定在起跑线上.这样发动机就能建立完全理想的起步转速.按钮松开的瞬间,全部动力立即传递到驱动轮.这个以毫秒计的换挡瞬间,决定了起步的成败.

重量转移:悬挂在起步时做什么?

当猛踩油门时,车辆前部抬起,车身向后下沉,重量落到后轮上.这种重量转移增加了驱动轮上的垂直载荷;垂直载荷越大,轮胎的抓地力越强,加速度也就随之提高.简单来说:加速越猛,后轮承受的重量就越多——而这是好事,直到它失控为止.

悬挂的任务是以正确的速度、平顺地完成这种转移.如果后部调得偏软,重量就能顺利转移到后方,起步时抓地力增强;前部调硬也能支持同样的转移.目标是向轮胎传递足以防止轮胎打滑的力度,其余力量则用于推动车辆前进.对于前部调得足够软的车辆,人们认为最大重量转移在起步最初2英尺(即半米)内完成.像小齿轮角度这样的细节也直接影响起步;糟糕的调校会直接以ET损失的形式体现出来.

降低车身总是好事吗?

在街头环境中降低车身从审美角度很流行,但在直线加速赛道上可能适得其反.在一个建模示例中,将车辆重心降低2英寸(约5厘米)反而降低了起步推进力——也就是说,降低车身损害了抓地力.重心越低,重量转移的幅度就越小;因为转移量与高度和加速度的乘积相关.此外,差速器类型也至关重要:开放式差速器会将扭矩导向抓地力最弱的轮胎,因此最大推进力受限于载荷最小的车轮.锁止式差速器则完全消除了这一损失.下面的数字清晰地总结了这一状况:

调校变更最大推进力结果
街胎,锁止差速器(系数约0.8)约1640磅基准参考
光头胎,赛道上(系数约1.30)约2918磅推进力提高近80%
车辆降低2英寸(锁止差速器)约1612磅抓地力损失,错误的做法

Wheelie Bar:谁来驯服前轮离地?

如果一辆功率强大的车在起步时过度利用重量转移,车头就会翘向天空;我们称之为“翘头”(wheelie),虽然在镜头后看起来很刺激,但在赛道上却是严重的风险.翘头杆(wheelie bar)最基本的功用正是如此:一根从车尾延伸、向下触及地面的双轮支杆,当前轮离地达到过度程度时保护车辆免于翻覆.

但翘头杆不仅是安全装备,同时也是一项调校工具.通过改变它的高度,你可以干预两件事:车辆起步时是保持水平还是车头略微上扬,以及车头能够抬起多高.一个调校得当的设置能在起步的最初瞬间让车辆保持平衡.还要了解它的副作用:当翘头杆触及赛道时,可能会卸掉后轮光头胎上的载荷;也就是说,那一刻的推进力会下降.因此调校必须取其中间值,既不让它触地,也不放开到会翻车的程度.悬挂、翘头杆和油门——三者共同构成起步的平衡.

轮胎抓地与赛道:褶皱壁光头胎的秘密

Yumuşak duvarlı bir slick'in temas anındaki buruşması, lastik basıncı ve kalkış devriyle oynayan iki basit ayarla 60-foot süresini onda bir saniyeden fazla kısaltabiliyor.

直线加速赛轮胎侧壁上在起步时出现的那些褶皱并不是缺陷,而是设计本身.吸收巨大扭矩的光头胎会剧烈变形、扩张并起皱,从而最大化与赛道的接触面积.正是这种柔韧性,在最关键的零点几秒内将动力转化为向前的运动.赛前会通过烧胎(burnout)专门加热轮胎;普通公路轮胎永远无法提供这样的抓地力.

数字显示了差距之大:一款性能合理的子午线轮胎在街道表面大约提供0.8的摩擦系数,而在经过准备的直线加速赛道上,使用褶皱壁光头胎这一数值可达1.25-1.30甚至更高.在示例车型中,将系数提高到1.30,使配备锁止差速器的车辆最大推进力从1640磅提升到2918磅——接近两倍.

起步调校的力量也不容小觑:事实证明,仅通过胎压和起步转速这两项调整,60英尺用时就能改善超过0.1秒.给新手的建议也很明确:以保守的转速开始起步,每次尝试逐步提高转速.对于想在土耳其尝试这项运动的人来说,舞台已经就绪:土耳其直线加速锦标赛的比赛长度为402米;刹车区域预留600米,其后是沙池.也就是说,在冲出最初的18米之后,能否停下也是这项运动的一部分.

因级别而异的起步:从新手到Top Fuel的不同物理

起步物理学在每个级别都遵循相同的原理,只是规模不同.对于驾驶日常车辆参加直线加速赛的人来说,关键在于胎压、起步转速和悬挂硬度.级别越高,这些参数就越走向极限,工程学也随之介入.顶级车辆的起步,就像一本关于动力能够被抓住多少的教科书:

  • 新手与街道级别: 起步技术和一致性是重中之重;反应时间和60英尺的一致性是起步成功的镜子.通过调整胎压、起步转速和离合器设置,在最初的尝试中逐步取得进展.
  • Pro Stock: 以原厂外观吸引眼球;起步时的翘头控制和极其精细的悬挂设置是决定性因素.NHRA训练系列中Pro Stock如何呈现在赛场上,另设专门标题.
  • Funny Car: 封闭式车身、在11,000马力区间输出动力的猛兽;起步时的重量转移与Top Fuel类似,但较短的底盘使其更难保持平衡.
  • Top Fuel: 细长开放式车轮的底盘在起步稳定性上具有优势.以约11,000马力在3.6秒内完成1000英尺;起步比Top Alcohol Dragster约3G的弹射还要猛烈.据估计单次起步会燃烧约50-60升燃油——这是动力、抓地力、物理和反应时间之间一场受控的较量.

也就是说,起步物理是通用的:每个级别的力都通过轮胎传递.变化的是该力的大小以及控制它的设备的复杂程度.

60英尺时间如何反映到ET,能换来多少秒?

赛道边最常被问到的就是这个问题:60英尺上每赢得的十分之一秒,在四分之一英里中会变成什么?车手们普遍接受的观点是,60英尺改善0.1秒大约能在总ET上赢得约0.2秒.一些车手认为这个比例接近0.15秒;比例因车辆、级别和赛道条件而异.共同点在于:缓慢的60英尺几乎总是糟糕起步的标志,可以通过调整胎压、起步转速和离合器设置来改善.

还有一个重要的提醒:60英尺本身并不代表一切.终点速度(trap speed)补全了整个图景;良好的60英尺通常表明车辆以更大动力起步,但加速在四分之一英里的末段仍在继续.甚至有人谈到,赛道边以60英尺为中心的思考有时会误导人——最终的比分始终是四分之一英里的ET.结果受到从空气密度到变速箱设置等诸多变量的影响.正确的做法是将60英尺作为诊断工具:如果时间不错但ET偏慢,问题应从比赛的后段而非起步中去寻找.

现在我来问你:在前18米,你的车是在打滑,还是在飞驰?在下一个赛道日,请再看一眼时间单上的60英尺那一行——比赛故事的大部分都写在那里.

参考资料