Top Fuel Dragster为什么不会飞起来?
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想一想: 一台每秒燃烧四升硝基甲烷的发动机,能在你眨一次眼都来不及、却足以让自己老去三倍的极短时间内,把你推到时速480公里以上. 那这东西为什么不飞起来? 我是认真在问. 飞机机翼产生升力,而直线加速赛车的定风翼几乎以同样的速度切割空气. 这台没有乘客座椅的纤细武器,为什么在四分之一英里的路程上不冲向天空,反而紧贴地面?
这正是我们在这篇文章中要回答的问题: Top Fuel直线加速赛车为什么不飞? 简短的答案藏在翼片中,完整的答案则藏在物理里. 那就开始吧.
什么是下压力? 飞机机翼的反向孪生兄弟
我们先把基本概念弄清楚. 下压力,也就是压制力,是把车辆压向路面的空气动力. 它甚至被称为负升力,因为它所做的其实与飞机机翼完全相反. 飞机机翼通过在上下表面气流之间产生压力差来产生升力; 直线加速赛车的翼片则把同样的原理反转过来,向下施压.
我们为什么需要它? 因为下压力越大,轮胎就被压得越紧贴路面,抓地力增强,高速稳定性也随之改善. 可以这样想: 这就像在刮风天骑自行车空车前行,与载着两个箱子骑行之间的差别. 有重量时,车轮紧抓地面,弹跳就更难发生. 直线加速赛车的翼片做的正是这件事,为了把硝基动力传递到路面上.
而这件事最像电影大片的时刻在于: 这种力并非恒定. 空气动力大约随速度的平方而增加. 也就是说,如果你把速度提高一倍,下压力和空气阻力大约会增加四倍. 跑到半程时,作用在车上的空气,与起步瞬间相比已经凶猛得不可同日而语. 空气中的这种增长,既是问题也是解决方案——原因你稍后就会看到.
7,000磅的空气: 这些翼片到底能产生多大的压力?
现在来看数字,因为这些数字真的很疯狂. Top Fuel直线加速赛车有两个主要空气动力面,而且都是为重活设计的:
- 前翼: 大约产生700磅(317公斤)的下压力.
- 尾翼: 可产生超过5,000磅(2,270公斤以上)的下压力.
也就是说,两个翼片加在一起,以数倍于车重本身的力,把这东西死死按在地面上. 想象一下,仿佛有一头看不见的大象坐在上面. 当尾翼产生如此巨大的力量时,前翼则承担着防止车头翘起的稳定器任务. 两者协同工作; 缺了任何一个,平衡就会彻底崩塌.
那翼片是怎么产生这种力的? 尾翼被设计成一种倒置的飞机机翼形状. 在其上下方的气流之间形成压力差,这个压力差把翼片向下推. 简单却有效——人类用同样的物理原理在空中翱翔了100年,这一次却用来不离开地面.
一切都有代价: 下压力与阻力的权衡
故事真正的张力就在这里展开. 空气不会白白给你好处. 几乎每一个产生下压力的部件——尾翼、前分流器、扩散器——同时也会产生空气阻力,也就是阻力(drag). 当你试图增大其中一个时,往往也会把另一个放大. 这是空气动力学最根本的权衡.
想象一下把尾翼的角度调得更陡. 你能获得更大的下压力,这很棒. 但尾翼后方的气流会以更强的形式分离,从而产生更多阻力. 这种随速度平方增长的阻力,迫使发动机把一部分动力不是用在驱动车辆前进,而是用来推开空气. 好的直线加速赛调校,就是在这两种力之间找到黄金平衡点的艺术: 抓地要够,但减速不能超过必要限度.
效率也因此用升阻比来衡量,也就是下压力与阻力之比. 阻力也并非只有一种:
- 压差阻力:车辆前方被压缩的空气所产生的阻力; 通常这是最大的组成部分.
- 诱导阻力:尾翼在产生下压力时身后留下的湍流所付出的代价.
- 表面摩擦阻力:空气沿车身表面摩擦所产生的,份额较小但不可避免的阻力.
直线加速赛车的车身之所以如此细长: 正是因为它的设计让前方空气被切开,同时在车后留下尽可能少的湍流. 现在是时候回到你最好奇的问题了: 尾翼产生这么大下压力,为什么车不会翻?
重点内容
- Top Fuel的前翼可产生约 700磅(317 公斤) 的下压力.
- 仅尾翼本身就能产生超过 5,000磅(2,270+ 公斤) 的力.
- 当速度翻倍时,下压力和阻力大约增加到四倍.
- 每一个产生下压力的部件,同时也会产生空气阻力.
- 这些赛车可以在 0.8 秒以内完成 0-160 公里/小时的加速.
巨型尾翼的赛车加速时为什么不会后翻?
这篇文章的核心就在这里. 这是个合理的问题: 如果尾翼对车辆施加数千磅的向下的力,这个力同时会把车尾压向地面,难道不会把车头抬起来吗? 理论上是的——但"理论上"这个关键词的关键在于:平衡.
一辆车不会后翻; 只要下压力和重量在车轮上形成的总载荷分布没有向前偏移到足以导致翻转的程度,它就不会翻. Top Fuel直线加速赛车的这一平衡由三个要素来维持. 第一,前翼: 尾翼向下压多少,前翼就以把车头压向地面的力作出相应的回应. 第二,长车身: 机翼与前轮之间的距离越大,车尾巨大力量向前翻转的作用就越弱. 第三, 防翘轮(wheelie bar): 从后轴向后延伸的那根带小轮子的杆,是防止车头过度抬起的第一道也是最后一道保险.
另外别忘了这一点: 这股力量不是在一秒之内建立起来的. 起步瞬间车速还很低,因此下压力也极其微小. 当车辆已经达到高速、将油门压在地面上的巨型轮胎已经升温时,翼片真正的威力才会完全发挥出来. 也就是说,空气压力随着施加在车辆上的力量逐步增大——车辆在每一刻都处于适应这股力量的平衡状态中前进.
简而言之,直线加速赛车并不会飞起来,因为尾翼将车辆向后和向下拉的力量,与前置翼、修长的车身几何结构以及压向地面的重量分布相互平衡、彼此中和.而空气阻力在这一点上表现得像个朋友: 从后方推来的那股巨大阻力,就像一位隐秘的盟友,中和了会把车辆尾部抬起来的力量.
每秒0.8秒: 为什么如此需要这股力量?
没有下压力,这些赛车就毫无意义,因为世界上没有任何其他的抓地力能够承受这种加速度. Top Fuel直线加速赛车是世界上加速最快的赛车. 0至100英里/小时的加速,也就是从0加速到160公里/小时,最快可达0.8秒. 一辆量产跑车要达到同样的加速度,需要三倍的时间. 一辆直线加速赛车大约在3.6秒内跑完1000英尺——人们说这比一架战斗机起飞时的加速度还快,而且并不夸张.
当然,将这种加速度传递到地面的不仅仅是翼片; 光头轮胎、巨型离合器和大得惊人的扭矩是另一半功臣. 但如果没有翼片,发动机产生的动力就会在轮胎无法抓地的情况下空转,车辆要么打转,要么翘头. 下压力就是发动机功率与沥青路面之间的翻译官. 发动机在仅约540转的转速下就能释放出数千匹马力,因此在不损失这份力量的前提下将其连接到路面,就意味着一切.
比赛结束后会发生什么? 刹车与降落伞
空气动力学的工作并不仅仅止于加速. 480公里/小时的速度可以在一定程度上借助翼片来减慢: 当车手松开油门的那一刻,空气阻力便以其随速度平方增长的威力,开始像一个巨大的空气刹车那样发挥作用. 但如果四分之一英里的终点处车速仍然很高,降落伞刹车系统就会登场. 用于Dragster和Funny Car车型的降落伞是为在约190–250英里/小时的速度区间打开而设计的系统,能让车辆有控制地减速.
降落伞与车身之间的关系也不是可有可无的话题: 车身后部的压力平衡,在降落伞打开时会直接影响车辆的稳定性. 如果车身后部的结构连续性被破坏,那之后的空气动力学平衡也会随之瓦解. 因此,底盘、翼片、降落伞和车身设计不是各自独立开发,而是作为一个整体来考虑的. 空气动力学在比赛的起点和终点都登上舞台——一次是信号灯亮起,一次是降落伞打开,在两端,空气都拥有最后的发言权.
结论: 贴地而行,比飞起来更难
所以Top Fuel直线加速赛车不会飞起来: 它的翼片不是为了把它送上天空,而是为了把它压在地面上而设计的. 倒置的翼型在前部产生700磅、后部超过5,000磅的下压力,这股力量将巨型发动机的动力传递到轮胎与沥青之间唯一的接触点上. 空气阻力是一笔必须缴纳的税; 但同样的阻力,在比赛结束时也会像与降落伞握手一样让赛车停下来. 这场三秒钟的对决,其实质是人类与空气达成的最优雅的交易之一. 下次看dragster视频时注意一下翼片——除了你,再也不会有人知道哪个表面在执行哪项工作了.