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空氣動力學套件在F1裏的應用

空氣動力學與空氣動力學套件在F1裏的應用

空氣動力學看起來是一個很讓人傷腦筋的名字:空氣也能產生動力?其實,這裏說的空氣動力並不是要把空氣變成賽車的動力,而是讓空氣在賽車高速行駛過程中的高速流動而產生的氣壓變成對賽車有利的力量。

F1是很快的....它的速度足以克服賽車本身以及車手的體重而使賽車飛起來!

那麼為什麼我們從沒有在比賽中看到過賽車“飛翔”呢?這就是F1賽車上的空氣動力學套件(簡稱:空力套件)在起作用。如今的F1賽車上,我們最最常見的空力套件就數:前定風翼、尾翼、側擾流板和第三小翼了。前定風翼、尾翼、和第三小翼通常是為了調節賽車下壓力而設置的。用通俗一點的話來講,下壓力就是利用流經賽車的空氣把賽車壓向地面,從而不至於讓賽車飛起來;同時還保證了賽車有足夠的抓地力,順暢過彎。而側擾流板則是為了保證賽車在高速行進時車身的橫向穩定性,不至於在速度越來越快以後賽車車體發生難以操控的橫向晃動。

算了,還是摘抄點詳細的給你吧.

首先,所有的液體和氣體都是由可滑動的粒子組成的。當液體或氣體通過一個表面時,最靠近表面的粒子層會附著在表面上。而這一層之上的粒子運動會因為物體表面相對靜止不動的粒子層而減慢。同樣,這一層以上的粒子的運動也會受到影響,導致滑動速度的減慢,只是減少量減小了。離物體表面越遠,粒子層受的影響越小,直到它們以自由粒子移動。那一段導致粒子滑行速度減慢的層,稱之為臨界層。它出現在物體的表面,形成表面摩擦力。學過中學物理對分子力學有初步認識的讀者應該很容易理解這一點。

力需要改變分子的運動方向,於是形成了第二種力,稱之為形狀應力。在空氣動力學中,尺寸也是因素。賽車的前鼻(當你正面看到賽車的那一部分)越小,分子改變方向的面積越小,也越容易通過。少量的引擎動力被流動的空氣所吸收,絕大多數都轉化為在賽道上疾駛的動力。在規定的引擎作用下,賽車就能跑得更快。

然而事情並不是那麼簡單——物體的形狀也很重要,它決定了分子移動的難易。空氣習慣附著於物體表面,所以在氣流中拉動一個光滑表面的盤子要比拉一個類似前鼻的弧線狀碗困難得多。氣流會在碗狀表面上翻轉,但是卻會黏著在光滑的盤子表面。空氣動力學的研究發現,淚珠狀形體最易於通過氣流。圓頭在前,尖端在後,大多數人可能覺得很奇怪。

當氣流沿著曲線運動(或是改變方向),只要是薄薄的,它的運動不會發生改變。然而,當曲線有一定的形狀,或者方向突然變化(就像遇到尖的物體),氣流會在物體表面一分為二,而沒有足夠的能量來通過表面。這種情況是需要避免的,因為臨界層是很厚的,前面的氣流就會減慢,並像固體表面一樣阻擋了後面的氣流。所以尖的物體通過氣流只能產生更大的阻力。

那麼是不是圓形物體在空氣中運動最為理想呢?錯了!當一個球在空氣中運動,一開始氣流會隨著球的弧線而變化,然而,當它通過球體半徑最大處後,氣流仍會追尋球的弧線,但這時球面已急劇趨向減少。對於氣流運動來說這是最困難的,所以當氣流通過半徑點後,就不再依附於球體表面,而變得散亂無章。散亂的氣流會無序地旋轉,比起自由運動的氣流產生的壓力較小,所以會產生吸引力來阻礙球體的運動,減慢其運動速度。而前面所提及的淚珠狀物體,當氣流通過類似球體的弧線後到達臨界破壞點時,淚珠狀形體會有一個傾斜面來支撐氣流的運動。物體得以乾淨俐落地以最小的阻力從氣流中通過。舉個簡單的例子:一個自由下落的懸垂液滴必定是淚珠狀,因為這樣的空氣阻力最小,如果只是簡單的球面,只會造成更大的阻力。

最後一種應力是誘導應力,它是下壓力不可避免的產物,表現形式是氣流漩渦,這種漩渦可以在下雨天流經賽車尾翼的水汽中看的清清楚楚

對空氣動力學在賽車設計上應用的研究工作是近20年才興起的。上世紀60年代,F1車隊認識到在車身不同地方加裝翼板等擾流部件能夠有效提高賽車在彎道上的速度。但由於當時缺乏理論體系指導,對這些翼板該加裝在什麼地方,翼板的面積應該多大,角度如何,車隊並沒有一個成形的概念,大家都在不斷摸索和嘗試中。再加上當時的加工工藝並不成熟,翼板在比賽中脫落造成傷亡的例子比比皆是,於是,在賽車上加裝空氣動力學部件一度被禁止。然而,隨著空氣動力學理論體系的發展,加上電腦科技的興起,使車隊深入研究空氣動力學對賽車影響的想法變為可能。

前定風翼就是我們看到的在F1賽車上最前面的一個部件,通常是和賽車的鼻翼連接在一起的。因為前定風翼就是那麼薄薄的一片,因此它往往是賽車在碰撞時最容易損壞的部件之一。幾乎只要有賽車發生碰撞,他們的前定風翼必然會遭受破壞。就在今年歐洲站的比賽中,Sato在比賽還剩11圈的時候在一個彎角處強行超越Barrichelo,兩部賽車發生了輕微的碰撞,Sato的B.A.R賽車的前定風翼就被撞壞,而Sato則被迫進站更換前鼻翼。所以,有經驗的車手在比賽中往往會十分注意對賽車的保護,尤其是對前定風翼這樣的脆弱部件。在有些車隊進站時,我們還會看到這樣一個場景:車隊工作人員會拿一個小螺絲刀對前定風翼的角度進行調節。這是為了調節賽車前部的下壓力供給狀況。因為F1賽車的引擎是後置的,也就是說引擎是放置在賽車車身後部的。這樣一來,賽車的重心必然會相對靠後,而使得賽車前部比較容易往上翹,不能使輪胎與地面充分接觸。這樣的後果是不可想像的!如果前輪不能與地面充分接觸,首先會是的賽車轉向發生困難。因為賽車都是以前輪作為轉向輪的,也就是說在轉向的時候,只有前輪會轉動而後輪不會轉動。那麼假設一旦前輪無法接觸地面,那麼即使前輪轉動,它也只是騰空轉動,整部賽車依然沒有辦法轉彎。就算情況沒有那麼嚴重,前輪沒有完全離開地面,那麼同樣也會使得賽車的轉向不能完全按照車手實際的操控來實現,最常見的就是轉向不足(比如同樣打90o方向,正常的賽車可以轉90o,而轉向不足的賽車可能只能轉80o),這就對車手操控賽車造成了極大的困難。第二點,如果前輪不能與地面充分接觸,賽車失去了足夠的抓地力,那麼勢必會嚴重影響整車的速度。所以,整個前定風翼對賽車來講起著至關重要的作用。

尾翼則是起到了為賽車後部提供下壓力的作用。在尾翼上,車隊往往會把他們贊助商的名字印在上面,像Mclaren賽車尾翼上寫著West,代表著他們的其中一個主要贊助商是West煙草。前面提到了,F1賽車的重心相對整車來講是略微靠後的,所以後輪的抓地性能毫無疑問要比前輪好,這就對尾翼的下壓力供給量比前定風翼小,調節起來也比較方便。因此我們很少看到車隊工作人員會在比賽進行中對賽車的尾翼角度進行調節,這些工作早在比賽開始前就做好了。從這個賽季開始,FIA對賽車的尾翼格式進行了統一規定:每部賽車的尾翼最多只能使用兩片翼片的格式。這就迫使原先採用三片尾翼翼片格式的車隊對他們的尾翼進行改動。從三片改成兩片,下壓力的供給自然也會減少。對於有些車隊而言,如果他們並不在意這些下壓力的損失,那到沒什麼問題。但是對於一些對賽車空氣動力學非常重視的大車隊(如Ferrari、Willianms、B.A.R)來講,他們是決不會眼睜睜地看著這些小小的動力源的流失的。他們會想盡一切辦法通過對賽車其他地方的改進來彌補這些下壓力損失。這就形成了第三小翼。

因為賽車在高速行進過程中,發動機需要大量空氣來和燃油混合稀釋進行燃燒。F1賽車就是利用車手駕駛艙上方的進氣口來吸收空氣的,因此,在這個部位的空氣量是非常大的。這些大車隊就利用這裏豐富的空氣源,在上進氣口兩側增加了小小的副翼來彌補尾翼翼片數減少而損失的下壓力。這個小小的副翼就是常說的:第三小翼。說到底,第三小翼只是對前定風翼以及尾翼的補充,並不是每個車隊都會使用的,完全是根據各個車隊賽車的設計思路和當時的比賽條件來設定的。

最後來講一下側擾流板。去年收看過F1賽事轉播的GGMM們是不是還記得,在03年的F1世錦賽第一個分站澳大利亞墨爾本的AlbertPark(阿爾伯特公園賽道)的比賽中,當比賽還剩下不到十圈的時候,Schumi的坐騎F2002右側的擾流板突然脫落。不久之後由於賽車左右兩側受到的氣壓不同,左側的擾流板也跟著脫落。最終Schumi被賽會出示黑底白圈旗,不得不被強行招回維修站清除賽車上殘留的可能會影響其他車手正常比賽的側擾流碎片。Schumi也只能眼睜睜看著身後的Montoya、D.C、Kimi先後超越他。就從這個簡單的事故來看,側擾流板對賽車橫向穩定起著非常重要的作用。它使得了氣流均勻地流經賽車兩側,保證賽車在高速行進時車身的穩定。一旦像去年的Schumi那樣,一邊的側擾流板損壞,那麼賽車左右兩側的氣壓必定會產生差異,嚴重應影響了賽車在高速直道上以及過彎時候的車身橫向穩定。可以想像在極速的F1世界裏,賽車發生了車手正常操控範圍以外的晃動對車手是多麼危險的情況!就因為這種不可預知的晃動,曾經扼殺了多少著名的車手.

所以,在現代F1發展中,空氣動力學越來越成為一種重要的賽車設計要素之一,不僅為了提賽車速度、同時也是為了保證車手安全。當然,空氣動力學也不是F1的全部,它必須與賽車可靠性、動力性、操控穩定性等結合在一起共同考慮。
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