空气动力学在f1赛车的应用

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1、空气动力学在F1赛车的应用10级生物工程一班：马德慧学号：201050851虽然一级方程式赛车是一种高速汽车，但在机械概念上却较接近喷射机，而非家庭房车。它们巨大的双翼不但具用商业广告牌的作用，同时还可以产生至关重要的「下压力」。这种空气动力会使流经汽车上方的气流将车身向下压，使车子紧贴在车道上。相反地，飞机则是利用巨大的双翼产生「上升力」。将车身压在车道上可使轮胎获得更大的抓地力，进而在弯道时产生更快的加速度。由于一般普通房车没有下压力，因此甚至无法产生1G（一个重力单位）转弯力。一级方程式赛车能产生4个G的转弯力。在时速230公里时的状况下，F1赛车上方气流产生

2、的下压力足以使它在隧道里沿着隧道的底部行走。在设计当今一级方程式赛车的过程中，扮演重要角色的空气动力学家正面临着一个基本的挑战：如何在产生下压力的同时不增加空气阻力。这正是汽车必须克服的问题。在汽车空气动力设计的过程中，风洞扮演着重要的角色。进行风洞实验时，通常先制作一半体积的模型，而风洞就像一个巨大的吹风机，将空气吹向静止的模型。虽然这个吹风机的价格非常昂贵，但迈凯伦车队仍然编列四千九百万美元的预算，将在该车队新建的银石（Silverstone）工厂建造一个风洞。空气动力可以根据不同赛车场的特征而调整。较直的跑道需要较低的下压力设定值，如此可减少阻力，并且有助于赛

3、车提高极速。较曲折的车道需要较高的下压力设定值，如此可令赛车的极速降低。例如，在曲折的Hungaroring车道上，赛车很难达到300km/h的速度，但在Hockenheimring车道上，车速可以超过350km/h。通常所说的空气动力学研究内容是飞机，导弹等飞行器在名种飞行条件下流场中气体的速度、压力和密度等参量的变化规律，飞行器所受的举力和阻力等空气动力及其变化规律，气体介质或气体与飞行器之间所发生的物理化学变化以及传热传质规律等。从这个意义上讲，空气动力学可有两种分类法：首先，根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度，空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动

4、力学。通常大致以400千米/小时这一速度作为划分的界线。在低速空气动力学中，气体介质可视为不可压缩的，对应的流动称为不可压缩流动。大于这个速度的流动，须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特性的变化。这种对应于高速空气动力学的流动称为可压缩流动。其次，根据流动中是否必须考虑气体介质的粘性，空气动力学又可分为理想空气动力学(或理想气体动力学)和粘性空气动力学。空气动力学是关于空气流过物体的研究，自然是赛车设计中不可缺少的考虑因素，一辆车要想跑得快就必须克服空气阻力，所以车头的体积越小越好，它还需要足够的附着力来应付弯道，这就得靠下压力帮忙。最简单的发明通常是最好的。60年

5、代晚期，当导流翼出现在F1运动中时，空气动力学的角色变得空前重要起来。这种装备的作用是提高下压力和附着力，从而使车子转弯时打转的可能性减小，速度更快。虽然数年来导流翼的开头有所变化，但它一直被F1赛车所采用。其实这一技术早就被应用于航空领域。飞机用翅膀来获取升力，F1赛车则正好相反：它需要的是负升力，也就是下压力；这是通过把机翼状的导流板颠倒安装来实现的。从侧面看，导流板也是平的一端朝前，但与飞机翅膀不同的是其后端朝上撅起成曲线形，这样气流通过时就会把它朝下压。赛车工程师经常在最大下压力和最小风阻两方面做出权衡，这一权衡视不同的赛道而定。像摩纳哥和匈牙利这样多弯的赛

6、道对下压力的需求最大，最小的则是直道最长的蒙扎。在那里比赛时技师们会把前翼向后倾斜，减少车头的受力面积以降低风阻。这会使车子的过弯性能受到限制，但它在直道上所达到的空气动力效率远不止弥补于此。莲花车队的老板科林--查普曼在赛车的后悬挂上安装了尾翼，把下压力进一步提高了180公斤。悬挂因不堪重负而发生断裂，虽然得到加固，但还是在1969年的西班牙大奖赛引发了事故，导致高位尾翼被禁。从那以后，尾翼的安装必须更低更牢固。于是设计者们开始想办法让前后翼发挥出最大的潜力。1970年，莲花车队的赛车上安装了翘起角度更大的板条尾翼，在风阻不变的前提下能产生更大的下压力。他们还利用

7、楔形的底盘进一步提高下压力。1971年无纹轮胎出现，其优越的抓地性能减少了赛车对下压力的需求，也给设计者们增加了一个需考虑在内的不定因素。1977年，查普曼再次取得技术上的重大突破。虽然地面效应不是他发明的，但是由他引进F1的。查普曼和他的设计小组在赛车两边安装侧舱并把底部制成导流板状，然后用活动板条把侧舱与地面之间的间隙密封起来，以防止气流从侧面进入车底。车尾的喉管使车底的空气加速流动，从而形成了一个低压区，由此产生的巨大下压力把赛车吸向地面。采用这项技术的莲花78赛车更主导了1978年的世界锦标赛。到了1980年，地面效应产生的下压力已达车重的两倍，而且随车