浅谈f1中的空气动力学

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1、浅谈F1中的空气动力学05级少年班Pb05000827陈晨引言：随着2006赛季的F1大奖赛的如火如荼的进行，许多人都为之热血沸腾，然而，我们今天要注意的，不是其中的比赛，而是这世界第三大运动背后的问题：空气动力学。在这一项以竞速为本质的比赛中，有一个众所周知的秘密，那就是车体的空气动力学。这是一个车队试着去隐藏而又藏不住的问题。在维修站里时，前定风翼被伪装起来，以保护自己的微妙设计。可能许多人都不知道，2000年英美车队和乔丹车队在前定风翼上用了透明材质，另外曾有车队在赛车小翼上用弹性材质，这就更难辨认其形状。这就足以见得，赛车中的空气动力学是多么的重要，甚至可以说，空气动力学是

2、赛车的灵魂。下面，就让我们简单地了解一下它的基本原理和在比赛中的具体应用。理论原理：空气动力学看起来是一个很让人伤脑筋的名字：空气也能产生动力？其实，这里说的空气动力并不是要把空气变成赛车的动力，而是让空气在赛车高速行驶过程中的高速流动而产生的气压变成对赛车有利的力量。首先我们来分析一下，在赛车的运动过程中，哪些力量构成对赛车的阻力。　　首先，所有的液体和气体都是由可滑动的粒子组成的。当液体或气体通过一个表面时，最靠近表面的粒子层会附着在表面上。而这一层之上的粒子运动会因为物体表面相对静止不动的粒子层而减慢。同样，这一层以上的粒子的运动也会受到影响，导致滑动速度的减慢，只是减少量减

3、小了。离物体表面越远，粒子层受的影响越小，直到它们以自由粒子移动。那一段导致粒子滑行速度减慢的层，称之为临界层。它出现在物体的表面，形成表面摩擦力。学过中学物理对分子力学有初步认识的读者应该很容易理解这一点。　　力需要改变分子的运动方向，于是形成了第二种力，称之为形状应力。在空气动力学中，尺寸也是因素。赛车的前鼻（当你正面看到赛车的那一部分）越小，分子改变方向的面积越小，也越容易通过。少量的引擎动力被流动的空气所吸收，绝大多数都转化为在赛道上疾驶的动力。在规定的引擎作用下，赛车就能跑得更快。　　然而事情并不是那么简单——物体的形状也很重要，它决定了分子移动的难易。空气习惯附着于物体

4、表面，所以在气流中拉动一个光滑表面的盘子要比拉一个类似前鼻的弧线状碗困难得多。气流会在碗状表面上翻转，但是却会黏着在光滑的盘子表面。空气动力学的研究发现，泪珠状形体最易于通过气流。圆头在前，尖端在后，大多数人可能觉得很奇怪。　　当气流沿着曲线运动（或是改变方向），只要是薄薄的，它的运动不会发生改变。然而，当曲线有一定的形状，或者方向突然变化（就像遇到尖的物体），气流会在物体表面一分为二，而没有足够的能量来通过表面。这种情况是需要避免的，因为临界层是很厚的，前面的气流就会减慢，并像固体表面一样阻挡了后面的气流。所以尖的物体通过气流只能产生更大的阻力。　　那么是不是圆形物体在空气中运动

5、最为理想呢？错了！当一个球在空气中运动,一开始气流会随着球的弧线而变化，然而，当它通过球体半径最大处后，气流仍会追寻球的弧线，但这时球面已急剧趋向减少。对于气流运动来说这是最困难的，所以当气流通过半径点后，就不再依附于球体表面，而变得散乱无章。散乱的气流会无序地旋转，比起自由运动的气流产生的压力较小，所以会产生吸引力来阻碍球体的运动，减慢其运动速度。而前面所提及的泪珠状物体，当气流通过类似球体的弧线后到达临界破坏点时，泪珠状形体会有一个倾斜面来支撑气流的运动。物体得以干净利落地以最小的阻力从气流中通过。举个简单的例子：一个自由下落的悬垂液滴必定是泪珠状，因为这样的空气阻力最小，如果

6、只是简单的球面，只会造成更大的阻力。　　最后一种应力是诱导应力，它是下压力不可避免的产物，表现形式是气流漩涡，这种漩涡可以在下雨天流经赛车尾翼的水汽中看的清清楚楚。如上图所示，这是一块简化的尾翼截面。空气动力学的基础知识告诉我们，由于尾翼的下缘长度比长缘长，下部空气流动速度高于上部，导致下部空气压强小于上部，于是尾翼产生了下压力。下压力虽然产生了，但是红色线条所代表的扰流也因此而产生。由于下部气流不得不过早地与尾翼下缘分离，在尾翼下后方会产生非常大的空气滞留区域，空气在这个区域不规则地运动，严重地阻碍了尾翼的前进。尾翼弦线与水平线之间的夹角称为尾翼的攻击角。随着这个角度的增大，尾翼

7、的下压力会越来越大，尾翼的风阻也会随之增大。在观察GT赛车的时候，你会发现尾翼组件的立板上有滑槽，这就是帮助赛车调整下压力的。每一块尾翼都有其最佳攻击角，在这个角度下，下压力系数与风阻系数之比示最大的。F1空气动力学专家都会将尾翼布置于这个角度小。总而言之，设计尾翼，并不是下压力越大越好，而是空气动力学效率越大越好。具体联系：在F1赛车中，具体的空气流线是这样的（如图所示），我们可以类比上一个图片进行分析，并与实际的F1比赛相联系。在激烈的一级方程式赛车比赛中，毫厘之