電影《F1：狂飆飛車》自上映以來好評不斷。當(dāng)布拉德·皮特駕駛著F1賽車在賽道上風(fēng)馳電掣時(shí)，大量第一視角的鏡頭帶著觀眾體驗(yàn)了一把時(shí)速300千米/小時(shí)的狂飆。驚險(xiǎn)刺激的超車瞬間和一樁樁車禍、起火事故，讓人腎上腺素飆升。

影片中大量細(xì)節(jié)詳實(shí)而準(zhǔn)確，不管是車手在賽道上“打開尾翼然后嗖地一下飛出去”的操作，還是和同伴、車隊(duì)技術(shù)人員的配合與相互拆臺，甚至連車禍都有真實(shí)原型可考。

電影中賽車沖出賽道引發(fā)大火（上圖），與格羅斯讓當(dāng)年的嚴(yán)重事故幾乎如出一轍（下圖）

這些細(xì)節(jié)，背后都脫離不開一門學(xué)科：空氣動力學(xué)。

“臟空氣”，F(xiàn)1賽車的隱形敵人

電影中，布拉德·皮特飾演的桑尼·海耶斯在賽場上準(zhǔn)備超越前車時(shí)，賽車卻開始顛簸。他大罵“我們的車太差了”“車在dirty air里晃得厲害”，賽場旁的技術(shù)總監(jiān)沮喪而無奈地把臉埋進(jìn)了手里。

這dirty air“臟空氣”到底是什么鬼東西？

它也可以譯為“擾流”，是F1賽車在高速行駛時(shí)，車身后方產(chǎn)生的一種紊亂氣流。想象一下，當(dāng)賽車以接近300公里/小時(shí)的速度向前沖時(shí) ，它就像一個(gè)巨大的攪拌器，把身后的空氣攪得七零八落，原本平穩(wěn)的氣流（我們稱之為“層流”）瞬間破碎成了雜亂無章的“亂流” 。

車尾亂流丨上圖來自supermoto8

對于緊跟在后的賽車來說，這些不穩(wěn)定的“臟空氣”簡直就是噩夢。賽車的空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)會受到嚴(yán)重干擾，變得難以控制、抓地力下降，就像飛機(jī)飛入亂流區(qū)域會顛簸一樣。

是的，F(xiàn)1賽車就近似于“地面上駕駛的飛機(jī)”。

飛機(jī)在起飛前緩慢滑行時(shí)，其動力系統(tǒng)與飛行中是一樣的，但此時(shí)由于速度太低，空氣動力設(shè)計(jì)幾乎無法起作用，推進(jìn)完全依靠發(fā)動機(jī)本身。一旦進(jìn)入跑道加速階段，發(fā)動機(jī)全功率推進(jìn)產(chǎn)生的高速運(yùn)動，使得空氣動力開始顯著發(fā)揮作用?？諝鈩恿W(xué)的效應(yīng)隨著速度增加呈幾何級數(shù)增長，這也是為什么飛機(jī)速度越高，升力越強(qiáng)。

圖片來自Anirudh Singh

F1賽車的極速接近300km/h，在這種條件下，空氣動力的影響已經(jīng)不容忽視。此時(shí)的賽車，已經(jīng)不再是我們?nèi)粘ＵJ(rèn)知中的“汽車”，而更像是一種貼地飛行的機(jī)器——“地效飛行器”。只不過與飛行器追求“升力”不同，賽車追求的是“下壓力”，目標(biāo)剛好相反。

地效翼船（eworldship.com）與F1賽車模型（PERRINN團(tuán)隊(duì)）

工程師們用“多自由度”系統(tǒng)來描述賽車在這些復(fù)雜氣流中的“身體語言” 。你可以把F1賽車想象成一個(gè)有6個(gè)方向都能“動”的物體——前后、左右、上下移動，還能前后俯仰、左右側(cè)傾和水平旋轉(zhuǎn)。

賽車前后俯仰和左右傾側(cè)的示意圖

“臟空氣”就是干擾賽車這些“自由度”運(yùn)動的元兇。氣流里后車的下壓力會下降，變得難以駕馭，失去平衡。

利用空氣動力學(xué)，讓車更快更穩(wěn)

電影中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)接下來就對車輛進(jìn)行了空氣動力學(xué)上的優(yōu)化，從而增強(qiáng)了車子的下壓力和穩(wěn)定性。

在引擎相差不大的情況下，提升了車的下壓力（抓地力），就相當(dāng)于能更高效地將動力傳遞到地面，起到提升賽車整體牽引力（動力）的目的，能讓車跑得更快。

賽車有6自由度，這是其中XYZ方向的示意圖

要讓賽車跑得更快，除了增強(qiáng)動力（+X方向），當(dāng)然也需要減小阻力（-X），包括風(fēng)阻。

那風(fēng)阻是越小越好嗎？

通過空氣動力學(xué)的設(shè)計(jì)，水平方向的風(fēng)阻可以變成豎直方向的下壓力，“壓住”賽車。上文說過，下壓力變大是有很大好處的。如果風(fēng)阻變小了，下壓力也變小，怎么辦？

所以最好是改進(jìn)設(shè)計(jì)，用小的風(fēng)阻（整體阻力）帶來大的下壓力，也就是提高賽車的空氣動力效率。

通過精心設(shè)計(jì)的前翼與尾翼，我們可以在車輛前后軸分別建立向下的氣動壓力區(qū)域，從而穩(wěn)定提升整體抓地力，保證不同場景下的車輪抓地表現(xiàn)，無論直道彎道都能表現(xiàn)出色。

尾翼的設(shè)計(jì)比前翼更為關(guān)鍵。因?yàn)镕1賽車采用后輪驅(qū)動，后輪的抓地力直接影響動力釋放效率（+X）。尾翼通過與飛機(jī)機(jī)翼相反的設(shè)計(jì)，使高速掠過的空氣形成向下的壓力（?Z）。在電影中我們可以看到幾處特寫鏡頭，尾翼還擁有顯著的攻角（迎角），以此增強(qiáng)下壓力，提高后輪抓地力。

F1賽車需要利用空氣得到下壓力丨Cleo Abram

真實(shí)的F1歷史上,蓮花公司及車隊(duì)創(chuàng)始人科林·查普曼最早將空氣動力學(xué)體系化地應(yīng)用于F1的比賽之中。他在1968年為Lotus 49B加入尾翼，并且?guī)椭窭瓭h姆希爾獲得了當(dāng)年三站比賽的冠軍并開啟了F1的空力時(shí)代。1978年，查普曼又創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)地面效應(yīng)，時(shí)年賽車Lotus 79幫助馬里奧·安得雷蒂拿上了當(dāng)年F1總冠軍。時(shí)至今日，盡管各車隊(duì)空氣動力學(xué)的調(diào)教有異，但均遵循統(tǒng)一原則。

Lotus 49B

電影中由凱莉·抗頓飾演的女主角凱特·麥肯娜，便扮演著當(dāng)年查普曼的角色，集車隊(duì)技術(shù)總監(jiān)、空力工程師、車手比賽工程師和策略工程師為于一體，通過風(fēng)洞測試找到賽車最優(yōu)空力調(diào)教，并指導(dǎo)車手及技師團(tuán)隊(duì)最大化地應(yīng)用于比賽之中。

調(diào)節(jié)尾翼，減阻加速

電影男二號是一位“天才但年輕缺少經(jīng)驗(yàn)”的車手，約書亞·皮爾斯（JP）。他在超車前，將原本前傾的尾翼調(diào)成幾乎水平，影片中解釋說他啟動了“可調(diào)尾翼”系統(tǒng)，也就是DRS（Drag Reduction System，減阻系統(tǒng)）。

尾翼不是攻角越大（越翹），下壓力越強(qiáng)嗎？為什么超車時(shí)反而要“關(guān)閉尾翼”呢？

這正是F1空氣動力學(xué)精密性的體現(xiàn)。前車擾流導(dǎo)致空氣不均勻沖擊后車尾翼，產(chǎn)生氣動震蕩；尾翼雖然承受著空氣阻力，但不僅無法有效產(chǎn)生下壓力，反而削弱了后輪的抓地力，像一架亂流中顛簸的飛機(jī)。

為了擺脫這種困境，車手在準(zhǔn)備超車時(shí)，會主動開啟DRS，讓尾翼的上層翼片（主翼片）變得幾乎水平，大幅度減小攻角。這樣一來，空氣可以順暢地滑過尾部，顯著減少風(fēng)阻，讓賽車在直線上獲得爆發(fā)性的加速能力，為超車創(chuàng)造機(jī)會。

DRS減阻系統(tǒng)示意丨Cleo Abram@youtube

當(dāng)然，F(xiàn)1賽車強(qiáng)大的下壓力并非只靠尾翼。尾翼貢獻(xiàn)的下壓力只占總下壓力的17%左右，而賽車的前翼（23%）和車身底部（60%）才是下壓力的主要來源。所以，在直線加速的短時(shí)間內(nèi)“關(guān)閉”尾翼，對賽車整體穩(wěn)定性的影響有限，反而能帶來巨大的速度優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)有效超車 。

賽車氣動下壓力分布圖

令人驚嘆的“尾流加速”

電影中最令人血脈賁張的，莫過于“桑尼”與“約書亞”在比賽末尾那次近乎物理外掛般的“尾流加速”了！這種戲劇性的超車方式，在真實(shí)比賽中雖然不常見，但其背后的科學(xué)原理是完全成立的。

前面我們提到了“擾流”，即前車身后紊亂的氣流。但如果后車與前車的距離足夠接近，而且跟車的時(shí)機(jī)和位置非常精準(zhǔn)，那么它就可能進(jìn)入前車尾流中尚未完全破碎的“低壓區(qū)”。就像被前車“吸”著跑一樣！

跟車氣壓分布云圖丨h(huán)ttps://www.zhihu.com/question/473520737/answer/2075219233

這時(shí)后車受到的前方空氣阻力會顯著降低，因?yàn)榍败囈呀?jīng)替它“推開”了大部分空氣。同時(shí)，由于自身車頭和車尾的氣壓差被縮小，氣動壓差阻力也會大大減小。

“破風(fēng)”和“低壓區(qū)吸附”的雙重作用，使得后車在極短的時(shí)間內(nèi)獲得額外的加速度，實(shí)現(xiàn)驚人的瞬時(shí)極速提升。電影中，桑尼保持高速并穩(wěn)定帶出尾流，讓約書亞緊貼在他身后行駛數(shù)秒，隨后在關(guān)鍵位置迅速閃開，使得約書亞仿佛被甩出一般迅猛沖刺，成功完成超車——這正是對“尾流加速”原理的完美呈現(xiàn)。

電影中的這些精彩瞬間，表明F1賽車不僅僅是速度的比拼，更是一場極致的空氣動力學(xué)與工程智慧的較量。它的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從車身復(fù)雜的“身體語言”到精密的工程學(xué)設(shè)計(jì)，再到車手和技術(shù)團(tuán)隊(duì)令人拍案叫絕的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用，都凝聚著頂尖的智慧。

下次再看F1比賽，或者重溫電影，你也許就能看出更多門道。

作者：魚有吉 Timo

編輯：Luna