阻力和升力

阻力

一輛轎車的氣動(dòng)效率是由其阻力系數(shù)(Cd)所決定的。而阻力系數(shù)與面積無關(guān)，它僅僅是反映出物體的形狀對(duì)于氣動(dòng)阻力的影響。理論上來講，一個(gè)圓形的平板的阻力系數(shù)為1.0，但是如果考慮到其邊緣周圍的湍流效應(yīng)，它的阻力系數(shù)將會(huì)變?yōu)?.2左右。氣動(dòng)效率最高的形狀是水滴，它的阻力系數(shù)只有0.05。不過，我們不可能制造出一輛水滴形狀的轎車。一輛典型的轎車的阻力系數(shù)大致為0.30。

阻力的大小是與阻力系數(shù)(也叫牽引系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù))、正面接觸面積和車速的平方成比例的。你會(huì)發(fā)現(xiàn)一輛時(shí)速120英里的轎車所遇到的阻力是一輛時(shí)速60英里的轎車的四倍。你還可以發(fā)現(xiàn)阻力對(duì)于最高時(shí)速的影響。如果我們不改變一輛Testarossa的形狀，而將其最高時(shí)速?gòu)?80英里提高到Diablo的 200英里的話，我們需要將其最大輸出功率從390馬力提升到535馬力。如果我們寧愿把時(shí)間和資金花在風(fēng)洞的研究上，只要將其阻力系數(shù)從0.36降低到0.29就能夠達(dá)到同樣的效果。

斜背式車身

在20世紀(jì)60年代，賽車工程師們開始認(rèn)真對(duì)待空氣動(dòng)力學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)如果他們將轎車后背的斜度減小到20度或更小的話，氣流就會(huì)非常平穩(wěn)地流過車頂線，從而大大減小了阻力。他們將這種設(shè)計(jì)命名為“斜背式車身”。這種關(guān)注的結(jié)果是很多賽車都增加了一個(gè)比較夸張的長(zhǎng)長(zhǎng)的尾翼，并把后背的高度降低了，比如這里展示的1978年的935 Moby Dick。

對(duì)于一輛三廂式轎車，氣流會(huì)直接從車頂線的尾部離開轎車。而后擋風(fēng)玻璃的突然下降會(huì)在周圍的區(qū)域形成低壓，這就吸引了一些氣流重新流入該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，并因此形成了湍流。而湍流總是會(huì)損害到阻力系數(shù)。

然而，這依然比可能出現(xiàn)在三廂式車身和斜背式車身之間的一些情況要好。如果后擋風(fēng)玻璃的斜度為30~35度的話，氣流就會(huì)變得非常不穩(wěn)定，而這將很損害到高速行駛時(shí)車輛的穩(wěn)定性。在過去，轎車廠商對(duì)此知之甚少，所以生產(chǎn)了很多類似的轎車。

升力

另一個(gè)重要的空氣動(dòng)力學(xué)因素是升力。由于轎車頂部的氣流移動(dòng)的距離要長(zhǎng)于轎車底部的氣流，所以前者的速度會(huì)比后者快。根據(jù)柏努利(瑞士物理學(xué)家)原理，速度差會(huì)在上層表面產(chǎn)生一個(gè)凈負(fù)壓，我們將其稱為“升力”。

像阻力一樣，升力也是與面積(不過是表面積而不是正面面積)、車速的平方和升力系數(shù)(Cl)成比例的，而升力系數(shù)是由形狀決定的。在高速行駛時(shí)，升力可能會(huì)被提升到一個(gè)足夠高的程度，從而讓轎車變得很不穩(wěn)定。升力對(duì)于車尾的影響更為重要，這一點(diǎn)很好理解，因?yàn)楹髶躏L(fēng)玻璃的周圍存在一個(gè)低壓。如果升力沒有被充分抵消，后輪就很容易發(fā)生滑移，這對(duì)于一輛以時(shí)速160英里飛馳的轎車是很危險(xiǎn)的。

就這個(gè)方面來講，斜背式車身是非常不利的，因?yàn)樗c氣流接觸的表面積非常大?？雌饋砹己玫淖枇土己玫纳κ腔ハ嗯懦獾模愫孟癫豢赡芡瑫r(shí)擁有它們。不過，由于過去我們對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了更多的研究，所以我們還是發(fā)現(xiàn)了一些辦法，可以解決同時(shí)擁有兩者的問題……

空氣動(dòng)力學(xué)輔助設(shè)備

尾翼(后擾流器)

在20世紀(jì)60年代早期，的工程師們發(fā)現(xiàn)通過在轎車的尾部增加一個(gè)氣翼(我們簡(jiǎn)單地將其稱為“尾翼”)，可以大幅度減小升力甚至產(chǎn)生一個(gè)完全向下的壓力。同時(shí)，阻力只是略微有所增加。

尾翼的作用是引導(dǎo)大部分的氣流直接離開車頂而不發(fā)生回流，這就會(huì)使升力減小。(如果我們加大尾翼的角度，甚至可能產(chǎn)生一千公斤向下的壓力。) 當(dāng)然，依然會(huì)有一小部分氣流會(huì)回流到背部并從尾翼下的車尾處離開。這就避免了在非斜背式轎車上出現(xiàn)的湍流，并因此保持了阻力效率。由于只有很少的空氣沿這個(gè)路線流動(dòng)，所以它們對(duì)于升力的影響可以輕松地被尾翼消除。

為了受益于絕大部分的氣流，尾翼安裝的位置必須比較高。的Escort RS Cosworth在這一點(diǎn)上做得不錯(cuò)……但對(duì)于墨丘利的Cougar來說，尾翼看起來只是一個(gè)裝飾品罷了。

第一輛安裝尾翼的轎車是1962年產(chǎn)的246SP長(zhǎng)距離賽車。僅僅一年以后，250GTO道路用車就加入了這一行列，安裝了一個(gè)小型的鴨尾式尾翼，這當(dāng)然是第一輛安裝尾翼的道路用車。然而，尾翼并沒有因此就流行開來，直到1972年發(fā)布了其911 RS 2.7情況才有了轉(zhuǎn)機(jī)，該車巨大的鴨尾式尾翼將高速行駛時(shí)的升力減小了75%。僅僅一年以后，RS 3.0就開始使用一個(gè)鯨尾式尾翼，這種尾翼可以將升力完全消除掉，它也因此成為了此后所有911轎車的標(biāo)志。

新款996 Carrera為我們提供了一些有用的數(shù)據(jù)：

前面的升力（時(shí)速 157 英里） 后面的升力（時(shí)速 157 英里） 放下尾翼 64 公斤 136 公斤 打開尾翼 5 公斤 14 公斤

擾流器

擾流器是改變車身下面氣流的空氣動(dòng)力學(xué)裝備。我們將安裝在前保險(xiǎn)杠底部邊緣的擾流器稱為“下顎擾流器”或者“氣壩”，而將安裝在車身兩側(cè)底部邊緣的擾流器稱為“側(cè)裙”。要了解擾流器的原理，我們必須先談?wù)勡嚿硐旅娴臍饬鳌?/p>

車身下面的氣流總不是我們希望存在的。在轎車車身的下面有很多暴露在外的組件，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)軸、差速器等。這些設(shè)備會(huì)阻礙氣流，不僅僅造成增大阻力的湍流，還會(huì)因使氣流慢下來而增大升力。（還記得柏努利定理嗎？）

擾流器通過促進(jìn)空氣從車身兩側(cè)離開達(dá)到減小車身下面氣流的目的，其結(jié)果是減小了因車身下面的氣流造成的阻力和升力。一般來說，擾流器安裝的位置越低，能達(dá)到的效果就越好。因此你會(huì)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)距離賽車的擾流器幾乎是擦著地面的。當(dāng)然，道路轎車不可能做到這樣。

車身下面的光滑底板

我們還有一種減小車身下面氣流影響的辦法，那就是用一個(gè)光滑的底板將轎車的下面全部覆蓋，就像這一輛F355一樣。這可以避免湍流和升力。

地面效應(yīng)

對(duì)于賽車工程師們來說，尾翼可能是對(duì)付升力的好辦法，但距離他們真正想要的效果還很遙遠(yuǎn)。典型的一級(jí)方程式賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的加速度大約是4g，這需要巨大的向下的壓力保持輪胎緊貼賽道的地面。當(dāng)然，安裝一個(gè)角度很大的巨大尾翼可以滿足這種需求，不過同時(shí)也會(huì)損害到阻力系數(shù)。

在20世紀(jì)70年代，考林•查普曼(又一次)發(fā)明了一種全新的概念，在提供向下的壓力的時(shí)候并不會(huì)改變阻力的大小，這種概念就是“地面效應(yīng)”。他在自己的72賽車的底部安裝了一個(gè)空氣通道。通道在前面的部分相對(duì)狹窄，但在向車尾延伸的同時(shí)不斷擴(kuò)大。由于賽車的底部幾乎是觸地的，所以通道和地面實(shí)質(zhì)上形成了一個(gè)封閉的管道。當(dāng)賽車飛馳時(shí)，空氣從車頭進(jìn)入，然后線性擴(kuò)散到車尾。顯然，接近車尾處的氣壓會(huì)降低，從而產(chǎn)生了向下的壓力。

與尾翼相比，地面效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)太多明顯，所以很快一級(jí)方程式賽車就禁止使用地面效應(yīng)了。1978年，Brabham車隊(duì)的戈登•默里又嘗試使用擴(kuò)散通道之外的其他方式，他使用了一個(gè)大功率的風(fēng)扇在接近車尾的地方產(chǎn)生向下的壓力。當(dāng)然，這種創(chuàng)新又一次在一級(jí)方程式賽車中被禁止了。

地面效應(yīng)對(duì)于道路用車來說不太合適，因?yàn)樗筌嚿淼撞刻貏e貼近地面才能形成一個(gè)封閉的管道。對(duì)于賽車來說，這沒有任何問題。但是道路用車需要留出高很多的離地間隙以適應(yīng)不同的起伏路面、爬坡和下坡路面等。這種較高的離地間隙會(huì)大大減小地面效應(yīng)的效力。McLaren F1道路用車沿用了Brabham車隊(duì)的技巧，該車使用兩臺(tái)電扇來產(chǎn)創(chuàng)造地面效應(yīng)，不過說實(shí)話，沒有哪位試車者對(duì)它產(chǎn)生的向下的壓力發(fā)表過贊美之詞。Dauer 962號(hào)稱是“道路用車”，不過它實(shí)際上是一輛獲準(zhǔn)在道路上駕駛的962長(zhǎng)距離賽車，該車就安裝有賽車通常使用的空氣通道地面效應(yīng)。它行駛時(shí)的離地間隙可以調(diào)節(jié)，在起伏路面就低速行駛，但到了德國(guó)的高速公路上，就充分利用地面效應(yīng)暢快地飛馳。即使這樣，它所產(chǎn)生的向下的壓力也只有賽車的40%而已。