对于吃瓜群众来说,判断一台车性能的好坏,基本采用的都是“车标法”,比如保时捷、兰博基尼、法拉利的赛道性能就一定比其他品牌更好。而对于真正的Petrol Head(车迷)来说,只有“大尾翼、合金轮圈、跑车方向盘才叫车嘛!”(此金句源自头文字D)
不可否认,这句话说的确实在理,因为“大尾翼”的确是判断一台车赛道操控性能的核心要素之一。这主要是因为“大尾翼”能够召唤出大自然的神秘力量,来帮助车辆提高弯道速度!而这个神秘力量就是“下压力”!那我们究竟该如何提高下压力?下压力跟车身重量之间又有什么直接关系吗?答案尽在本文!
简单来说,下压力就是空气在高速通过车辆翼片后带来的额外重量。而这股额外重量,又会对轮胎形成额外的压力,致使轮胎与地面之间的压强变大,进而增加轮胎与地面之间的咬合力度。也正因如此,车辆的时速会直接决定下压力的大小。
通常情况下,在形容下压力大小时都会直接使用重量单位,比如目前的F1赛车在300km/h左右时速下,下压力大约为2.5吨。考虑到目前F1的最低车重为746kg,所以从理论上来说,F1赛车速度起来后是可以轻松行驶在“屋顶”上的。
既然下压力就是利用气流产生的额外重量来帮助车辆通过弯道,那是不是增加车重也能提升车辆的操控呢?可在现实生活中,明明是越轻的车操控越好呀!这究竟是为什么呢?
我知道肯定有不少人会有这样的疑问,甚至就连某些汽车媒体老师都认为车重可以带来更好的下压力(如上图)。可显而易见的是,这种逻辑是完全错误的!那么同样是“额外”的重量,为什么下压力就能对弯道操控起到正面效果,而车重就只会拖累车辆的操控表现呢?
这是因为有重量的物体,就会拥有惯性。比如上图中,小车在撞墙后就完全停住了,但车内的长颈鹿却因为还具有向前移动的惯性,没能停止向前移动。这便导致长颈鹿的脖子会在车辆撞墙时前倾。可以想象的是,长颈鹿的脑袋越重,那么在车辆撞墙的那一刻,脖子向前倾斜的角度也就越大。这其实与我们急刹车时,身体会向前冲是一样的,都是受到了惯性的影响。
实际上,除了车内的人或物会受到惯性作用外,其实车辆自身的重量同样会受到惯性的影响,这也就是赛车界常说的“重量转移”。当车辆加速时,车身大部分重量会向后移动,增加后轮的压强;在刹车时,车身重量则会向前移动,增加前轮的压强。所以可以想象的是,在拐弯过程中,车身的重量则会向弯道的反方向移动,从而增加车辆外侧车轮的压强。
但问题是,车辆在拐弯时,即使轮胎已经改变了方向,可绝大部分重量还是会继续向前移动。此时,更大的车重势必会带来更多继续前移的重量,那车辆势必就更难快速完成拐弯的动作。由此可见,车辆越重,向前移动的重量就会越多,车辆的操控性自然也就越差。
此时反观下压力,由于它是由翼片撞风所形成的力,所以这股“额外”的重量是没有任何惯性的,是可以在没有任何负面影响的前提下,提升轮胎与地面之间压强的。所以,采用超轻车身+高下压力便成为了提高车辆过弯极限的最佳方案,这也是目前F1赛车的核心竞争力!
要想弄明白下压力是如何产生的,咱们只需搞明白上百吨的飞机是如何起飞的就行了。在这里一直存在着一个误区,就是飞机之所以能飞起来,其实并不是利用翼片角度“撞击”空气所产生的反作用力实现的。而是利用翼片上下端空气流速的不同,进而产生的压差起飞的。
众所周知,空气流速越快,其产生的压强也就越小,甚至还会产生能将东西吸起来的负压。反之流速越慢,相对的气压也就越大。而飞机起飞就是利用了这种特性,将机翼设计成上方空气流速更快,下方空气流速更慢的造型。最终使机翼上方的空气具有向上吸附的能力,同时下方产生的“高气压”也会向机翼上方的低气压区域移动,从而产生升力。
而在飞机起飞过程中,由于空气划过机翼的速度还不够快,所以还需要释放飞机的襟翼(红框部分),让机翼尾部产生攻角(翼片撞击空气的角度),从而加大当前时速下机翼上下端的流速差,帮助飞机离开地面。
而对于汽车来说,目前绝大部分能够产生下压力的车型,都是通过刚刚飞机机翼“倒装”的原理实现的。也就是使翼片上方变得流速慢、压强大,翼片下方变得流速快、压强小,从而产生下压力。不过,由于汽车的速度要比飞机慢得多,所以通常情况下汽车的翼片需要加上一定的攻角来加大空气流速差。
虽然说给车辆翼片加大攻角也能提升下压力,但这种做法的副作用是会增加阻力,不如完全利用翼片流速差的方法效果好。与此同时,没有攻角的话,空气通过翼片后的气流也会更加干净,不会产生过多的乱流,从而干扰到其它空力套件的工作效率。这也给了我们一个启示,就是不能单凭攻角的角度来判断一台车的下压力大小。
目前来看,一台车的下压力主要由三方面构成,它们分别是前翼、尾翼和尾部扩散器。其中车辆的前翼(前铲)更多是用来提高前轮的下压力。同时,由于前翼是车辆最先与空气接触的地方,所以前翼还会起到疏导气流,进而给后方引擎散热、进气,同时让后面翼片产生下压力的作用。因为前翼的角度不会太大,外加作用是疏导气流,不会产生真空区,所以前翼并不会对车辆的极速产生太大影响。
而尾翼的作用自然就是提高车辆尾部的下压力了。虽说更大的车尾下压力,会让车辆在弯中更趋向于稳定。但如果后尾翼角度过大的话,就会出现严重的推头现象,并且影响到车辆的极速。
其中,会导致推头是因为后尾翼角度越大,车尾的下压力也就越大,车辆前轮的抓地力也就会相对减少,最终便会引发推头。而极速降低,则是因为尾翼是车辆最后接触到空气的部件,后方并没有能继续承载空气的载体,所以气流通过尾翼后会产生具有吸力的“真空区”,进而增加车辆向前的行驶阻力。要知道的是,尾翼角度越大、车速越高,“真空区”的吸力也就会越大,极速也就越低。
最后要说的“尾部扩散器”,虽然名字中有“尾部”两个字,但事实上,尾部扩散器是一个贯穿整个车身的系统。通常从车身中部开始平整车底,并向后方疏导气流。通常情况下,级别越高的车型,尾部扩散器的起点就会越靠前,车底也就越平整。而之所以采用平整的车底,是因为越平整的车底,气流通过的速度也就越快,那么根据流速高压强小的定律,此时车底与地面之间的气压就会降低,进而产生将车辆吸附在地面的效果,也就是变向的下压力。而尾部扩散器的作用,就是通过车底预设好的通道快速将车底的空气排出,从而提高车底空气的流通效率。
通常情况下,一台赛车90%的下压力都会来自我们上面提到的前翼、尾翼和扩散器。至于剩下的10%,一般是由车身翼片所提供的。虽说它们产生的下压力不大,但事实上,这些车身翼片的主要工作是用来疏导气流的,通过将气流疏导“干净”并送至车辆后部,从而换来更大的车尾下压力。
既然由翼片撞风产生的下压力益处多多,那我们能否通过无止境的增加下压力,来提升人类汽车运动的圈速上限呢?首先给出答案:不行!至于为什么,请继续往下看!
对于飞机来说,机翼的尺寸越大,飞机的升力也就越大。所以对于将飞机翅膀“倒装”的赛车而言,如果安装尺寸更大的空力套件,下压力理应也会更大。但很可惜的是,赛车空力套件的尺寸大小与下压力之间并不是等效关系。换而言之,当空力套件尺寸大到一定地步后,下压力的变化就没有那么明显了。更何况,大尺寸翼片所带来的额外阻力、车身重量、车身宽度,也需要更大、更重的大马力发动机来克服。
除了空力套件尺寸无法等效提升下压力水平外,攻角(翼片的角度)同样也不能等比例提升车辆的下压力。这一点与飞机在大攻角下会失速十分相似。虽然更大的攻角可以显著提高空气对于车辆的下压力,但当角度大到一定程度后,空气就会像撞墙一般大幅降低流速,这时翼片所产生的下压力甚至还不如小攻角的状态。正因如此,一般赛车的翼片攻角都会设定的很小。
当车辆下压力大幅提升后,那车辆轮胎在弯道中所承受的横向G值肯定也会增大,这对于胎壁、胎面的耐受能力无疑是巨大的考验。这也意味着,哪怕下压力可以做到无限大,但以目前的轮胎技术来看,它们也将很快遇到瓶颈。
虽然下压力可以称得上是大自然的恩赐,但对于我们日常代步的家用车来说,下压力离我们还是太过遥远。首要原因便是这些能产生下压力的部件确实很难达到上路的标准。随着汽车碰撞法规越来越在乎车外人员的安全,像是大号的立标、跳灯都早已埋进了历史的坟墓。可想而知,锋利且裸露在外的空气动力学套件,自然无法通过如今苛刻的碰撞法规。
此外,要想使车底在高速行驶时建立真正的负压,从而将车辆吸附在地面上,除了需要尾部的扩散器以及保证车底的平整度外,其实对于车辆的离地间隙也有着很大的要求。通常来说,离地间隙越低,空气流速也就越快,所产生的吸附力也就越大。可对于咱们日常代步的家用车而言,过低的底盘高度显然是无法兼顾日常买菜的,那下压力自然也就无从谈起。
最终,那些使用场景在马路上的性能车,它们空气动力学套件存在的意义,其实更多是为了在高速行驶时,利用下压力来降低车辆的举升力,而非提升车辆的操控。毕竟像思域Type-R那样夸张的空气动力学套件,最终产生的下压力也不过66公斤而已,并不能对车辆的高速操控性带来太多帮助。
此外,在超高速情况下利用下压力过弯的情景,在日常道路中更是不存在的。如果你看过Top Gear第九季鼹鼠试驾雷诺F1赛车那集肯定就会明白,过快的过弯速度是会把人“吓尿”的,但如果放慢车速,那下压力又不足以让车辆通过弯道。这显然不是一般驾驶者能在公共道路上做出的事情,所以下压力根本不会对日常操控起到任何帮助。
最后,下压力对车重也有着很高的要求。这主要是因为车辆越重,向前的惯量也就越大,那么对于帮助车辆入弯的下压力需求也就越高。所以通常情况下,具有下压力的车型普遍不会太重,那车辆的内部舒适性配置自然也就不会太高了。而这一点与追求配置丰富程度的日常代步车显然是相违背的。综上所述,家用车基本就与空力套件所产生的下压力无缘了。
空气动力学其实是一个极其高深的学科,就连很多天价跑车也不过是利用主动尾翼进行辅助刹车而已。所以对于普通家用车来说,下压力根本就不会影响到我们的日常驾驶。既然如此,大家在提升车辆性能时,没事就别搞什么大尾翼了!当然,如果你有放水瓶的需求那就另当别论了!
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