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性能車,為什麼都裝尾翼?

汽車 蘿蔔報告

對於吃瓜群眾來說,判斷一臺車性能的好壞,基本採用的都是“車標法”,比如保時捷、蘭博基尼、法拉利的賽道性能就一定比其他品牌更好。而對於真正的Petrol Head(車迷)來說,只有“大尾翼、合金輪圈、跑車方向盤才叫車嘛!”(此金句源自頭文字D)

性能車,為什麼都裝尾翼?

不可否認,這句話說的確實在理,因為“大尾翼”的確是判斷一臺車賽道操控性能的核心要素之一。這主要是因為“大尾翼”能夠召喚出大自然的神秘力量,來幫助車輛提高彎道速度!而這個神秘力量就是“下壓力”!那我們究竟該如何提高下壓力?下壓力跟車身重量之間又有什麼直接關係嗎?答案盡在本文!

性能車,為什麼都裝尾翼?

簡單來說,下壓力就是空氣在高速通過車輛翼片後帶來的額外重量。而這股額外重量,又會對輪胎形成額外的壓力,致使輪胎與地面之間的壓強變大,進而增加輪胎與地面之間的咬合力度。也正因如此,車輛的時速會直接決定下壓力的大小。

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通常情況下,在形容下壓力大小時都會直接使用重量單位,比如目前的F1賽車在300km/h左右時速下,下壓力大約為2.5噸。考慮到目前F1的最低車重為746kg,所以從理論上來說,F1賽車速度起來後是可以輕鬆行駛在“屋頂”上的。

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既然下壓力就是利用氣流產生的額外重量來幫助車輛通過彎道,那是不是增加車重也能提升車輛的操控呢?可在現實生活中,明明是越輕的車操控越好呀!這究竟是為什麼呢?

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我知道肯定有不少人會有這樣的疑問,甚至就連某些汽車媒體老師都認為車重可以帶來更好的下壓力(如上圖)。可顯而易見的是,這種邏輯是完全錯誤的!那麼同樣是“額外”的重量,為什麼下壓力就能對彎道操控起到正面效果,而車重就只會拖累車輛的操控表現呢?

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這是因為有重量的物體,就會擁有慣性。比如上圖中,小車在撞牆後就完全停住了,但車內的長頸鹿卻因為還具有向前移動的慣性,沒能停止向前移動。這便導致長頸鹿的脖子會在車輛撞牆時前傾。可以想象的是,長頸鹿的腦袋越重,那麼在車輛撞牆的那一刻,脖子向前傾斜的角度也就越大。這其實與我們急剎車時,身體會向前衝是一樣的,都是受到了慣性的影響。

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實際上,除了車內的人或物會受到慣性作用外,其實車輛自身的重量同樣會受到慣性的影響,這也就是賽車界常說的“重量轉移”。當車輛加速時,車身大部分重量會向後移動,增加後輪的壓強;在剎車時,車身重量則會向前移動,增加前輪的壓強。所以可以想象的是,在拐彎過程中,車身的重量則會向彎道的反方向移動,從而增加車輛外側車輪的壓強。

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但問題是,車輛在拐彎時,即使輪胎已經改變了方向,可絕大部分重量還是會繼續向前移動。此時,更大的車重勢必會帶來更多繼續前移的重量,那車輛勢必就更難快速完成拐彎的動作。由此可見,車輛越重,向前移動的重量就會越多,車輛的操控性自然也就越差。

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此時反觀下壓力,由於它是由翼片撞風所形成的力,所以這股“額外”的重量是沒有任何慣性的,是可以在沒有任何負面影響的前提下,提升輪胎與地面之間壓強的。所以,採用超輕車身+高下壓力便成為了提高車輛過彎極限的最佳方案,這也是目前F1賽車的核心競爭力!

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要想弄明白下壓力是如何產生的,咱們只需搞明白上百噸的飛機是如何起飛的就行了。在這裡一直存在著一個誤區,就是飛機之所以能飛起來,其實並不是利用翼片角度“撞擊”空氣所產生的反作用力實現的。而是利用翼片上下端空氣流速的不同,進而產生的壓差起飛的。

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眾所周知,空氣流速越快,其產生的壓強也就越小,甚至還會產生能將東西吸起來的負壓。反之流速越慢,相對的氣壓也就越大。而飛機起飛就是利用了這種特性,將機翼設計成上方空氣流速更快,下方空氣流速更慢的造型。最終使機翼上方的空氣具有向上吸附的能力,同時下方產生的“高氣壓”也會向機翼上方的低氣壓區域移動,從而產生升力。

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而在飛機起飛過程中,由於空氣劃過機翼的速度還不夠快,所以還需要釋放飛機的襟翼(紅框部分),讓機翼尾部產生攻角(翼片撞擊空氣的角度),從而加大當前時速下機翼上下端的流速差,幫助飛機離開地面。

而對於汽車來說,目前絕大部分能夠產生下壓力的車型,都是通過剛剛飛機機翼“倒裝”的原理實現的。也就是使翼片上方變得流速慢、壓強大,翼片下方變得流速快、壓強小,從而產生下壓力。不過,由於汽車的速度要比飛機慢得多,所以通常情況下汽車的翼片需要加上一定的攻角來加大空氣流速差。

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雖然說給車輛翼片加大攻角也能提升下壓力,但這種做法的副作用是會增加阻力,不如完全利用翼片流速差的方法效果好。與此同時,沒有攻角的話,空氣通過翼片後的氣流也會更加乾淨,不會產生過多的亂流,從而幹擾到其它空力套件的工作效率。這也給了我們一個啟示,就是不能單憑攻角的角度來判斷一臺車的下壓力大小。

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目前來看,一臺車的下壓力主要由三方面構成,它們分別是前翼、尾翼和尾部擴散器。其中車輛的前翼(前鏟)更多是用來提高前輪的下壓力。同時,由於前翼是車輛最先與空氣接觸的地方,所以前翼還會起到疏導氣流,進而給後方引擎散熱、進氣,同時讓後面翼片產生下壓力的作用。因為前翼的角度不會太大,外加作用是疏導氣流,不會產生真空區,所以前翼並不會對車輛的極速產生太大影響。

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而尾翼的作用自然就是提高車輛尾部的下壓力了。雖說更大的車尾下壓力,會讓車輛在彎中更趨向於穩定。但如果後尾翼角度過大的話,就會出現嚴重的推頭現象,並且影響到車輛的極速。

其中,會導致推頭是因為後尾翼角度越大,車尾的下壓力也就越大,車輛前輪的抓地力也就會相對減少,最終便會引發推頭。而極速降低,則是因為尾翼是車輛最後接觸到空氣的部件,後方並沒有能繼續承載空氣的載體,所以氣流通過尾翼後會產生具有吸力的“真空區”,進而增加車輛向前的行駛阻力。要知道的是,尾翼角度越大、車速越高,“真空區”的吸力也就會越大,極速也就越低。

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最後要說的“尾部擴散器”,雖然名字中有“尾部”兩個字,但事實上,尾部擴散器是一個貫穿整個車身的系統。通常從車身中部開始平整車底,並向後方疏導氣流。通常情況下,級別越高的車型,尾部擴散器的起點就會越靠前,車底也就越平整。而之所以採用平整的車底,是因為越平整的車底,氣流通過的速度也就越快,那麼根據流速高壓強小的定律,此時車底與地面之間的氣壓就會降低,進而產生將車輛吸附在地面的效果,也就是變向的下壓力。而尾部擴散器的作用,就是通過車底預設好的通道快速將車底的空氣排出,從而提高車底空氣的流通效率。

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通常情況下,一臺賽車90%的下壓力都會來自我們上面提到的前翼、尾翼和擴散器。至於剩下的10%,一般是由車身翼片所提供的。雖說它們產生的下壓力不大,但事實上,這些車身翼片的主要工作是用來疏導氣流的,通過將氣流疏導“乾淨”並送至車輛後部,從而換來更大的車尾下壓力。

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既然由翼片撞風產生的下壓力益處多多,那我們能否通過無止境的增加下壓力,來提升人類汽車運動的圈速上限呢?首先給出答案:不行!至於為什麼,請繼續往下看!

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對於飛機來說,機翼的尺寸越大,飛機的升力也就越大。所以對於將飛機翅膀“倒裝”的賽車而言,如果安裝尺寸更大的空力套件,下壓力理應也會更大。但很可惜的是,賽車空力套件的尺寸大小與下壓力之間並不是等效關係。換而言之,當空力套件尺寸大到一定地步後,下壓力的變化就沒有那麼明顯了。更何況,大尺寸翼片所帶來的額外阻力、車身重量、車身寬度,也需要更大、更重的大馬力發動機來克服。

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除了空力套件尺寸無法等效提升下壓力水平外,攻角(翼片的角度)同樣也不能等比例提升車輛的下壓力。這一點與飛機在大攻角下會失速十分相似。雖然更大的攻角可以顯著提高空氣對於車輛的下壓力,但當角度大到一定程度後,空氣就會像撞牆一般大幅降低流速,這時翼片所產生的下壓力甚至還不如小攻角的狀態。正因如此,一般賽車的翼片攻角都會設定的很小。

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當車輛下壓力大幅提升後,那車輛輪胎在彎道中所承受的橫向G值肯定也會增大,這對於胎壁、胎面的耐受能力無疑是巨大的考驗。這也意味著,哪怕下壓力可以做到無限大,但以目前的輪胎技術來看,它們也將很快遇到瓶頸。

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雖然下壓力可以稱得上是大自然的恩賜,但對於我們日常代步的家用車來說,下壓力離我們還是太過遙遠。首要原因便是這些能產生下壓力的部件確實很難達到上路的標準。隨著汽車碰撞法規越來越在乎車外人員的安全,像是大號的立標、跳燈都早已埋進了歷史的墳墓。可想而知,鋒利且裸露在外的空氣動力學套件,自然無法通過如今苛刻的碰撞法規。

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此外,要想使車底在高速行駛時建立真正的負壓,從而將車輛吸附在地面上,除了需要尾部的擴散器以及保證車底的平整度外,其實對於車輛的離地間隙也有著很大的要求。通常來說,離地間隙越低,空氣流速也就越快,所產生的吸附力也就越大。可對於咱們日常代步的家用車而言,過低的底盤高度顯然是無法兼顧日常買菜的,那下壓力自然也就無從談起。

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最終,那些使用場景在馬路上的性能車,它們空氣動力學套件存在的意義,其實更多是為了在高速行駛時,利用下壓力來降低車輛的舉升力,而非提升車輛的操控。畢竟像思域Type-R那樣誇張的空氣動力學套件,最終產生的下壓力也不過66公斤而已,並不能對車輛的高速操控性帶來太多幫助。

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此外,在超高速情況下利用下壓力過彎的情景,在日常道路中更是不存在的。如果你看過Top Gear第九季鼴鼠試駕雷諾F1賽車那集肯定就會明白,過快的過彎速度是會把人“嚇尿”的,但如果放慢車速,那下壓力又不足以讓車輛通過彎道。這顯然不是一般駕駛者能在公共道路上做出的事情,所以下壓力根本不會對日常操控起到任何幫助。

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最後,下壓力對車重也有著很高的要求。這主要是因為車輛越重,向前的慣量也就越大,那麼對於幫助車輛入彎的下壓力需求也就越高。所以通常情況下,具有下壓力的車型普遍不會太重,那車輛的內部舒適性配置自然也就不會太高了。而這一點與追求配置豐富程度的日常代步車顯然是相違背的。綜上所述,家用車基本就與空力套件所產生的下壓力無緣了。

性能車,為什麼都裝尾翼?

空氣動力學其實是一個極其高深的學科,就連很多天價跑車也不過是利用主動尾翼進行輔助剎車而已。所以對於普通家用車來說,下壓力根本就不會影響到我們的日常駕駛。既然如此,大家在提升車輛性能時,沒事就別搞什麼大尾翼了!當然,如果你有放水瓶的需求那就另當別論了!

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