用最簡單的話語闡述空氣力學

F1賽車都會在實驗室裡模擬各種不同的氣流。

飛機利用機翼、運用氣流才得以翱翔於天際,而單座位賽車也必須利用擾流翼來提昇高速行駛時的穩定性。在地上跑的與天上飛的,雖然給人截然不同的印象,但是飛機機翼與賽車擾流翼,卻都是依據同樣的基本概念所研發出來。

「下壓力」這個字,已經成為談論賽車性能時必會出現的詞彙,也是評論賽車設計是否成功時經常可見的一個字眼。從這一點來看,可以了解到在空氣力學的領域中,「下壓力」可是攸關於賽車性能的表現。


從這張圖可以看出氣流的路徑。

正因為下壓力的影響之大,所以目前各類型比賽裡的參賽車輛,幾乎都必須仰賴下壓力的幫助。這個情形在越野賽車上也看得到,目前的WRC賽車在某些賽道上也有效運用擾流翼。

以一種簡單的方式來說明,如果將飛機機翼的表裡兩面倒反過來,就是賽車上所配備的擾流翼。飛機的機翼是用來產生浮力的,配備在賽車上的擾流翼則是反過來,利用空氣力量將車體往下壓向路面。

因 此,賽車擾流翼的作用剛好與飛機機翼相反,但是從空氣力學的角度來看,兩者所運用的原理可說是一模一樣。換言之,飛行中飛機所承受到的氣流與機翼的搖擺方 式,其實與發生在賽車上的情形具有共通點。各位讀者如果有機會搭乘飛機時,而且運氣很好能夠坐在看得見機翼的座位時,請仔細觀察機翼的動作。


牛魔王輔助翼是McLaren車隊首先開發出來的空例套件。

數十年前,俗稱「香腸車」的F1賽車上並未配備擾流翼,而且整個車體的設計與構造與今日的F1賽車完全不同,而且 胎寬較窄。但是後來,F1賽車的車體變成流線造型,也開始裝上前後擾流翼,車胎變得較寬,車身高度也變得較為扁平,車身設計的演化速度越來越快。這樣的改 變是因為F1賽車的時速已經超過300km/h,當車速過快就會產生「離心力」。

在比賽當中,如果想要超越前車,都是利用進入彎道這段時間來進行攻擊。假設過彎時的速度以往為100km/h,現在提升到200km/h時會發生什麼情形?當過彎速度大幅加快時,將車身的離心力會變得更大,倘若不理會這股力量,還一昧地加速過彎的話,賽車一定會側滑出場。

為了對抗這股強大的離心力,賽車設計師利用將車身由上往路面壓住的力量,以消彌所增加的離心力,這就是所謂的運用下壓力。除此之外,為了因應過彎車速的加快,當然還需要提升懸吊系統(也就是所謂的機械下壓力)、輪胎等部份的性能。

總之,賽車場可說是眾多彎道的集合體,因此賽車如何加速成功過彎就成為一決勝負的分水嶺。這也是各車隊的賽車設計師紛紛運用下壓力的原因。附帶說明一點,當賽車的過彎性能越好,賽車手所承受的橫向G值的比例也會隨之升高,特別是賽車手頸部所感受到的G力更是極為強勁。


現今F1賽車的側邊輔助翼板已經非常多樣化了。

有效運用下壓力,配合一套抓地力優異的輪胎,對提升車身穩定性是十分有幫助的。在談到賽車的操控性時,轉向不足以及轉向過度,是常被使用到的專有名詞。
有的車手喜歡在操控上偏向轉向不足,有些則喜歡帶些轉向過度,但是基本上,賽車操控性最大前提是必須做到中性轉向,因此車隊的技師們才會埋首於懸吊與輪胎間的幾何配置。不過在不改變懸吊系統等底盤相關結構之下,其實也能夠改變賽車的操控特性:利用下壓力。

當 賽車出現轉向不足的現象時,只要增加前輪的抓地力就可以解決這個問題。如果在不改變輪胎與懸吊的前提下,該如何增加前輪的抓地力呢?如果要消除轉向不足的 問題,一般而言,就是調高前擾流翼的上揚角度,就能增加車頭的下壓力,進而提升前輪的抓地力。如果發生轉向過度,同理將尾翼角度調高,車尾的抓地力自然變 佳,轉向過度的問題就可以解決。

雖然調大下壓力可以解決操控性上的問題,但這卻會造成另一個弊端,那就是增加的阻力,也就是說賽車在直線 上的速度會變慢。這對超車之地點較少的賽道、或是高速型賽道而言,都是會直接影響到整體成績的,那這是否也意味著在高速型的賽道中,應該盡量排除運用下壓 力呢。錯了,以賽車空氣動力學角度上來看,下壓力是不可缺少的重要元素。


近來針對各賽道的特性,開發出所謂「特定賽道使用的空氣力學套 件」,這種情形已經是F1裡普遍的現象。當工程師得在下壓力與阻力之間取得平衡點時,一些小型的空力組件因而誕生,這可以在盡量不調大前後翼角度的同時, 提供賽車一定程度的下壓力。破風板、側箱頂置小翼、車側收尾式上揚翼板、車頂牛魔王式翼片(McLaren與BMW- Sauber車隊)等,都是近幾年所研發出來增加下壓力的產物。

目前F1賽車的空氣力學領域中,如何追求在減輕阻力與有效利用下壓力之間取得最佳的妥協性,正是各車隊空力部門所努力的範疇,但這個理想在短期內似乎不容易實現。




來源:http://tw.autos.yahoo.com/auto_expert_article/url/d/a/070203/7/130v.html


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