时速300公里，F1赛车的空气魔法之旅

电影《F1：狂飙飞车》自上映后好评如潮。当布拉德·皮特驾驶着F1赛车在赛道上飞驰，大量第一视角镜头让观众体验到了时速300千米的狂飙快感。惊险的超车瞬间、车祸和起火事故，让人肾上腺素飙升。

影片细节详实准确，车手在赛道上“打开尾翼然后嗖地一下飞出去”的操作，与同伴、车队技术人员的配合与拆台，甚至车祸都有真实原型。

电影中赛车冲出赛道引发大火（上图），与格罗斯让当年的严重事故几乎如出一辙（下图）

这些细节背后，都离不开空气动力学这门学科。

“脏空气”，F1赛车的隐形敌人

电影里，布拉德·皮特饰演的桑尼·海耶斯准备超越前车时，赛车开始颠簸。他大骂“我们的车太差了”“车在dirty air里晃得厉害”，赛场旁的技术总监无奈地把脸埋进手里。

这“脏空气”究竟是什么？

它也叫“扰流”，是F1赛车高速行驶时，车身后方产生的紊乱气流。赛车以近300公里/小时的速度前进，就像巨大搅拌器，把身后空气搅乱，原本平稳的层流变成杂乱的乱流。

车尾乱流丨上图来自supermoto8

对于后车来说，“脏空气”是噩梦。赛车的空气动力学设计受干扰，难以控制，抓地力下降，就像飞机飞入乱流会颠簸。

F1赛车近似于“地面上驾驶的飞机”。

飞机起飞前滑行，动力系统与飞行时相同，但速度低，空气动力设计难起作用，靠发动机推进。进入跑道加速，空气动力开始发挥作用，速度越快，升力越强。

图片来自Anirudh Singh

F1赛车极速接近300km/h，空气动力影响大，更像贴地飞行的“地效飞行器”，不过赛车追求下压力，与飞行器相反。

地效翼船（eworldship.com）与F1赛车模型（PERRINN团队）

工程师用“多自由度”系统描述赛车在气流中的状态。F1赛车像有6个方向可动的物体，能前后、左右、上下移动，还能前后俯仰、左右侧倾和水平旋转。

赛车前后俯仰和左右倾侧的示意图

“脏空气”干扰赛车的“自由度”运动，使后车下压力下降，难以驾驭，失去平衡。

利用空气动力学，让车更快更稳

电影中，技术团队对车辆进行空气动力学优化，增强了下压力和稳定性。

引擎相差不大时，提升下压力（抓地力），能更高效传递动力，提升赛车牵引力，让车跑得更快。

赛车有6自由度，这是其中XYZ方向的示意图

让赛车更快，除增强动力，还需减小阻力，包括风阻。

风阻越小越好吗？

通过空气动力学设计，风阻可转化为下压力“压住”赛车。但风阻变小，下压力也可能变小。

所以要改进设计，用小的风阻带来大的下压力，提高赛车空气动力效率。

精心设计的前翼与尾翼，可在车辆前后轴建立向下的气动压力区域，提升抓地力，直道弯道都出色。

尾翼设计更关键。F1赛车后轮驱动，后轮抓地力影响动力释放。尾翼与飞机机翼相反设计，使空气形成向下压力。电影中尾翼有显著攻角，增强下压力，提高后轮抓地力。

F1赛车需要利用空气得到下压力丨Cleo Abram

真实F1历史上，莲花公司创始人科林·查普曼最早将空气动力学用于F1比赛。1968年为Lotus 49B加入尾翼，助格拉汉姆希尔夺冠，开启F1空力时代。1978年发现地面效应，Lotus 79助马里奥·安得雷蒂获F1总冠军。如今各车队空气动力学调教有别，但原则相同。

Lotus 49B

电影中凯莉·抗顿饰演的女主角凯特·麦肯娜，集车队技术总监等多种角色于一体，通过风洞测试找到赛车最优空力调教，并指导应用于比赛。

调节尾翼，减阻加速

电影男二号约书亚·皮尔斯（JP）超车前，将前倾尾翼调成水平，启动“可调尾翼”系统DRS（减阻系统）。

尾翼攻角越大，下压力越强，超车时为何“关闭尾翼”？

这体现了F1空气动力学的精密性。前车扰流使后车尾翼受不均匀冲击，产生气动震荡，尾翼无法有效产生下压力，还削弱后轮抓地力。

为摆脱困境，车手超车时开启DRS，让尾翼上层翼片变水平，减小攻角，减少风阻，让赛车直线加速，创造超车机会。

DRS减阻系统示意丨Cleo Abram@youtube

尾翼贡献的下压力只占总下压力的17%左右，前翼（23%）和车身底部（60%）是主要来源。短时间“关闭”尾翼对赛车稳定性影响有限，能带来速度优势，实现超车。

赛车气动下压力分布图

令人惊叹的“尾流加速”

电影中“桑尼”与“约书亚”比赛末尾的“尾流加速”令人血脉贲张。这种超车方式虽不常见，但原理成立。

前面提到“扰流”，若后车与前车距离近，时机和位置精准，可进入前车尾流的“低压区”，像被前车“吸”着跑。

跟车气压分布云图丨https://www.zhihu.com/question/473520737/answer/2075219233

此时后车前方空气阻力降低，前车已“推开”大部分空气。同时，车头车尾气压差缩小，气动压差阻力减小。

“破风”和“低压区吸附”使后车短时间获得额外加速度，提升极速。电影中桑尼带出尾流，约书亚紧贴其后，随后桑尼闪开，约书亚冲刺超车，完美呈现“尾流加速”原理。

电影中的精彩瞬间表明，F1赛车不仅是速度比拼，更是空气动力学与工程智慧的较量。其每个细节都凝聚着顶尖智慧。

下次看F1比赛或重温电影，你或许能看出更多门道。

作者：鱼有吉 Timo

编辑：Luna

本文来自微信公众号“果壳”（ID：Guokr42），作者：鱼有吉，36氪经授权发布。

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