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F1賽車元件大掃描之車身
ESPNSTAR.COM.TW 2003年11月18日 18:55 來源：
說到F1賽車車身，最值得大書特書的便是各種空氣動力學元件。由碳纖維打造的車身
和底盤固然是一個亮點，但由於空氣動力學原理在F1賽車車身和底盤設計上的廣泛應用，
使F1車隊對於空氣動力學的研究和相應的元件設計到達了其他任何賽車都無法比擬的水準
和規模，這正是F1卓爾不群的原因之一。
對空氣動力學在賽車設計上應用的研究工作是近20年才興起的。上世 紀60年代，F1車
隊認識到在車身不同地方加裝翼板等擾流部件能夠有效提高賽車在彎道上的速度。但由於
當時缺乏理論體系指導，對這些翼板該加裝在什麼地方，翼板的面積應該多大，角度如何
，車隊並沒有一個成形的概念，大家都在不斷摸索和嘗試中。再加上當時的加工工藝並不
成熟，翼板在比賽中脫落造成傷亡的例子比比皆是，於是，在賽車上加裝空氣動力學部件
一度被禁止。然而，隨著空氣動力學理論體系的發展，加上電腦科技的興起，使車隊深入
研究空氣動力學對賽車影響的想法變為可能。
影響賽車速度的幾種阻力
空氣動力學看起來是一個很讓人傷腦筋的名字：空氣也能產生動力？其實，這裏說的
空氣動力並不是要把空氣變成賽車的動力，而是讓空氣在賽車高速行駛過程中的高速流動
而為生的氣壓變成對賽車有利的力量。首先我們來分析一下，在賽車的運動過程中，哪些
力量構成對賽車的阻力。
首先，所有的液體和氣體都是由可滑動的粒子組成的。當液體或氣體通過一個表面時
，最靠近表面的粒子層會附著在表面上。而這一層之上的粒子運動會因為物體表面相對靜
止不動的粒子層而減慢。同樣，這一層以上的粒子的運動也會受到影響，導致滑動速度的
減慢，只是減少量減小了。離物體表面越遠，粒子層受的影響越小，直到它們以自由粒子
移動。那一段導致粒子滑行速度減慢的層，稱之為臨界層。它出現在物體的表面，形成表
面摩擦力。學過中學物理對分子力學有初步認識的讀者應該很容易理解這一點。
力需要改變分子的運動方向，於是形成了第二種力，稱之為形狀應力。在空氣動力學
中，尺寸也是因素。賽車的前鼻（當你正面看到賽車的那一部分）越小，分子改變方向的
面積越小，也越容易通過。少量的引擎動力被流動的空氣所吸收，絕大多數都轉化為在賽
道上疾駛的動力。在規定的引擎作用下，賽車就能跑得更快。
然而事情並不是那麼簡單──物體的形狀也很重要，它決定了分子移動的難易。空氣
習慣附著於物體表面，所以在氣流中拉動一個光滑表面的盤子要比拉一個類似前鼻的弧線
狀碗困難得多。氣流會在碗狀表面上翻轉，但是卻會黏著在光滑的盤子表面。空氣動力學
的研究發現，"淚珠"狀形體最易於通過氣流。圓頭在前，尖端在後，大多數人可能覺得很
奇怪。
當氣流沿著曲線運動（或是改變方向），只要是薄薄的，它的運動不會發生改變。然
而，當曲線有一定的形狀，或者方向突然變化（就像遇到尖的物體），氣流會在物體表面
一分為二，而沒有足夠的能量來通過表面。這種情況是需要避免的，因?臨界層是很厚的，
前面的氣流就會減慢，並像固體表面一樣阻擋了後面的氣流。所以尖的物體通過氣流只能
產生更大的阻力。
那麼是不是圓形物體在空氣中運動最為理想呢？錯了！當一個球在空氣中運動,一開始
氣流會隨著球的弧線而變化，然而，當它通過球體半徑最大處後，氣流仍會追尋球的弧線
，但這時球面已急劇趨向減少。對於氣流運動來說這是最困難的，所以當氣流通過半徑點
後，就不再依附於球體表面，而變得散亂無章。散亂的氣流會無序地旋轉，比起自由運動
的氣流產生的壓力較小，所以會產生吸引力來阻礙球體的運動，減慢其運動速度。而前面
所提及的淚珠狀物體，當氣流通過類似球體的弧線後到達臨界破壞點時，淚珠狀形體會有
一個傾斜面來支撐氣流的運動。物體得以乾淨利落地以最小的阻力從氣流中通過。舉個簡
單的例子：一個自由下落的懸垂液滴必定是淚珠狀，因?這樣的空氣阻力最小，如果只是
簡單的球面，只會造成更大的阻力。
最後一種應力是誘導應力，它是下壓力不可避免的?物，表現形式是氣流漩渦，這種漩
渦可以在下雨天流經賽車尾翼的水汽中看的清清楚楚。
翼板等關鍵性空氣動力學部件的設計靈感：從流動的空氣中獲得下壓力
很多人會立刻發問：既然存在形狀應力，為什麼F1賽車的外形不做成完全的淚滴形狀
？這樣不是阻力最小?？對，但也不全對。F1賽車車身的設計師最先考慮的問題是獲得足夠
的下壓力從而使輪胎有足夠的抓著力緊貼地面，其次才是阻力。這是由於：一、賽車經常
需要急促地加速、減速，這時候必須保證足夠的地面抓著力；二、賽車在行駛中變換方向
的時候很容易受到離心力的作用，這時候單憑車身的重量很難維持賽車輪胎對地面的抓著
力，容易造成失控，而抓著力越高，賽車在過彎時的速度就可以提高；三、F1賽車引擎能
夠輸出足夠的馬力，讓賽車在相當大的阻力下依然能獲得高速度。在這三點因素共同作用
下，抓著力成為了第一要素。那麼，怎樣從流動的空氣中獲得下壓力呢？
答案其實很簡單，只要看看飛機的機翼就會明白。在空氣動力學中，機翼的作用是在
空氣流動的時候?生升力，其原理是這樣的：當空氣流過機翼的時候，一部分從翼板上方流
過，一部分則從下方，而最後這兩部分空氣在翼板後方重新結合起來。飛機的機翼設計讓
機翼的上表面比下表面更長，從而使機翼上面的空氣流速要比機翼下方流速快。一個名叫
貝努利的聰明人發現，空氣流速一快，則其密度減小，氣壓相應減小，這樣，飛機機翼上
方的氣壓就比下方的氣壓小，從而產生升力。
那麼在賽車上又如何呢？──只要我們把機翼的形狀倒過來，就可產生下壓力，如圖
所示（注意翼板等關鍵性空氣動力學部件的截面是什麼形狀的──淚滴形）。
看似簡單的原理，但是一直到了上世紀七十年代末才有人想到這一點，這個人便是現
任邁凱輪車隊首席設計師──艾得安‧紐維。他從南安普頓大學畢業時的畢業論文便是以
此為題，其時他尚是一個初出茅廬的小子，但是這一石破天驚的想法讓他成為了F1賽車設
計和空氣動力學結合的開山鼻祖。
在賽車和地面的距離如此之貼近的情況下，類似的原理越靠近地面越能得到充分發揮
，八十年代初的蓮花賽車便擁有這個形狀的底盤，這樣的底盤當時被稱為「地面效應」底
盤，成績斐然，後來由於賽會禁止才沒有進一步發展下去。
賽車車身設計師的探索
賽車車身設計師們必須將影響空氣動力表現的各種因素都分析得清清楚楚。所幸的是
，經過多年的經驗積累，影響賽車空氣動力學表現的不外乎以下幾個因素：空氣密度、空
氣速率、受力面截面面積、升力係數（或稱為拖曳力係數）。
其中作用最大的莫過於速率，因為受力和速度的平方成正比，也就是說速度增加到原
來的三倍的話，受力大小會增加到原來的九倍！空氣密度和氣溫、濕度和海拔高度都有關
係，這也是為什麼賽車的空氣動力學調校要參考賽道當時的氣溫、空氣濕度和海拔高度的
原因。
升力係數反映受力表面製造升力（拖曳力）的能力，通常由材料的平滑度和形狀決定
。看上去很簡單的幾個數位，但是代表的內涵絕不簡單，對完美的空氣動力學設置（帶來
最大下壓力的同時阻力最小）的探索從來就沒有停止過，有時候即使是紐維這樣的大師，
也不見得能夠找到最切合賽車和當時賽道情況的最佳方案。
這次我講了賽車車身各種擾流部件所應用的空氣動力學原理。下次，我們將從原理出
發，深入淺出地介紹如何設計、應用和調校車身的這些空氣動力學部件。