2020/07/13

【F1小學堂】由Perez失速事件淺談空氣動力學-前翼

史泰爾馬克大獎賽倒數第二圈,久攻Albon不下的Perez終於在4號彎得到了他整場比賽唯一的一次挑戰機會……

作者:Osborn

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電光火石之間, Perez的左前輪與Albon的右後輪輕微擦碰,Albon的紅牛被頂到差點再度上演即視感,但Perez卻損失更重,拖著受創的鼻翼,他在一圈半之間將之前領先後面Ricciardo/Stroll/Norris集團的十幾秒全數賠光,讓Norris上演了精采的兩圈超三車,非常勉強地守住第6位。

看到這邊,各位讀者會不會覺得奇怪,到底為甚麼前翼一損傷,F1賽車的速度會一口氣掉著麼多?有經驗的同好們一定能立刻回答:因為賽車的流體力學被破壞、氣流沒辦法順利流過賽車、車子的下壓力會喪失很多、亂流會大大增加賽車的阻力……等等。如果你能順利回答出以上這些答案,那麼恭喜,你是看門道的車友了。如果不行,那也沒關係,且聽筆者細細說來,到底F1賽車的”空氣動力學”(Aerodynamic),是個什麼樣的奇妙玩意兒~

------以下為科普時間,想直接看空氣動力學說明,可尋找下個分隔線------

在解釋空氣動力學之前,我們先談談一些必需的物理學知識。

(一)氣壓

首先,氣體是由一個一個小小的氣體分子所組成,氣體分子密度越大,則其壓力越大。各位可以想像一顆籃球,剛買來時他是扁的,而隨著你把氣體打入球內,裡面這個狹小空間積累了越來越多的氣體分子,使的球內的氣體壓力不斷提升,最終撐起球皮,成了一顆圓滾滾的籃球。

(二)文丘里效應/文式效應

再來必須提到文丘里效應,這個效應是指,當流體流動時,一但進入空間較狹窄的瓶頸管道,流體的壓力會降低。又因為流體會迅速從高壓處往低壓處移動,所以壓力降低的同時,流速也會增快。文謅謅的講大家恐怕不懂,舉個實際點的例子,大家如果有用橡膠管接龍頭灑水過,當你用力擠出水口,讓管徑變小,水流就會瞬間變快,也能噴得更遠。如果這樣還是不能明白,大家先張嘴哈氣在手,再以相同的力道嘟嘴吹氣在手,就能清楚感受到文式效應了~

(三)牛頓第三運動定律/作用力與反作用力

我想這點應該不需要多提了,女朋友打你一把掌,她的手上跟你的臉上是一樣痛的(理論上,本實驗需在專業控制環境下進行,沒有適當防護不可輕易嘗試)。

------我是分隔線,若想直接看前翼說明,可跳下個分隔線------

介紹了一些基礎定理,接著我們開始進入空氣動力學。上圖是一個賽車翼片的側面圖。為甚麼翼片會是向上傾而不是向下斜呢?這是因為賽車如果要高速於賽道中奔馳,需要的是強大的下壓力,若是我們強行讓空氣向上流動,根據牛頓第三運動定律,則空氣會給予相同力道的反作用力,而這正是下壓力的由來。相對的,飛機機翼就是向下傾斜,因為飛機所需要的是升力,各位下次如果有搭飛機不妨可以注意一下。

好的,那向上偏斜的翼片會造成甚麼結果呢?首先,走翼片上方通過的氣流,因為是順水推舟,並不會受到太多阻礙,因此氣流的速度不會和原先差太多。然而,走下方的氣體就不同了,由於受到擠壓,根據文式定理,氣體的流速會加快。至於翼片下方的氣體為甚麼會跟著往上轉,而不會直射而出呢?我們先假設氣體直射而出,此舉會造成翼片的下方產生了一塊幾近真空的低壓區,根據氣體由高壓往低壓區流動的定律,翼片下方的氣體自然會跟著往上轉彎。

然而,若是翼片向上傾斜的攻角過大,導致翼片下方平射而出的氣流力量勝過氣流往低壓區流動的力量,此舉就會造成翼片上下方的氣流分離,進而對下壓力的產生造成負面影響,同等換到飛機飛行上就是失速。解決這個問題最直觀的方法就是降低翼片攻角,但有時賽車所需的下壓力可能大於產生氣體分離時所用的翼片攻角,這樣的問題又該如何解決呢?答案就是渦流。所謂渦流,就是一股不停打轉的氣流,其效應就是讓直線前進的氣流能緊貼其行,同時產生壁壘的效果,讓渦流以外的空氣無法突破這層防護。至於渦流如何產生,就讓我們進入今天的正題-賽車前翼。

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上圖是一張Racing Point賽車的前鼻翼,我們如果放大其中一片可以知道,翼片上方的空氣是流速較慢,且氣壓較大的,而翼片下方是流速較快,且壓力較小的,因此,上方的高壓氣體會不斷地想往下方的低壓區域跑,於是會在前翼的尖端產生氣體的旋轉,進而產生渦流。每一片前鼻翼,都能合併產生力量更強大的渦流,進而產生引導氣流緊貼賽車表面的作用。

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