力学在赛车中的应用

《力学在赛车中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《力学在赛车中的应用（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2010 10 25 QQ 993801914 力学在赛车中的应用 制作人 严健康 相信精彩的F1赛事大家都不陌生吧 F1 中文称为 一级方程式锦标赛 是英文FormulaGrandPrix的简称 目前这项比赛的正式全名为 FIAFormulaOneWorldChampionship 一级方程式赛车世界锦标赛 F1是当今世界最高水平的赛车比赛 与奥运会 世界杯足球赛并称为 世界三大体育 他们都是驾驭空气的大师 纪录之王舒马赫 艺术大师方吉奥 巴西的民族英雄塞纳 父子两代皆丧生赛场的阿斯卡利 克拉克魂归苏格兰 差点成为射击冠军的斯图尔特 两进F1的劳达 特鲁利 中国的赛车手韩寒 强大的离心力 F

2、1车手是体魄最强健的运动员之一 因为F1赛车的驾驶方式和车手所必须承受的强大离心力 和驾驶一般车辆有天壤之别 不仅要体能状态优于常人 更要有沉着冷静分析的头脑 颈部 观察F1车手你可以发现他们都有看起来几乎与头部同样宽的粗壮颈部 因为在驾驶F1赛车时戴着安全帽的头部是外露于驾驶舱之外的部分 除了在过弯时必须承受4个G的横向离心力之外 在刹车时往前的减速力道更超过5个G 在那样的高离心力状态之下 头部和头盔的重量会变成原来的5倍 约25公斤 因此需要有特别强壮的颈部来抵抗离心力 并保持头部在一定的位置 手臂及手腕肌肉 其次他们的手臂及手腕肌肉是极度发达的 以往操作F1的方向盘需要约30公斤的力量

3、 即使今日的F1可使用动力方向盘来减轻车手负担 但是在高速时空气下压力的作用之下 转动方向盘仍是相当费力 过弯时更需要强壮的手臂来把赛车维持在车手想要的行进路线上 在300公里的比赛过程中 强壮的手臂与手腕是必须的 心肺功能和耐热性 此外在过弯时强大横向离心力 会让体内血液流向单边 但此时车手仍需有冷静的思考才能面对下一个弯道 而起跑时心跳高达每分钟190下 比赛过程中的心跳都在160下 因此赛车手的心肺功能必须异于常人的强壮 身体的耐热性对F1车手也是重要的 在凉爽的欧洲地区赛站比赛时 驾驶舱内的温度就可高达摄氏50 60度 虽然不断补充水分 但将近2个小时的比赛下来身体脂肪的消耗及脱水总和

4、将超过4公斤 若是一般人在那样大量脱水的情况会造成休克 而F1车手在下车后却还能谈笑自若 空气动力学 说到F1赛车车身 最值得大书特书的便是各种空气动力学组件 由碳纤维打造的车身和底盘固然是一个亮点 但由于空气动力学原理在F1赛车车身和底盘设计上的广泛应用 使F1车队对于空气动力学的研究和相应的组件设计到达了其他任何赛车都无法比拟的水平和规模 这正是F1卓尔不群的原因之一 影响赛车速度的几种阻力 首先 所有的液体和气体都是由可滑动的粒子组成的 当液体或气体通过一个表面时 最靠近表面的粒子层会附着在表面上 而这一层之上的粒子运动会因为物体表面相对静止不动的粒子层而减慢 同样 这一层以上的粒子的运

5、动也会受到影响 导致滑动速度的减慢 只是减少量减小了 离物体表面越远 粒子层受的影响越小 直到它们以自由粒子移动 那一段导致粒子滑行速度减慢的层 称之为临界层 它出现在物体的表面 形成表面摩擦力 力需要改变分子的运动方向 于是形成了第二种力 称之为形状应力 赛车的前鼻 当你正面看到赛车的那一部分 越小 分子改变方向的面积越小 也越容易通过 少量的引擎动力被流动的空气所吸收 绝大多数都转化为在赛道上疾驶的动力 在规定的引擎作用下 赛车就能跑得更快 物体的形状也很重要 它决定了分子移动的难易 空气动力学的研究发现 泪珠状形体最易于通过气流 圆头在前 尖端在后 最后一种应力是诱导应力 它是下压力不可

6、避免的产物 表现形式是气流漩涡 这种漩涡可以在下雨天流经赛车尾翼的水汽中看的清清楚楚 既然存在形状应力 为什么F1赛车的外形不做成完全的泪滴形状 这样不是阻力最小么 对 但也不全对 我们可以考虑 要想赛车跑得更快 就要阻力最小 而又要有足够的下压力使赛车稳定而不漂浮起 怎么处理这两个问题呢 实际上F1赛车车身的设计师最先考虑的问题是获得足够的下压力从而使轮胎有足够的抓着力紧贴地面 其次才是阻力 原因有三 一 赛车经常需要急促地加速 减速 这时候必须保证足够的地面抓着力 二 赛车在行驶中变换方向的时候很容易受到离心力的作用 这时候单凭车身的重量很难维持赛车轮胎对地面的抓着力 容易造成失控 而抓着

7、力越高 赛车在过弯时的速度就可以提高 三 F1赛车引擎能够输出足够的马力 让赛车在相当大的阻力下依然能获得高速度 怎样从流动的空气中获得下压力呢 答案其实很简单 只要看看飞机的机翼就会明白 在空气动力学中 机翼的作用是在空气流动的时候产生升力 其原理是这样的 当空气流过机翼的时候 一部分从翼板上方流过 一部分则从下方 而最后这两部分空气在翼板后方重新结合起来 飞机的机翼设计让机翼的上表面比下表面更长 从而使机翼上面的空气流速要比机翼下方流速快 那么在赛车上又如何呢 只要我们把机翼的形状倒过来 就可产生下压力 看似简单的原理 但是一直到了上世纪七十年代末才有人想到这一点 这个人便是现任麦克拉伦车

8、队首席设计师 艾得安 纽维 他从南安普顿大学毕业时的毕业论文便是以此为题 其时他尚是一个初出茅庐的小子 但是这一石破天惊的想法让他成为了F1赛车设计和空气动力学结合的开山鼻祖 赛车尾翼 扰流板 为了有效地减少并克服汽车高速行驶时空气阻力的影响 人们设计使用了汽车尾翼 其作用就是使空气对汽车产生第四种作用力 即对地面的附着力 它能抵消一部分升力 控制汽车上浮 减小风阻影响 使汽车能紧贴着道路行驶 从而提高行驶的稳定性 赛车尾翼形状尺寸是经过设计师精确计算而确定的 不宜过大也不宜过小 不然反而会增加轿车的行车阻力或起不到应有的作用 那么如何减小空气阻力呢 影响赛车空气动力学表现的不外乎以下几个因素

9、 空气密度空气速率受力面截面面积升力系数 或称为拖曳力系数 F 1 2 C SV 2式中 C为空气阻力系数 为空气密度 S物体迎风面积 V为物体与空气的相对运动速度 由上式可知 正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比 与速度平方成正比 在空气中如果速度达到2M 马赫 附近 由于空气的摩擦 开始出现气动加热现象 其中作用最大的莫过于速率 因为受力和速度的平方成正比 也就是说速度增加到原来的三倍的话 受力大小会增加到原来的九倍 空气密度和气温 湿度和海拔高度都有关系 这也是为什么赛车的空气动力学调校要参考赛道当时的气温 空气湿度和海拔高度的原因 升力系数反映受力表面制造升力 拖曳力

10、 的能力 通常由材料的平滑度和形状决定 看上去很简单的几个数字 但是代表的内涵绝不简单 对完美的空气动力学设置 带来最大下压力的同时阻力最小 的探索从来就没有停止过 有时候即使是纽维这样的大师 也不见得能够找到最切合赛车和当时赛道情况的最佳方案 早期賽車的概念仍僅著重於減低空氣阻力 車身外部並未有任何空氣力學套件 Aerodynamics Body空氣力學與車身設計 在F1賽車剛開始的1950年代 那時賽車造型可不是今天這副模樣 雪茄狀的圓滾車身很單純只為了將風阻減到最低 也代表汽車界在當年對空氣力學的認知與觀點 一直到1960年代之後才開始出現加裝 翅膀 的F1賽車 汽車在空氣力學方面的技術

11、運用也開始有了顯著進展 隨之而來的地面效應與風洞實驗室的模擬測試 讓F1賽事的最快單圈時間不斷被刷新 而超跑的速度也愈來愈快 操控更加穩定 现在的赛车采用了哪些技术呢 大家都知道 为了达到最好的散热效果 赛车会有设置在车头的散热水箱 而现在赛车会采用体积较小的水箱并放置在车身两侧 甚至于放在车尾 从而使车头有更大的设计空间来减小空气阻力 2 平整化的車身底板與地面效應則是另一項具代表性的空氣力學技術 一部赛车除了在車身前後加裝多項可改變或導引氣流配件來增加下壓力之外 實際上溜過車身底部的氣流對高速行駛的穩定性亦有著重大影響 最新的空气力學概念除了强调下压力与減低阻力之外 甚至连流经底盘的空气也

12、在考量內 从流经車頭的空气 引擎散热用途的气流导引与排出 還有煞車系统的冷卻气流都被视为空气力學設計的重要一环 风洞测试 几乎所有的大车队都有自己的一个乃至数个风洞试验室 米纳尔迪拥有一个价值300万美元的二手风洞 法拉利建在博洛尼亚的带有金属滚道的风洞价值2200万美元 索伯车队在瑞士建造的全新风洞造价高达4500万美元 所有的风洞都会保证最少50米 秒的强力风速 用以模拟F1赛车在高速行驶时车体各部位所受到的空气阻力和下压力 风洞试验让F1赛车的外形向着更符合空气动力学的方向不断进步 空气动力学家告诉我们 F1的风洞是一种低速闭合式巡回风洞 这说明我们在谈及风速接近10到100米每秒 在风

13、洞中同样的空气会被再流通 气流是回转的 代表性的为4个90度的拐角 每个拐角中的翼片一个挨着一个 它们可以防止气流的紊乱 现代风洞的主要作用是将赛车模型放在内部的钢铁传送带上模拟赛车在路面上的各种情况 在风洞试验中 巨大碳纤维风扇极限转速可以达到600转 分 驱动引擎的峰值功率更可达到让人咋舌的4000匹马力 如此强大的动力可以在30秒内将静止的空气加速到300公里 小时 此时托起赛车模型的传送带则模拟赛车在比赛中的各种路况和车身姿态 最大限度保证模拟的真实性和有效性 通过对采集到的数据进行综合分析 可以准确地检测到赛车在路面上受到各种因素干扰时的状况 这种模拟可以将赛车空气动力学部件的精度提

14、高30 如今 领先的F1车队都不惜巨资 一套现代化的F1风洞造价高达4500万美元以上 建设自己专属的风洞 以便及时和准确地研究赛车的气动效果 改进赛车的气动套件 获得克敌制胜的杀手锏 风洞 在空气动力学风洞实验中 工程师们最关注的主要是三个方面的内容 下压力 阻力和灵敏性 敏感度 巨大的下压力可以提高赛车的过弯极限 但是在理想状态下 下压力的增加不应当带来赛车阻力的增加 但是不可避免的却会牺牲赛车的部分极速 赛车的空气动力学灵敏性 敏感度 则是指赛车的状态性能对于空气动力学环境改变时自身变化的强弱 例如由不平整的赛道路面带来的赛车翼片以及底盘和路面距离之间的频繁变化时 赛车性能所受到的干预强

15、弱 新型涂料法 美国芝加哥市一家化学公司研制成一种可减少空气阻力的新型涂料 这种涂料涂在物体表面 会在被涂复物表面上形成致密的涂膜 在显微镜下观看 涂膜的排列象流线形的鱼鳞状 把这种涂料涂刷在赛车表面 可以减少行驶时的空气阻力 降低燃料消耗 研究表明 非常光滑的表面在气流和水流中并不是最佳选择 像鲨鱼那样有细微颗粒的皮肤实际上更有利于在水中滑行 同样 这样的皮肤应该比光滑的皮肤 F1赛车为世界做了什么 1世界汽车工业的实验室对于几大制造商车队 F1其实就是民用车的实验室 各制造商参加F1比赛的主要目的还是为了增加民用车的销量 2阻力更小的自行车运动红牛赛车的空气动力学设计师SimonSmart

16、利用F1的风洞试验室来设计新式自行车 充分利用空气动力学的特点来构造赛车的外形 主要改进了自行车车架和把手的形状 提高空气动力效率减小风阻 3直升飞机快速加油系统差不多7年前 英国空军某官员看了F1比赛后 对维修站内的快速加油系统非常感兴趣 后来也把此科技引入到英国空军中使用 现在 英国空军用原来一半的时间就可以完成直升飞机加油任务 这样的效率提高在真正战事中将起到决定性作用4 飞机空气动力研发其实空中客车 Airbus 是印度力量车队风洞试验室的合作伙伴 波音公司也是雷诺的合作伙伴 委托雷诺公司空气动力学部门对飞机进行空气动力效率研发 并在雷诺的风洞里做试验 迈凯轮的风洞也为英国空军提供服务 5更先进的医疗科技6假肢科技7鲨鱼装泳衣科技8更好的身体恢复辅助科技 谢谢观赏 结束 舒马赫 舒马赫是F1车手队伍中最有天赋的人物 每场比赛之前 他进行的准备也最为全面 最为稳妥 在车队里 舒马赫无疑是一面旗帜 无论在赛场内 还是在赛场外 他总是全神贯注于车赛 很少受到其他事情的干扰 即使在母亲去世之后 他仍然坚持参加比赛 他的行动不时鼓舞着队友与他一道奋斗 舒马赫 34岁的舒马赫在东京得到了第