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什么車能吸在隧道頂狂飆?不得不學的空氣動力學!

李永樂老師

最近有個小朋友給我發(fā)來一條視頻:一輛跑車進了隧道,發(fā)現前面堵車,果斷開上了隧道頂棚超車了。他問我:這視頻到底是真的還是假的?跑車到底能不能在隧道頂倒著開呢?

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網傳視頻——蘭博基尼爬墻

先說結論:這個視頻肯定是假的?,F實中只有車王舒馬赫在一個奔馳廣告中做到過在隧道頂倒著開,但有兩個條件:**1. 隧道頂是弧形的,這樣才能利用離心力對抗重力。**2. 隧道是清空的,這樣才能不發(fā)生危險。

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廣告:舒馬赫在隧道中360旋轉

而這段視頻中,一來隧道頂是平的,沒有圓周運動就沒有離心力來對抗重力。二來隧道里面擠滿了車,這種情況下玩雜耍還不發(fā)生事故簡直不可能。所以,視頻99.9%是假的。

不過說來,從理論上講,一輛跑車倒著在隧道頂棚開,還是有可能的。只是這輛汽車必須足夠輕,而且有足夠優(yōu)秀的空氣動力學設計。今天就跟大家講講空氣動力學,以及它在生活中的應用,最后來解釋一下到底什么樣的車才能倒著掛在隧道頂。

一、空氣動力

我們生活中充滿了空氣和水,它們都是流體。人們從幾千年前,就已經開始對流體進行各種研究了,由此誕生了流體力學。而空氣動力學是流體力學的一個分支。

例如,我們耳熟能詳的故事:阿基米德大叫“尤里卡”從浴缸里跑出來,因為他發(fā)現了浮力定律:一個物體放在水中受到的浮力,與它排開的液體的重力相等。

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阿基米德

這就叫做阿基米德浮力原理,這就是流體力學的結論。利用浮力,我們可以讓鋼鐵巨輪浮在水面上。

再比如科學家帕斯卡,他發(fā)現了帕斯卡定律:液體傳遞壓強。

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帕斯卡

如果我們有一個管道,兩端開口大小不同。假設它們的面積分別是S1和S2,當我們在一面施加壓力F1時,另一面會產生壓力F2,根據帕斯卡定律,兩邊液體的壓強相等,也就是

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因為S1<<S2, 所以F1<<F2, 也就是說:用一個比較小的力就能產生很大的力,這就是液壓機的原理。

帕斯卡還做過一個實驗:在一個木桶中插入一根很高的管子。把一杯水從管子中倒進去,結果木桶就裂了。這是因為一杯水雖然質量很小,但是在很細的管子中,產生了很大的壓強,在木桶上就變成了很大的力,這和液壓機原理是類似的。

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帕斯卡木桶實驗

不過,要說真正把流體力學11變成一門獨立學科的,還得是著名科學家丹尼爾.伯努利。

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丹尼爾.伯努利

我們在之前講過他父親約翰伯努利的故事,約翰伯努利是著名的數學家,還是數學大師歐拉的老師。在他父親的培養(yǎng)下,丹尼爾伯努利提出了著名的伯努利方程。

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這個公式能告訴我們什么呢?我來舉幾個例子:

第一個是以意大利人文丘里命名的管子,叫文氏管。

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文氏管

大家看,如果把文氏管是水平放,A1和A2處高度相同:h?=h?

液體從粗的一段流過細的一段時,由于液體體積保持不變,截面積變小了,流速必然加快。所以:v?<v?

這樣代入伯努利方程,你就會發(fā)現:Ρ?>Ρ?

也就是在細的地方,流速大,壓強小。這個結論也是我們初中學習過的伯努利原理。如果我們在細的地方開一個口,水非但不會噴出來,反而會把空氣吸進去,人們利用這種原理制造了文氏管吸肥器,可以用來吸化肥。主管道里流過水,肥料就從小管子里被吸進去了。

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文氏管吸肥器

再比如:法國工程師皮托發(fā)明了皮托管。它有兩個開口,A處迎著風,B處側著風。迎風的地方,空氣進來就堵住了,流速就變成了0,空氣流速小,壓強大;側風的地方空氣沒有阻礙一直運動,空氣流速大,壓強小。

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如果我們能測出兩個地方的壓強差,就能知道空氣流速了。

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在飛機上必須安裝皮托管,用來測量周圍風速。如果皮托管堵住了,造成測量異常,會產生非常嚴重的后果。許多次空難于此有關。

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飛機風速計

你看,無論是輪船、液壓機、吸肥器還是風速計,都需要用到流體力學的知識。流體力學中專門研究空氣的部分就叫做空氣動力學。它最大的用武之地,還是能把飛機送上天。

二. 飛機為什么能飛上天?

飛機為什么能飛上天呢?很久以前,我曾經做視頻講解過這個問題,但不夠細致,這一回可以更詳細的說明一下。飛機機翼的兩側,形狀不相同。下表面凹進去,上表面突出。當飛機前進的時候,由于上下表面形狀不對稱和粘滯性的影響,會形成繞機翼的環(huán)流:上表面向后,下表面向前。

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別忘了,飛機還在往前飛,所以還有一個向后的氣流。你會發(fā)現:機翼上方環(huán)流和氣流是同方向的,所以空氣流速快,流速快壓強小。在機翼下方,環(huán)流和氣流是反方向的,它們相撞了,所以流速慢,流速慢壓強就大。二者出現壓力差,這個壓力差就提供了飛機的上升力。當然,也同時產生了一定的向后的阻力。

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俄羅斯航空學之父茹科夫斯基給出了計算飛機上升力的公式,我們可以把它簡化如下:

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其中Ρ表示空氣密度,s表示機翼面積,v表示遠處空氣相對速度,u表示環(huán)流速度。其實,足球能踢出香蕉球,同樣是因為足球旋轉時產生了環(huán)流u與外界空氣速度v疊加的結果。

而且,有時候,飛機降落的時候,會感覺離地很近的時候,仿佛有一股力量把飛機向上拉,好像升力變大了。這又是咋回事呢?這叫做地面效應。

根據我們剛才所說的伯努利原理,飛機機翼下方壓強大,上方壓強小,所以機翼下方的空氣就會向上流動,形成渦流。在翼尖尤其如此,因此形成了所謂的翼尖渦流。飛機飛過的時候,如果空氣中有帶顏色的顆粒,這種渦流就比較明顯。如果空氣中水汽豐富,還會出現飛機拉線的效果。

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翼尖渦流

這種現象會讓原本比較大的壓力差減小。但是,在飛機距離地面很近的時候,由于地面的阻擋,翼尖渦流被減弱了,下方的氣體沒辦法順暢的向上運動,于是壓力差相比于在空中有所增大,這會讓飛機在降落時遇到一點困難,我們稱之為地面效應。

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翼尖渦流引起的空氣流動

其實,人們根據地面效應設計了不少新型的運輸工具。比如能夠貼著水面飛行的飛機。前蘇聯在這方面十分領先,開發(fā)了一系列運載量很大、速度很快的水上飛行器用作軍事裝備,人們叫它里海怪物。只是最終沒有量產裝配。最終隨著蘇聯解體,這個項目徹底終止。

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里海怪物

不過,現在許多國家又開始研究近水飛行器了。在我國也在這方面有所研究,希望利用這種效應制造能夠貼水面飛行的導彈。

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現代利用地面效應的水上飛機

其實,對于飛機還有很多說道。比如機翼必須與空氣形成一定的仰角,仰角太小,上升力會不足;仰角太大,空氣經過機翼后就會快速分離,形成低壓區(qū),機翼就會有很大的阻力。到底采用一種什么樣的機翼形狀,才能讓上升力最大,阻力最小,這就是空氣動力學要研究的內容。

相比于丹尼爾伯努利的時代,現在空氣動力學的研究方法已經大大進步了。我們不光有了計算機仿真軟件,還有了風洞,可以讓飛機機翼不動,調整風速。剛才我們說的許多問題,都可以利用風洞進行測試。

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風洞測試

三. 賽車的空氣動力學

其實,汽車,尤其是跑車,所需要的力剛好和飛機相反。飛機需要上升力,而跑車需要向下的壓力。

跑車速度很快,在轉彎的時候,需要很大的向心力。向心力只能由摩擦力f提供。

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而摩擦力是有上限的,上限的大小與接觸面粗糙程度μ和壓力N有關。汽車與地面的壓力N越大,摩擦力也越大。

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但我們絕對不能依靠增加賽車自重來增加壓力,因為增加自重,一來賽車跑不動,靈活性不夠,二來轉彎時所需要的向心力也會隨著賽車質量的增大而增大,得不償失。有沒有辦法在不增加自重的前提下,增加賽車與地面之間的壓力呢?

人們想到了空氣動力學。

上個世紀五六十年代,英國有一名汽車發(fā)明家和企業(yè)家,科林.查普曼。

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科林.查普曼

他在大學學習結構工程,后來成了英國空軍飛行員。退役之后創(chuàng)辦了一家汽車公司——蓮花,音譯叫做路特斯。由于他的學習和服役經歷,他對追求速度、輕便和利用空氣動力學有非常執(zhí)著的追求,很快他設計的汽車就在F1大獎賽中奪冠,成了赫赫有名的車隊。

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路特斯標志

相比于法拉利追求大功率引擎,路特斯車隊更追求輕便以及利用空氣。1968年,查普曼想到:既然飛機可以利用機翼獲得上升力,那么汽車為什么不能利用倒過來的機翼獲得下壓力呢?于是,他設計了路特斯Type 49B,把汽車尾翼高高的固定在汽車上。

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路特斯TYPE 49B

這樣氣流從前方吹過汽車時,會分別從上下兩邊通過,產生和飛機機翼類似的效果,當然,前方也不能少了前翼。一前一后把汽車牢牢的按在地面上。

雖然Type 49B的發(fā)動機功率不如法拉利車隊,但是在轉彎的時候,憑借牢牢的抓地力和比較輕的車身,最終為路特斯車隊奪得了1968年的F1冠軍。

很快,大家都發(fā)現了這個新發(fā)明。法拉利的發(fā)動機技術不好學,但是路特斯的空氣動力學裝備都是擺在外面的,很好學。幾乎所有車隊都開始安裝尾翼。可是,尾翼其實是雙刃劍,雖然能增加抓地力,但是也會增加風阻,這和飛機的原理也是一樣的。

在大家把前后翼變成標配的時候,查普曼又開始想辦法改進自己的汽車了,他在想如何能夠既獲得更大的下壓力,卻又不會增加太多阻力呢?他想到了地面效應。汽車底盤和地面之間距離很近,如果把底盤設計成突出的,底盤和地面之間不就形成了一個文氏管了嗎?

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路特斯TYPE79 和TYPE80

1977年,查普曼發(fā)明了路特斯Type 79賽車。這款賽車的底盤有一個下凸的結構,當空氣流進這個部位的時候,由于車底空間被壓縮,空氣流速增大,形成了文氏管的效果。上方的空氣就會把賽車整個按在地面上。

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TYPE79賽車利用地面效應獲得下壓力

為了防止空氣跑掉,查普曼還在賽車底盤兩側設計了圍裙,這個圍裙能夠擋住空氣,讓空氣不跑走。這款賽車又讓路特斯車隊拿了F1冠軍。

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TYPE79賽車增加空氣圍欄

在查普曼執(zhí)掌路特斯的時候,車隊在15年中一共拿過7次F1車隊總冠軍。只可惜,克林查普曼因為心臟病,54歲就去世了。

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科林查普曼和路特斯車隊

他有一句名言:如果你還沒有獲勝,說明你努力的還不夠。

在F1的賽場上,英國路特斯是與德國保時捷、意大利法拉利并列的賽車品牌。但是你要以為路特斯只有賽車,那你就想錯了。

1957年路特斯就推出了第一臺民用車路特斯Elite,因為沒有風洞,查普曼就在車身上貼羊絨,和好友一個人開車,一個人綁在引擎蓋上,觀察160km/h的車速下羊絨的運動方向,最終造出了風阻系數0.29的Elite。要知道即便是現在的跑車,風阻系數很多也在0.3以上。

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路特斯Elite

2019年,路特斯推出了全球限量130臺的超級跑車Evija。這款跑車充分體現了查普曼的精神,把空氣動力學應用到了極致。前后鏤空的設計可以極大的減小風阻。

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路特斯Evija

在底盤上裝有擴散器,作用和賽車中下突形成的文氏管一樣,都是壓迫空氣,讓流速變快,產生下壓力。據測算,這款汽車可以產生1.8噸的下壓力。

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Evija的空氣動力學設計

可是由于它采用碳纖維結構,它本身的重量只有1.68噸,這說明理論上講,它是可以倒立著懸在平的隧道頂部狂奔的。

當然,這只是理論上,大家千萬不要嘗試。還有一個原因是,這輛車價格在2000萬左右,絕大多數人也沒法嘗試。

從研究一杯水,一口氣,到一架飛機,一輛跑車??萍颊谠絹碓娇斓母淖冎澜?。孔子說:學而時習之,不亦說乎。有許多人把“習”理解成復習。我倒覺得,理解成實踐更好??屏植槠章阉麑W到的空氣動力學知識用到了汽車上,并且創(chuàng)造了超一流的跑車品牌路特斯,這是一件多么快樂的事??!

END

評論
洋琳寶貝
少師級
只是這輛汽車必須足夠輕,而且有足夠優(yōu)秀的空氣動力學設計。
2022-04-13
靜靜地過生活
太師級
科技發(fā)展未來,智能改變生活。
2022-04-13
通渭科普
少傅級
流體學,磁懸浮于一體的汽車!
2022-04-13