什么車能吸在隧道頂狂飆？不得不學的空氣動力學！

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？

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

如果我們能測出兩個地方的壓強差，就能知道空氣流速了。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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