F1 空氣動力學

在第二場大獎賽回顧前，想談一個有趣的東西。

基本上一台賽車是由底盤、座艙、動力單元(引擎)以及空氣套件組成的。而F1主要的空氣套件大概分為三項：前鼻翼、尾翼、擴散器。

那這些設計其實就是指向一個功能，在極大化增加下壓力的同時減少阻力。

這應該很好理解。

車輛在行駛中，需要盡可能的減少阻力才能更快更省油。下壓力則是保持車子穩定性和過彎抓地力主要的因素，這樣看來，如何去設計空氣套件的課題就變成調和這兩者矛盾使之最佳化的藝術。

我們可以把賽車看成是飛機應用的反面，飛機需要升力、而賽車需要下壓力。所以最簡單直觀的概念就是，飛機的機翼怎麼裝、賽車就反過來裝。

如果裝成跟飛機一樣，那賽車真的會飛起來。

下壓力主要來自兩個地方，一是流過車表面速度差導致的壓力差，這個我們在白努利已經學過了。另一個則是迎面而來氣流的向下分力。

上圖賓士的前鼻翼可以看到，每一片都可以提供下壓力。左方的Endplate則是可以把氣流帶離輪胎減小阻力，另外也有將氣流帶進煞車風道進而提供冷卻的作用。

基本上鼻翼受損最直接地除了影響速度之外，最重要的就是過彎。失去了平衡的抓地力，過彎就變得非常痛苦了。然而鼻翼設計成可以直接更換，所以只要還開的回pit就還有救。

從CFD上來看，前方的氣流經過了鼻翼被整理得很乾淨、這些氣流有的被送去冷卻、有的通過車頂導流至尾翼、也有些通過車底被傳導到擴散器，但所有的流向都只為了同一個目的：增加下壓力。

基本上尾翼跟前鼻翼的概念相近，這是最早被用來專門製造下壓力的空力部件，也是在路上最常見的空力套件。

尾翼的傾角很大，最主要還是提供下壓力來源。整體概念上和鼻翼是一樣的。為了增加這個下壓力，一是增大尾翼迎角、二則是增加尾翼的長度。然而氣體的動能有限，必須使氣體黏著翼面流動。如果氣體剝離了翼面造成分流，就會增加阻力，除了降低效率外，繼續發展就會產生失速現象。

尾翼一但受損，最快進pit大概也要五分鐘修，那基本是等於大家可以回家了，第二戰的Vettel就是一個例子。

以飛機來說，如果機翼盈角大到了一個程度，使得繞過上面的氣流由於自身黏性減速甚至停滯，後方的氣流因為這個阻礙而無法順利延著流道流動，這個氣流將會抬升流入外層繞流，這個就叫做邊界層分離。進而產生分離渦。該現象的壓力不變，此時飛機升力就比原先的還要小然後失速發生。

賽車也是一樣，只要反過來看、則是失速後，下壓力減小，阻力下降，速度提升。這點在直線極速當然沒有問題，但如果發生在彎道或地面效應的同時，車子很可能會騰空飛起。

那既然提到了失速現象能夠讓速度上升，工程師們就想到了那如果我只在直線的時候發生呢？這可以說是一個人為失速效應的想法，所以DRS在2011時就被引進並安裝在尾翼上。其作用原理也很簡單，在許可的情況下，液壓系統把尾翼放平，犧牲下壓力減少阻力以提高速度，通常發生在長直道用來超車。

車子往前開，迎面而來的氣流成為阻力。一部份轉化為下壓力流經車體，另一部分則流到車底。經過擴散器入口產生低壓區並且被整理後，因為氣流速度的不同，擴散器可以有效減少車底的升力，也就是提高了下壓力。

簡而言之，擴散器就是把賽車下的空氣導出來，讓車底的壓力越低，下壓力便越大。

會想要提這一篇是因為在第二場大獎賽後，Racing Point被雷諾檢舉他們抄襲前一年賓士的空氣套件。看看這兩場雷諾被Racing point壓在地上摩擦，再加上第二戰最後一圈的攻防，這個檢舉真的是不意外。