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尾流管夠!緊張刺激的F1賽車(chē)背后,隱藏著什么氣流“魔法”

2025-08-03 04:43:50
來(lái)源:中國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)


在賽車(chē)運(yùn)動(dòng)的賽道上,觀眾常能看到這樣的場(chǎng)景:后車(chē)如離弦之箭般緊貼前車(chē),在某個(gè)彎道后突然加速超越,仿佛被無(wú)形的力量推向前方。這種"彈弓效應(yīng)"的背后,隱藏著一個(gè)名為尾流加速的空氣動(dòng)力學(xué)原理。從F1賽車(chē)的戰(zhàn)術(shù)博弈到實(shí)驗(yàn)室中的粒子加速器,尾流效應(yīng)正以截然不同的形式改變著人類(lèi)對(duì)速度的認(rèn)知。


▲F1賽場(chǎng)中的超車(chē)片段

當(dāng)賽車(chē)以超過(guò)300公里/小時(shí)的速度撕裂空氣時(shí),車(chē)頭正壓區(qū)與車(chē)尾負(fù)壓區(qū)形成的壓差會(huì)產(chǎn)生巨大的空氣阻力。前車(chē)尾部因氣流分離形成的真空區(qū)域,成為后車(chē)突破速度極限的關(guān)鍵。例如在F1比賽中,后車(chē)進(jìn)入前車(chē)尾流區(qū)域后,空氣阻力可降低30%-40%。以2024年西班牙大獎(jiǎng)賽為例,紅牛車(chē)隊(duì)佩雷茲通過(guò)精準(zhǔn)的尾流利用,在直道末端將與維斯塔潘的差距從1.2秒縮短至0.3秒。這種效應(yīng)在納斯卡賽車(chē)中更為顯著,由于納斯卡賽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,后車(chē)可更深入地利用前車(chē)尾流,實(shí)現(xiàn)"貼身超車(chē)"。

這也就是為什么在賽場(chǎng)上,高手往往不會(huì)在一開(kāi)始就超車(chē),而是會(huì)貼著第一名形成追隨效果。直到最后的沖線階段,利用前車(chē)尾流,實(shí)現(xiàn)輕松超越。這種利用尾流的詭計(jì)不僅僅出現(xiàn)在賽車(chē)領(lǐng)域,也出現(xiàn)在自行車(chē)比賽和長(zhǎng)距離賽跑當(dāng)中。

例如在精英自行車(chē)比賽中,在時(shí)速50公里的巡航中,騎手需對(duì)抗的阻力中,空氣阻力占比高達(dá)90%。車(chē)群中領(lǐng)騎者弓身如弓,將身體壓成與車(chē)把平行的銳角。領(lǐng)騎者如同逆流而上的劍魚(yú),獨(dú)自承受著相當(dāng)于后方車(chē)手1.5倍的風(fēng)壓。他們的每一次踏頻都在消耗雙倍能量——就像在水中跑步,而身后隊(duì)友正踩著他們攪動(dòng)的漩渦前行。當(dāng)領(lǐng)騎者撕開(kāi)氣流的瞬間,后方20厘米至1米處會(huì)形成詭異的"靜風(fēng)區(qū)"。這里空氣流速降低30%,后方車(chē)手如同躲進(jìn)無(wú)形的玻璃罩。當(dāng)領(lǐng)騎者體力消耗盡后,就會(huì)自動(dòng)讓出第一位,由團(tuán)隊(duì)中的其它車(chē)手接棒,直到接近終點(diǎn),團(tuán)隊(duì)種真正具有奪冠實(shí)力的車(chē)手才會(huì)加速超越,將第一名的優(yōu)勢(shì)保持到終點(diǎn)線。這種團(tuán)隊(duì)策略就是利用了尾流加速的空氣動(dòng)力學(xué)原理,可以說(shuō)是“論隊(duì)友的100種用法”。


▲自行車(chē)比賽中的尾流加速

當(dāng)然尾流并非總是助力。前車(chē)擾亂的氣流會(huì)降低后車(chē)下壓力,導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不足或過(guò)度。2025年蒙特卡洛站練習(xí)賽中,梅賽德斯車(chē)手拉塞爾因緊跟前車(chē)進(jìn)入彎道,尾翼失速撞上護(hù)墻,生動(dòng)展示了尾流效應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。車(chē)手需在直道尾流加速與彎道氣流穩(wěn)定性間尋找平衡點(diǎn)。


▲電影《F1:狂飆飛車(chē)》片段

同樣,在航空領(lǐng)域,尾流也是一種安全威脅。飛機(jī)在起飛、降落和飛行過(guò)程中,會(huì)在后方形成強(qiáng)烈的尾跡渦流。這股尾流有時(shí)候會(huì)持續(xù)幾十秒甚至幾分鐘,后面若有飛機(jī)過(guò)早跟進(jìn),輕則顛簸,重則造成飛行姿態(tài)失控。例如2017年加拿大航空759次事件中,空客A320在舊金山機(jī)場(chǎng)因尾流顛簸觸發(fā)自動(dòng)駕駛斷開(kāi),險(xiǎn)些撞上4架等待起飛的客機(jī)。因此,民航飛機(jī)的起降間隔有嚴(yán)格控制,大型機(jī)場(chǎng)甚至配備尾流監(jiān)測(cè)雷達(dá),用以實(shí)時(shí)判斷空氣中這些“無(wú)形陷阱”。


▲飛機(jī)尾跡渦流示意圖(圖片來(lái)源:https://skybrary.aero/articles/wake-vortex-turbulence)

本文轉(zhuǎn)載自《墨子沙龍》微信公眾號(hào)

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