时速300公里，F1狂飙离不开空气的魔法

电影《F1：狂飙飞车》自上映以来好评不断。当布拉德·皮特驾驶着F1赛车在赛道上风驰电掣时，大量第一视角的镜头带着观众体验了一把时速300千米/小时的狂飙。惊险刺激的超车瞬间和一桩桩车祸、起火事故，让人肾上腺素飙升。

影片中大量细节详实而准确，不管是车手在赛道上“打开尾翼然后嗖地一下飞出去”的操作，还是和同伴、车队技术人员的配合与相互拆台，甚至连车祸都有真实原型可考。

电影中赛车冲出赛道引发大火（上图），与格罗斯让当年的严重事故几乎如出一辙（下图）

这些细节，背后都脱离不开一门学科：空气动力学。

“脏空气”，F1赛车的隐形敌人

电影中，布拉德·皮特饰演的桑尼·海耶斯在赛场上准备超越前车时，赛车却开始颠簸。他大骂“我们的车太差了”“车在dirty air里晃得厉害”，赛场旁的技术总监沮丧而无奈地把脸埋进了手里。

这dirty air“脏空气”到底是什么鬼东西？

它也可以译为“扰流”，是F1赛车在高速行驶时，车身后方产生的一种紊乱气流。想象一下，当赛车以接近300公里/小时的速度向前冲时 ，它就像一个巨大的搅拌器，把身后的空气搅得七零八落，原本平稳的气流（我们称之为“层流”）瞬间破碎成了杂乱无章的“乱流” 。

车尾乱流丨上图来自supermoto8

对于紧跟在后的赛车来说，这些不稳定的“脏空气”简直就是噩梦。赛车的空气动力学设计会受到严重干扰，变得难以控制、抓地力下降，就像飞机飞入乱流区域会颠簸一样。

是的，F1赛车就近似于“地面上驾驶的飞机”。

飞机在起飞前缓慢滑行时，其动力系统与飞行中是一样的，但此时由于速度太低，空气动力设计几乎无法起作用，推进完全依靠发动机本身。一旦进入跑道加速阶段，发动机全功率推进产生的高速运动，使得空气动力开始显著发挥作用。空气动力学的效应随着速度增加呈几何级数增长，这也是为什么飞机速度越高，升力越强。

图片来自Anirudh Singh

F1赛车的极速接近300km/h，在这种条件下，空气动力的影响已经不容忽视。此时的赛车，已经不再是我们日常认知中的“汽车”，而更像是一种贴地飞行的机器——“地效飞行器”。只不过与飞行器追求“升力”不同，赛车追求的是“下压力”，目标刚好相反。

地效翼船（eworldship.com）与F1赛车模型（PERRINN团队）

工程师们用“多自由度”系统来描述赛车在这些复杂气流中的“身体语言” 。你可以把F1赛车想象成一个有6个方向都能“动”的物体——前后、左右、上下移动，还能前后俯仰、左右侧倾和水平旋转。

赛车前后俯仰和左右倾侧的示意图

“脏空气”就是干扰赛车这些“自由度”运动的元凶。气流里后车的下压力会下降，变得难以驾驭，失去平衡。

利用空气动力学，让车更快更稳

电影中，技术团队接下来就对车辆进行了空气动力学上的优化，从而增强了车子的下压力和稳定性。

在引擎相差不大的情况下，提升了车的下压力（抓地力），就相当于能更高效地将动力传递到地面，起到提升赛车整体牵引力（动力）的目的，能让车跑得更快。

赛车有6自由度，这是其中XYZ方向的示意图

要让赛车跑得更快，除了增强动力（+X方向），当然也需要减小阻力（-X），包括风阻。

那风阻是越小越好吗？

通过空气动力学的设计，水平方向的风阻可以变成竖直方向的下压力，“压住”赛车。上文说过，下压力变大是有很大好处的。如果风阻变小了，下压力也变小，怎么办？

所以最好是改进设计，用小的风阻（整体阻力）带来大的下压力，也就是提高赛车的空气动力效率。

通过精心设计的前翼与尾翼，我们可以在车辆前后轴分别建立向下的气动压力区域，从而稳定提升整体抓地力，保证不同场景下的车轮抓地表现，无论直道弯道都能表现出色。

尾翼的设计比前翼更为关键。因为F1赛车采用后轮驱动，后轮的抓地力直接影响动力释放效率（+X）。尾翼通过与飞机机翼相反的设计，使高速掠过的空气形成向下的压力（−Z）。在电影中我们可以看到几处特写镜头，尾翼还拥有显著的攻角（迎角），以此增强下压力，提高后轮抓地力。

F1赛车需要利用空气得到下压力丨Cleo Abram

真实的F1历史上,莲花公司及车队创始人科林·查普曼最早将空气动力学体系化地应用于F1的比赛之中。他在1968年为Lotus 49B加入尾翼，并且帮助格拉汉姆希尔获得了当年三站比赛的冠军并开启了F1的空力时代。1978年，查普曼又创造性地发现地面效应，时年赛车Lotus 79帮助马里奥·安得雷蒂拿上了当年F1总冠军。时至今日，尽管各车队空气动力学的调教有异，但均遵循统一原则。

Lotus 49B

电影中由凯莉·抗顿饰演的女主角凯特·麦肯娜，便扮演着当年查普曼的角色，集车队技术总监、空力工程师、车手比赛工程师和策略工程师为于一体，通过风洞测试找到赛车最优空力调教，并指导车手及技师团队最大化地应用于比赛之中。

调节尾翼，减阻加速

电影男二号是一位“天才但年轻缺少经验”的车手，约书亚·皮尔斯（JP）。他在超车前，将原本前倾的尾翼调成几乎水平，影片中解释说他启动了“可调尾翼”系统，也就是DRS（Drag Reduction System，减阻系统）。

尾翼不是攻角越大（越翘），下压力越强吗？为什么超车时反而要“关闭尾翼”呢？

这正是F1空气动力学精密性的体现。前车扰流导致空气不均匀冲击后车尾翼，产生气动震荡；尾翼虽然承受着空气阻力，但不仅无法有效产生下压力，反而削弱了后轮的抓地力，像一架乱流中颠簸的飞机。

为了摆脱这种困境，车手在准备超车时，会主动开启DRS，让尾翼的上层翼片（主翼片）变得几乎水平，大幅度减小攻角。这样一来，空气可以顺畅地滑过尾部，显著减少风阻，让赛车在直线上获得爆发性的加速能力，为超车创造机会。

DRS减阻系统示意丨Cleo Abram@youtube

当然，F1赛车强大的下压力并非只靠尾翼。尾翼贡献的下压力只占总下压力的17%左右，而赛车的前翼（23%）和车身底部（60%）才是下压力的主要来源。所以，在直线加速的短时间内“关闭”尾翼，对赛车整体稳定性的影响有限，反而能带来巨大的速度优势，实现有效超车 。

赛车气动下压力分布图

令人惊叹的“尾流加速”

电影中最令人血脉贲张的，莫过于“桑尼”与“约书亚”在比赛末尾那次近乎物理外挂般的“尾流加速”了！这种戏剧性的超车方式，在真实比赛中虽然不常见，但其背后的科学原理是完全成立的。

前面我们提到了“扰流”，即前车身后紊乱的气流。但如果后车与前车的距离足够接近，而且跟车的时机和位置非常精准，那么它就可能进入前车尾流中尚未完全破碎的“低压区”。就像被前车“吸”着跑一样！

跟车气压分布云图丨https://www.zhihu.com/question/473520737/answer/2075219233

这时后车受到的前方空气阻力会显著降低，因为前车已经替它“推开”了大部分空气。同时，由于自身车头和车尾的气压差被缩小，气动压差阻力也会大大减小。

“破风”和“低压区吸附”的双重作用，使得后车在极短的时间内获得额外的加速度，实现惊人的瞬时极速提升。电影中，桑尼保持高速并稳定带出尾流，让约书亚紧贴在他身后行驶数秒，随后在关键位置迅速闪开，使得约书亚仿佛被甩出一般迅猛冲刺，成功完成超车——这正是对“尾流加速”原理的完美呈现。

电影中的这些精彩瞬间，表明F1赛车不仅仅是速度的比拼，更是一场极致的空气动力学与工程智慧的较量。它的每一个细节，从车身复杂的“身体语言”到精密的工程学设计，再到车手和技术团队令人拍案叫绝的战术运用，都凝聚着顶尖的智慧。

下次再看F1比赛，或者重温电影，你也许就能看出更多门道。

作者：鱼有吉 Timo

编辑：Luna