3分钟闹懂车辆空气动力学 看不到摸不着但很重要

说到空气动力学，大家往往都会觉得这是一个很学术很晦涩同时也很高大上的概念。今天，咱就把它给平民化一下子让大伙儿都能明白空气动力学到底是咋回事儿。

其实早在20世纪初期，汽车要比刚发明不久的飞机速度还要快，而且还比飞机更早突破了200大关。为啥？都是因为当时赛车的空气力学设计要比飞机更先进，也就更早的实现了技术下放，在民用领驭里得到体现。我记得F1红牛车队首席设计师Rob Marshal曾经说过，赛车的设计有四要素，分别是：空气动力效率、机械效率、发动机和赛车手。

空气动力学的重要性

其实空气动力学设计在民用车领域同样重要，只是这玩意儿难量化的接触到大家，所以也就被忽略了。空气动力学到底对车辆的行驶有何影响呢？不论是在在民用汽车领域还是在赛车领域，空气动力学设计对于降低风阻、提升车速、节约油耗、减少噪音和增强行驶稳定性等方面都非常重要。

1934年，克莱斯勒发布了世界上第一款流线型汽车，目的就是为了减少了行驶中来自空气的阻力。但当时消费者的审美意还停留在箱型汽车的年代，所以这款车的销量惨的不能在惨了，甚至差点导致克莱斯勒破产，你说这哪说理去。

空气动力原理

当一个物体穿过空气时，会使周围的空气发生位移，同时该物体会受到重力和阻力的影响，因此阻力会由固体穿过流质（比如空气或水）的过程中产生。当物体加速时，其速度和阻力同时增加，速度越快，阻力越大，也就是说车速越快的话车身所面临的空气阻力越强，而且是以成倍的速率增长，最终阻力将与重量相等达到一个平衡点，此时物体将无法继续加速。

咱拿之前Top Gear跑极速的那辆布加迪威龙为例。里面龟速船长说：“当车辆以250km/h行驶时，只需270马力的动力支持。而当车辆从250km/h加速到402km/h则需要约730匹额外马力来克服空气阻力”。现在大概有点概念了吧？

风阻系数

我们车在市区等一些低速行驶的环境时，车辆马力基本都用在了对抗自重和地心引力上，那在高速公路等高速行驶环境下，风阻就是最大的敌人了。说到风阻我们经常会听到厂商将一个叫做“风阻系数”的数字来作为卖点宣传，这个数字的含义究竟是什么呢？这是决定物体能否轻松穿过空气的最主要因素之一，风阻系数越低说明物体可以更轻易地穿过由空气组成的那面“墙”，也就是说车辆可以耗费更少的动力来克服空气所产生的反作用力，达到更节能的效果。

如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态，说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似水滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这种水滴造型的Cd风阻系数只有0.05。咱常坐的飞机机翼其实就是标准的水滴造型。

为什么水滴会有如此低的空气阻力呢？仔细想想，当水滴圆滑的头部接触到空气时，气流被温柔的推至两侧并沿着水滴侧面流线的造型顺滑地流过。尖细的尾部允许气流在通过后重新汇合而且产生的乱流效果也非常小。但事实上一般的家用车很难做到与水滴形状相似的样子，不然这么简单的道理车企为啥不让水滴车满街走呢？

风阻系数越小越好？

说到这里，不少人都会认为风阻系数越低就一定越好，其实不然，这也是我们需要纠正的一个误区。我们知道，汽车与飞机不同，前者行驶时是在地面上的，也就是通过车轮和地面之间的摩擦力来实现行走。因此除了空气阻力以外，还有两个重要的指标需要考虑，那就是升力和下压力。升力是物体重力的反作用力，能够在空气中拉高物体并使之悬浮在空中，飞机就是依靠这个原理。而下压力与升力正好相反，是将物体尽量压向地面的作用力，在赛车领域尤为常见。下压力可以使车轮和车身紧贴地面，保持车辆的行驶稳定性，但也会增加一部分车身的整体空气阻力。

车辆的行驶阻力通常主要是空气阻力和滚动阻力，当一辆汽车以80km/h的速度行驶时，约有60%的阻力来自空气。而当速度攀升至200km/h，空气阻力几乎占所有行车阻力的85%。足以可见，车辆克服空气阻力的必要性。当今量产车的风阻系数一般在0.28至0.40之间，而F1赛车的风阻系数约为0.70至1.1，当然，还得根据不同的赛道特性从而做出不同的调校，有时为了获得更大的下压力，甚至可以高达1.3。

而这个所谓的下压力，就是使车辆能够紧贴地面的一种力。那问题来了，风阻系数那么高为啥还能跑得那么快呢？当然是因为人家车轻啊，加车手一起算的话也就6、700公斤，而且跑得快就一定得空气阻力小么，F1空气动力学的主要作用就是两个方面：1. 产生下压力，2. 减小空气阻力。换句话说，空气阻力的大小也并非单纯的就由风阻系数来决定的！

优秀的空气动力学设计就要做到对汽车空气阻力和升力的完美平衡。咱以气动设计堪称完美的保时捷911为例，前大灯进风口和后轮罩旁进风口都是空气动力学设计，可以在疏导气流的同时对刹车系统。

自动伸缩的前唇护板，可根据车速自动调节经过车底气流的走向，还能让接近角增大防止剐蹭危险。

说完了空气动力学以及它的具体作用之后，咱们再来简单聊聊，如何把它运用到汽车研发上。没错，就是采用电脑软件模拟，也就是一个叫做Computational Fluid Dynamics（简称CFD）软件。这是最高效、最经济的一种方法，这也是很多车辆再进入风洞前所需要做的一项工作。

F1赛车在CFD中进行模拟

而之后，则是实际测试的一种方法了，将车辆的外观套件或者整车模型送进风洞实验室，让它们吹吹风。最后呢，就是之前文章提到的一种形式，也是特别有意思的一种，那就是在车身表面喷上一层荧光液体，然后让圈养的车手把车开出去按一定的规律来跑。待车辆返回后，工程师再根据车身液体的纹路和分布情况做出判断。

工程师通过这些液体在车身各部件上面的分布情况，从而能够对该车的空气动力学进行一定的认知。需要重点说一下的是，在研究车辆的空气动力学时，工程师不仅会研究车体表面的空气流通情况，同时还需考虑车底气流的通过状况。简单的说，越规整的车底，其车底的空气阻力和升力也会越小。这也就是为什么大家看到很多赛车和豪华车的车底都是一整块平面，否则可能会造成翻车等事故，当然这也能起到一定的保护作用。

除此之外包括气流的噪声，车身外表面的清洁，各种覆盖件的震动，甚至还有雨刷性能都会受到空气气流的影响。

从图中可以看出来两厢车的车顶气流在流动到后车窗时突然下降，形成较大的涡流，使后车窗玻璃更容易蒙上尘土，所以两厢车的后车窗需要更频繁地使用雨刷。因此，了解空气对车辆的影响是十分必要的。

总结：

快速奔跑让我们感到空气这双无形的手竟然有阻碍我们前进的力量，汽车高速行驶中，这双无形的手阻碍车辆前进的同时，还会令其消耗不必要的燃油。因此，许多工程人员耗尽毕生心血在与这份看不见的手“争斗”。人类对于车辆空气动力学的探索过程也从对其无知的状态变为主动利用空气动力学，改变线条、增加导流板等等手段让人们从想尽办法克服阻力逐渐演变成超级跑车们开始“借助”空气阻力令其更稳。这就是设计的演化，这就是历史。