尾流管夠！緊張刺激的F1賽車背后，隱藏著什么氣流“魔法”

中國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng) 2025-08-03 04:44:20

在賽車運(yùn)動(dòng)的賽道上，觀眾常能看到這樣的場(chǎng)景：后車如離弦之箭般緊貼前車，在某個(gè)彎道后突然加速超越，仿佛被無形的力量推向前方。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對(duì)速度的認(rèn)知。

▲F1賽場(chǎng)中的超車片段

當(dāng)賽車以超過300公里/小時(shí)的速度撕裂空氣時(shí)，車頭正壓區(qū)與車尾負(fù)壓區(qū)形成的壓差會(huì)產(chǎn)生巨大的空氣阻力。前車尾部因氣流分離形成的真空區(qū)域，成為后車突破速度極限的關(guān)鍵。例如在F1比賽中，后車進(jìn)入前車尾流區(qū)域后，空氣阻力可降低30%-40%。以2024年西班牙大獎(jiǎng)賽為例，紅牛車隊(duì)佩雷茲通過精準(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)在納斯卡賽車中更為顯著，由于納斯卡賽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，后車可更深入地利用前車尾流，實(shí)現(xiàn)"貼身超車"。

這也就是為什么在賽場(chǎng)上，高手往往不會(huì)在一開始就超車，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)在賽車領(lǐng)域，也出現(xiàn)在自行車比賽和長(zhǎng)距離賽跑當(dāng)中。

例如在精英自行車比賽中，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%。車群中領(lǐng)騎者弓身如弓，將身體壓成與車把平行的銳角。領(lǐng)騎者如同逆流而上的劍魚，獨(dú)自承受著相當(dāng)于后方車手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%，后方車手如同躲進(jìn)無形的玻璃罩。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，可以說是“論隊(duì)友的100種用法”。

▲自行車比賽中的尾流加速

當(dāng)然尾流并非總是助力。前車擾亂的氣流會(huì)降低后車下壓力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不足或過度。2025年蒙特卡洛站練習(xí)賽中，梅賽德斯車手拉塞爾因緊跟前車進(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》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，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“無形陷阱”。