车企都在“吹”的空气动力学究竟是什么？ 附空气动力学基础刘沛清下载

很多人第一次听到空气动力学这个词时，或许会比较头痛，感觉进入到了一个玄之又玄的领域。毕竟在大家印象中，空气动力学大多与飞行器有关，比如飞机、火箭、战斗机等等。但其实，空气动力学其实距离我们日常生活很近。

从字面理解，空气动力学解决的就是如何让物体在空气中保持更高效运动的科学。因此，一切需要运动的物体，就比如，跑步中的人、骑行中的自行车，甚至是行驶中的高铁、汽车等，想要保持更快速、更省力、更节能的运动，都与空气动力学息息相关。 

当然，虽然空气动力学对汽车领域非常重要，但在汽车百年多发展历史中车企真正开始研究空气动力学的历史并不是特别长。我们都知道早期的汽车造型都非常方正，没有任何流线型的设计概念，而一直到20世纪中叶以后，车企才开始重视起汽车空气动力学的设计，而在汽车空气动力学中需要解决的两个问题就是风阻和升力。

车企为何爱吹嘘“风阻系数”

在力学中，空气动力学其实是流体力学的一个分支，空气也被认为是流体的一种。而我们都知道，流体密度越大，对任何通过它的物体形成的阻力就越大，汽车在高速行驶中所遇到的最大阻力就是“风阻”。风阻形成了一个平行于车辆行驶平面的力，阻碍汽车运动，而且这个阻力也会随着车速变快而变大，风阻变大也意味着油耗越高、车辆最高车速也降低得越多（发动机功率输出保持恒定的情况下）。

同时一辆车想要保持更高时速，那背后所需要解决的技术难题也成几何数增长，这也是为什么当布加迪Chiron创下490km/h时速记录时，会引起那么大关注的重要原因。当然，如果你无法理解，那么以F1赛车为例会更容易想象背后的难度。为了取得更好成绩，克服技术难题，每年奔驰、法拉利、红牛等F1车队都要投入5亿欧元的研发费用，最终或许只为了每一圈比对手快个几秒钟。

早期的汽车由于发动机功率有限，因此能够达到的极速也不高，所面对的风阻也不大，这也导致当时整个汽车工业对空气动力学以及汽车造型优化并不是特别重视，所以早期的汽车一般都比较方正，一副“傻大个”的样子。

但随着20世纪中叶以后，发动机技术的快速发展，汽车时速越来越高，但伴随而来的就是风阻的几何数增大，在影响性能的同时能耗也越高。为此，车企开始逐渐研究起空气动力学，也引进了各种流线型设计（迎风面投影面积越大受到的风阻越大），甚至运用于航天航空领域的风洞试验也逐渐运用到汽车领域。

据资料显示，20世纪20年代普通轿车的风阻系数只有0.8Cd，而到30-40年代被优化到0.6Cd，50-60年代进一步下降到0.45Cd左右。而随着车企对空气动力学愈发重视，到上世纪80年代，第一台风阻系数达到0.3Cd的量产车——奥迪100诞生了。时至今日，空气动力学已经成为了高性能汽车工业中最广泛的研发领域之一，也诞生了大量只有0.23Cd左右的产品，如宝马新3系。

所以，近几年我们可以看到很多车企在宣传时喜欢将低风阻系数作为宣传点，这不难理解，因为想要获得出色的风阻系数表现，背后付出的代价的确非常大，而且低风阻系数也的确对性能和燃油经济性的提升大有帮助——虽然提升的幅度远没有发动机技术带来的提升那么大。

跑车那么快为啥没“起飞“

然而，汽车特别是高性能车行驶过程中，需要解决的难题并非只有风阻，还有升力。我们都知道汽车是由四个轮子支撑起来的，而底盘与地面之间也会有不小的距离，同时为了解决空气阻力的问题，车身特别是汽车上表面会采用更符合空气动力学的设计，因此当汽车高速运动时，就因为伯努利原理不可避免形成一个向上的升力。

在流体力学中，伯努利原理可以简单理解为：速度小，压强就大；如果速度大，压强就小。如果无法理解，可以以汽车举例，汽车一定车速行驶时，气流会分别从车顶和车底（汽车两侧由于对称，这里不再考虑）流过，由于车底相对平整，因此气流直接就通过了，速度相对更快；而车顶由于设计的原因有各种弧度，因此气流流经车顶的时间更长，速度相对车底更慢。

运用伯努利原理可以知道，车底压强比车顶更大，因此会施加一个向上的力，这就是升力，而且这个升力是与速度的平方成正比。而之所以很多人开车时会觉得车辆有点飘，就是因为升力过大，汽车本身质量又过轻导致的。

而高性能车或跑车由于车速更快，再加上轻量化设计，因此升力影响会更大。为此我们就可以看到大多数性能车和跑车都会增加很多设计来给汽车增加额外的下压力（也叫负压力），最常见的设计有尾翼、扩散器等等，也有一些跑车会设计复杂的S-Duck风道，比如法拉利488 Pista、F8 Tributo等。

有趣的是，尾翼其实也运用了伯努利原理，而且正好与飞机的机翼产生升力相反——下压力或升力是通过机翼上下表面间的气流压强差来实现的。

当然，下压力的设计也是极为复杂的，因为如果尾部下压力过大，而前部下压力不足，那么车辆在转弯时容易转向不足；如果前部下压力过大而后部下压力不足，在过弯时又会出现转向过度的情况。还有许多其他因素会影响平衡和操控，例如悬架的刚度（摇杆/减震器）、重量分布……也就是说，空气动力学和其他机械系统必须作为一个整体来工作，以提供良好的前/后抓地力分配。

高下压力还有一个好处，那就是它可以提高转弯速度，提高高速急刹车时的稳定性，并通过为轮胎提供更大的牵引力，从而在加速时帮助“降低动力”，从而产生更大的纵向力加速。最重要的方面是获得最佳的前/后下压力平衡，以实现更好的操控。

汽车设计是一项非常复杂的学问，很多人一直以为一款好车只要发动机、变速箱和底盘好就行了，但其实这是远远不够的。对于一款高性能车或跑车而言，符合空气动力学的车身造型设计其实对车辆性能和操控的影响，远比大家想象的重要得多。

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