问题

汽车尾翼是提供下压力的,为什么不直接增加车重来增加压力呢?

回答
这个问题问得非常到位,也触及到了汽车空气动力学一个核心的方面。很多人直觉上觉得,增加重量就能增加车轮与地面的接触压力,从而提高抓地力,这似乎比设计一个复杂的尾翼更简单直接。但实际上,汽车尾翼之所以存在,并且在很多高性能车型上不可或缺,是有其深刻的原因的,简单增加车重是无法完全替代它的功能的。

咱们得掰开了揉碎了聊聊为什么不直接加重。

首先,咱们得明白尾翼和增加车重各自在做什么。

尾翼的作用:提供“下压力”。 尾翼本质上是一个倒置的飞机机翼。飞机机翼是利用空气流过上表面和下表面速度差产生升力,让飞机飞起来。而尾翼,就是把这个原理反过来用。它的设计让流过尾翼上表面的空气速度比下表面快(或者说,让下表面的空气“受阻”更多,速度相对慢一些)。根据伯努利原理,流速快的地方压力低,流速慢的地方压力高。这样一来,空气就会在尾翼的下方形成一个相对高压区域,把尾翼往下推,进而带动整个车身向下压。这个“向下推”的力量,就是我们说的下压力。下压力直接作用在车轮上,增加了车轮与地面的接触压力,也就是抓地力。

增加车重的作用:增加“静态压力”。 车重本身就会产生一个向下的引力,这个引力直接作用在轮胎上,增加了轮胎与地面的接触压力。在车辆静止或者低速行驶时,增加车重确实能提高抓地力。

那么,为什么尾翼不能被简单粗暴地增加车重替代呢?主要有以下几个关键点:

1. 下压力是“速度相关”的,而车重是“恒定”的。 这是最根本的区别。
尾翼的下压力随着车速的平方而增加。 也就是说,车速越快,尾翼产生的下压力就越大,而且增长速度非常快。比如车速翻倍,下压力可能会翻四倍。这就意味着,在高速行驶时,尾翼能够提供巨大的、能够显著提升抓地力的下压力。
车重产生的压力是恒定的,不随速度变化。 你增加100公斤的车重,它产生的向下的力就是恒定的,不管你开20迈还是200迈,这个力都没变。

举个例子: 假设一辆车在100公里/小时的速度下,尾翼可以产生300公斤的下压力,而车重本身只有1500公斤。如果我们要用增加车重的方式来模拟这300公斤的下压力,我们就需要把车重增加到1800公斤。
但是,当车速提高到200公里/小时,尾翼产生的下压力可能会飙升到1200公斤(粗略估计,因为是速度的平方关系)。这时候,如果只靠车重,我们仍然只有1500公斤(或者1800公斤)。显然,1500公斤(或1800公斤)与1200公斤的差距,使得增加车重无法在高速时提供与尾翼相当的抓地力提升。高速行驶时,车辆更容易失控,这时候正是需要速度相关的下压力来“抓牢”地面。

2. 效率和重量比:
尾翼是用空气动力学原理“制造”抓地力,效率很高。 一个设计精良的尾翼,它的重量通常不大(可能也就几公斤到几十公斤),但能产生远超其自身重量数倍甚至数十倍的下压力(尤其是在高速下)。
增加车重则是“物理堆积”。 你要增加100公斤的下压力,就得实实在在地增加100公斤的车身材料、发动机重量、悬挂加强等等。而这些增加的重量本身也会带来负面影响。

3. 重量增加带来的负面影响:
影响操控灵活性: 更重的车身在快速变道、过弯时会更“迟钝”,惯性更大,需要更强的动力和更精密的悬挂系统来控制,这会牺牲一部分操控乐趣和灵活性。
增加油耗: 更重的车需要消耗更多的能量来加速和维持速度,直接导致油耗升高。
增加刹车负担: 更重的车意味着更大的动能,刹车需要更长距离和更大的力度来制动,这对刹车系统是巨大的考验,也会增加刹车片的磨损和热衰减的风险。
影响加速性能: 同样的动力输出,驱动更重的车身加速会更慢。
悬挂和底盘的负担: 更大的重量会对悬挂系统、车架、轮胎等部件造成更大的压力,需要更坚固、更重的材料来支撑,这又会进一步增加车重,形成恶性循环。

4. 下压力还能优化空气动力学特性:
平衡车身平衡: 尾翼产生的下压力主要作用在车辆后部,可以平衡车辆前部因为其他空气动力学效应(比如车头前唇的设计)产生的升力,或者弥补后部下压力不足的情况,从而获得更好的车身俯仰平衡。
减少侧倾: 在高速过弯时,巨大的下压力能让车辆更稳定地贴合地面,减少车身的侧倾,提高过弯速度和稳定性。
改善空气阻力(有时): 精心设计的尾翼,在提供下压力的同时,也能在一定程度上优化车身周围的空气流动,降低部分不必要的空气阻力,或者更有效地引导气流,甚至帮助冷却刹车。虽然大多数尾翼会增加一些空气阻力,但其带来的下压力优势通常可以抵消甚至超越这一点。

总结一下:

汽车尾翼之所以存在,是因为它能以一种“高效、速度相关”的方式,在车辆高速行驶时,显著增加轮胎与地面的抓地力,同时还能帮助优化车辆的空气动力学平衡,提升操控稳定性和过弯极限。而简单粗暴地增加车重,虽然也能增加一点点静态抓地力,但这种提升是恒定的,无法随速度增长,并且会带来油耗增加、操控变差、制动负担加重等一系列负面影响,在高性能领域是得不偿失的。

你可以想象一下,一辆F1赛车,它在高速过弯时能产生几吨的下压力,这已经超过了它自身的重量。如果仅仅依靠增加车重来实现这点下压力,那它的车重将会变得异常恐怖,根本无法做出如此迅捷的动作。这就是尾翼的神奇之处,它利用了空气的力量,在不牺牲太多其他性能的前提下,为车辆带来了“贴地飞行的能力”。

网友意见

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对于汽车,或者说对于任何一种能运动的机械,人类总是想要然后它更快,这个快包括两个方面,一方面是加速度更大,另一方面是速度更快,汽车的尾翼也是服务于这两个目标的。

根据我们初中学习过的经典的牛顿力学可以得到一个公示F=ma,很显然想要让加速度a变大有两个方法,让力变大或者让质量变小。

质量变小很显然就是要让车辆尽量的轻。

让力变大也很容易理解,汽车运动的一切力都只来自于轮胎与地面的摩擦力,所以只要增大轮胎与地面的摩擦力并且提供足够的动力来用满这个摩擦力就好了。

依然是初中的知识,摩擦力=摩擦系数X垂直于接触面的作用力。轮胎和地面的材质确定了摩擦系数就确定了,想要增加摩擦力就得增加轮胎上的作用力。尾翼的作用就是利用空气在尾翼上下流速不同产生的压强差来制造对轮胎的作用力。

弄明白上面两个问题你的这个问题就不难回答,增加车重确实可以增加轮胎的摩擦力从而使操控汽车的力变大,但因为质量增加了,所以汽车的加速度并不一定会增大,摩擦系数小于1的话增加车重会让加速度更慢。尾翼会让摩擦力变大,同时汽车的质量基本不变(增加了尾翼的重量),所以汽车的加速度会变快,运动性能会提升的。

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