空气的力量 汽车空气动力学入门知识

空气，这种看不见摸不着，无处不在却又被我们忽略的东西隐藏着什么？毫无疑问，空气拥有着巨大的力量，它能轻而易举摧毁人类的城市，却又能为我们的生活带来清爽。空气对汽车有何影响？今天，教授打算与大家聊聊有关空气和汽车的那点事，在接下来的文字中，大家将会对空气动力学有一个初步的认识。

何为空气动力学？

空气动力学，简称气动力学，是一门极其重要但极其艰深的学科。一般而言，空气动力学划分为高速气动力学和低速气动力学，对于汽车而言，其属于低速气动力学范畴，这个部分主要研究空气的流动性及温度等作用。对于普通家用车而言，拥有优秀气动设计的汽车会更安静更省油，速度更快。鉴于这个科目的科普难度，在本文中，我们将只讨论气动力学最基础的原理，同时通过一些例子，告诉大家怎样的改装是不利的。

气流及伯努利定律

在开始之前，我们首先得弄清楚空气流动的本质---分子移动。在不受到外力的状态下（平衡状态），气体分子是呈自由运动的，运动方向不一，彼此间时不时会出现碰撞，但一旦受到外力作用（如地球自转），空气分子就会向某一个方向运动，这正是流动的空气，或者简称气流生成的原因。但空气分子即使向同一方向运动，仍然会受到各种各样外部力量的影响，空气流动会产生压力与流速两个特性，对上述两个特性的研究，正是气动力学的基础之一。

那么，气流流速和压力会怎样变化呢？我们不妨开一下脑洞，设想一个中间宽两头窄的圆形容器，让空气流过这个容器，流速与压力将怎么变化呢？一位叫伯努利的科学家在经过计算后，得出：在直径越小的区域，流速加快，压力减低；在直径越大的区域，流速减慢，压力增加。也就是说，当空气经过越狭窄的地区，压力减少，流速加快，而通过较宽敞的地区时，压力会增加，流速会减慢。（伯努利定律）

当然，伯努利自己并不能很好地理解这个特性，后来，由一位叫尤拉的数学家将这个定律转化为精确的数学公式，人们才第一次可以精确计算气流特性，这条方程，称为尤拉方程。（尤拉方程启发了后来的气体梯度及气流粘性研究，但由于太过复杂，不在我们的讨论之列）。

升力与下压力

接下来要说到的是另外两个名词：流场和流线。什么叫流线？如果我们把气流的流动用一条直线表示，这条我们虚构出来，但确实存在的“线”，就是流线。而流场，则是指流体存在的某个区域。下面一张图很直观地表述了流线与流场。

当气流遇到固体，例如汽车车体时。流线会发生变化，同时，附近的流场也会有变化。我们认真看看上图，根据伯努利定律，在凸起的物体上方，在流场缩小的情况下，压力减低流速加快，因此会在物体上方出现一个低压区，由于大气压作用，这个固体会被下方较大的气压抬起，这就是升力的产生机制。

我们不妨看看普通家用车的侧面线条与图中这个物体，是不是很类似？实际上，汽车本身的设计就是一个升力体，对于赛车而言，可以通过各种手段把升力减低，甚至产生负升力，也就是下压力。但对于普通家用车而言，气流对它们产生的，绝大多数是升力，而几乎无法产生下压力。而且，车身越高的汽车，产生的升力也就越大，这是一个无法回避的问题。

那升力有什么坏处？首先，它会让车子的操控性减低，速度越高，对车子的操控性影响就越大，驾驶者会觉得车子发飘，难以控制，这些都是缺点。而要消除这种缺点，我们只能通过两个方法解决：第一种，也是最简单的，加大车子自重，用重量去抵消升力影响。第二，通过对车身的重新设计，对气动力学进行优化，让车子的升力量减少。

尾翼不能随便装

看到这里你可能会说：哪用得着那么麻烦，直接装尾翼就可以了啊！人家赛车都是有尾翼的啊！实际上，在民用车上装尾翼毫无必要。首先，尾翼确实能产生大量下压力，但这是建立在巨大风阻的前提下的。尾翼实际上就是一块强行让空气减速的板，一方面，空气减速了确实能产生下压力，但另一方面，又会产生巨大的空气阻力，这些空气阻力会让车子加速困难，油耗居高不下。

而且相当一部分在汽配城出售的改装用尾翼，由于没有经过严格的气动测试，不仅会产生巨大风阻，还很有可能无法产生有效的下压力，甚至于有些尾翼产生的还是升力。我们的车不是赛车，我们不需要像赛车那样过弯，车子出厂的外形已经经过严格的气动测试，足够满足日常使用了，千万不要自己乱加尾翼或者前扰流板，这些看似炫酷的东西，都是要经过极其严格的匹配才能发挥出应有作用的。

后记

实际上，今天说的只是空气动力学的冰山一角，即使是基础理论，也有太多未曾涉猎，例如紊流与层流，雷诺数和边界层、气流粘性等知识，这些都无法尽述，在将来的日子里，教授还会陆续为大家解开空气动力学的神秘面纱，敬请期待。

（资料支持：《Beyond The Apex》）

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