汽車尾翼的原理及其種類和意義

摘要：本文從尾翼的物理學(xué)原理入手，分析了汽車尾翼的基本原理以及當(dāng)今汽車尾翼的種類及其意義。

關(guān)鍵詞：尾翼；伯努力方程；空氣動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2008)11(S)-0033-2

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)的公路上有了越來(lái)越多的各式汽車，細(xì)心的人們會(huì)發(fā)現(xiàn)很多汽車的尾部都裝有一個(gè)動(dòng)感十足的裝置，那就是汽車的尾翼。

1 尾翼的空氣動(dòng)力學(xué)原理

尾翼較專業(yè)的學(xué)名叫擾流板，最初的汽車尾翼是出現(xiàn)在F1賽車上，而且在它的前后都有這種裝置。尾翼并不是簡(jiǎn)單的起裝飾作用，而是使汽車在高速馳騁時(shí)增加它的抓地力和穩(wěn)定性，特別是使汽車在彎道不易于翻倒，并且可以節(jié)省燃油。那么它是如何起這種作用的呢?這就需要我們先來(lái)了解一下飛機(jī)機(jī)翼升力機(jī)制的空氣動(dòng)力學(xué)原理。飛機(jī)在飛行過(guò)程中會(huì)受到重力、空氣阻力、推力和升力，而機(jī)翼的作用就是產(chǎn)生升力，即用來(lái)平衡重力而不致使飛機(jī)掉下。圖1為機(jī)翼的側(cè)視圖及在高速狀態(tài)下的氣流分布，可見機(jī)翼的側(cè)向截面是頂部彎曲而底部相對(duì)較平的形狀。當(dāng)機(jī)翼在空氣中穿過(guò)時(shí)將氣流分隔開來(lái)，部分空氣從機(jī)翼上方流過(guò)，另一部分則從其下方流過(guò)。

空氣的流動(dòng)在日常生活中是看不見的，但低速氣流的流動(dòng)卻與水流有較大的相似性。日常的生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)水流以一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的流量流過(guò)河床時(shí)，在河面較寬的地方流速慢，在河面較窄的地方流速快。流過(guò)機(jī)翼的氣流與河床中的流水類似，由于機(jī)翼一般是不對(duì)稱的，上表面比較凸而下表面比較平，流過(guò)機(jī)翼上表面的氣流就類似于較窄地方的流水，流速較快；而流過(guò)機(jī)翼下表面的氣流正好相反，類似于較寬地方的流水，流速較上表面的氣流慢。根據(jù)伯努力方程所得的流體力學(xué)基本原理，在流體的流動(dòng)中，壓強(qiáng)跟流速有關(guān)，流速v大的地方壓強(qiáng)p小，流速v小的地方壓強(qiáng)p大。同理，空氣流動(dòng)慢的區(qū)域大氣壓強(qiáng)較大，而流動(dòng)快的區(qū)域大氣壓強(qiáng)較小，這樣機(jī)翼下表面的壓強(qiáng)就比上表面的壓強(qiáng)高。換一句話說(shuō)，就是大氣施加于機(jī)翼下表面的壓力(方向向上)比施加于機(jī)翼上表面的壓力(方向向下)大，二者的壓力差便形成了飛機(jī)的升力，且流速越大，這個(gè)升力也越大，這也正是為什么飛機(jī)起飛需要一個(gè)較大的速度的原因，因?yàn)檫@是需要升力大于飛機(jī)本身的重力。

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汽車側(cè)面視圖也類似于機(jī)翼，如圖2所示，它的側(cè)面截圖上下也是不對(duì)稱的，也是底部較平、頂部彎曲。那么它在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，車的前部也會(huì)把氣流分隔開來(lái)，一部分從車體的上方流過(guò)，另一部分從下方流過(guò)，這樣也使它處在和機(jī)翼一樣的情形中，導(dǎo)致車體上、下表面的氣流速度不一樣，即上方的流速大于下方的流速，從而導(dǎo)致向上的壓力大于向下的壓力。二者的壓力差也會(huì)形成一個(gè)升力，使汽車在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)受力情況就象一個(gè)機(jī)翼，受到向上的一個(gè)升力，而且根據(jù)伯努力方程可得車速越大升力也會(huì)越大，這樣就會(huì)減小汽車的抓地力(即汽車對(duì)地面的壓力)。在極端情況下，如速度極大的情況下完全有可能使升力大于車體重力，那就會(huì)出現(xiàn)車體離地，造成發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)的情況，浪費(fèi)燃油，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)危險(xiǎn)，特別是在拐彎處。如果出現(xiàn)這種情況，就會(huì)出現(xiàn)汽車做離心運(yùn)動(dòng)的情形，造成車輛翻車的事故。

因此，為了避免這種情況的出現(xiàn)，人們想到了為什么不能把一個(gè)“反機(jī)翼”安裝在汽車上(如圖3所示)，從而形成一個(gè)與機(jī)翼升力相反的下壓力F。這里的所謂反機(jī)翼指的是在汽車上安裝一個(gè)倒置的機(jī)翼，它的特征是頂部較平，而底部彎曲，使它在高速的氣流中上方的氣流速度小于下方的氣流速度，進(jìn)而使上方的氣壓大于下方的氣壓，形成—個(gè)向下的壓力，從而可以抵消車體本身運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的升力，這就是尾翼（擾流板)的空氣動(dòng)力學(xué)原理。

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2 當(dāng)前汽車尾翼的種類

現(xiàn)在的很多汽車都安裝有這種尾翼(擾流板)，它兼有裝飾功能和動(dòng)力學(xué)功能，它不僅可以使汽車的穩(wěn)定性更好，還可以使汽車外形變得靈動(dòng)、時(shí)尚、更具運(yùn)動(dòng)性。我總結(jié)了一下現(xiàn)實(shí)中的幾種尾翼的類型。

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（1）賽車上的尾翼。比如F1賽車中(如圖4)，由于它的車速高，個(gè)體在高速的氣流中所表現(xiàn)出的“機(jī)翼”化現(xiàn)象特別明顯，因此非常有必要安裝用來(lái)抵消這種現(xiàn)象的裝置——擾流板。它不僅安裝在尾部，車前端也有這種擾流板，一般分為單層和雙層兩種，而材質(zhì)有鋁合金、玻璃纖維、碳纖維等多種，其工作方式也有手動(dòng)可調(diào)和自動(dòng)調(diào)節(jié)之分。不過(guò)無(wú)論其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)有何區(qū)別，其根本目的都是通過(guò)增加下壓力來(lái)改善車輛在動(dòng)態(tài)狀況下的穩(wěn)定性。我們觀注F1賽事時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1賽車的前后都安裝有擾流板，它們?yōu)檐圀w提供了近60％的下壓力，從而保證了高速下賽車的輪胎具有足夠的抓地力來(lái)保持車身的穩(wěn)定性。

（2）一般汽車的尾翼。如圖5中，一般的運(yùn)動(dòng)版小汽車都裝有一個(gè)尾翼，一是為了體現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)特性；二是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)型的汽車用戶可能趨向于玩車技，會(huì)做一些急轉(zhuǎn)彎、飄移等特技動(dòng)作，這時(shí)候尾翼就會(huì)起到穩(wěn)定車身的作用，增加安全性。也有些汽車的尾翼是與車尾貼在一起的，而不是與車尾分離的，這種尾翼就不能產(chǎn)生本文之前所提到的升力，但它也能提供一定的下壓力，其原理與尾翼是不同的，嚴(yán)格的講不能稱其為尾翼?，F(xiàn)在很多汽車尾翼的有效性還是值得懷疑的，更多的是一種外形的裝飾。

（3）一些掀背或兩廂車后出現(xiàn)的鴨尾狀擾流器。如圖6，現(xiàn)在的一些旅行車、MPV、多功能車都是采用掀背式，大都數(shù)都會(huì)有一個(gè)鴨尾狀的尾翼，其既可以將車頂上的氣流順暢地導(dǎo)至車后，同時(shí)還利用了該氣流能將后車窗的灰塵清除掉，避免了因灰塵附著而影響司機(jī)的后視野。

3 關(guān)于汽車尾翼的意義

當(dāng)前，世界各國(guó)汽車制造廠商相繼致力于研究開發(fā)汽車風(fēng)阻的新技術(shù)，一個(gè)更趨合理、完美、科學(xué)的尾翼時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。過(guò)去我國(guó)在轎車使用中比較忽視尾翼的安裝，這是由于當(dāng)時(shí)車速不高，尾翼減阻、省油作用不十分明顯。但是近幾年，隨著我國(guó)大批高速公路和許多大中城市高架路、高等級(jí)道路的建設(shè)及投入使用，車速有了較大的提高，汽車尾翼的作用顯得越來(lái)越重要。以排氣量為1．8L的一般轎車為例，如果裝上尾翼，空氣阻力系數(shù)將降低20％，在一般道路上行駛，耗油量減少或許不明顯。如果在高速公路上，以120km／h的速度行駛，則能省油14％，此時(shí)汽車尾翼的作用就很明顯了。 一個(gè)根據(jù)車身的寬度，經(jīng)過(guò)精確計(jì)算制作而成的尾翼，不但能使車輛在高速行駛時(shí)能更加穩(wěn)定和安全可靠，而且能減少汽車在行駛中的空氣阻力和提高車速、節(jié)省油耗。這對(duì)于當(dāng)前油價(jià)高漲、能源短缺的現(xiàn)實(shí)情況來(lái)講，對(duì)節(jié)能、環(huán)保來(lái)講都具有一定的積極意義。

(欄目編輯鄧 磊)