阻力和升力

阻力

一辆轿车的气动效率是由其阻力系数(Cd)所决定的。而阻力系数与面积无关，它仅仅是反映出物体的形状对于气动阻力的影响。理论上来讲，一个圆形的平板的阻力系数为1.0，但是如果考虑到其边缘周围的湍流效应，它的阻力系数将会变为1.2左右。气动效率最高的形状是水滴，它的阻力系数只有0.05。不过，我们不可能制造出一辆水滴形状的轿车。一辆典型的轿车的阻力系数大致为0.30。

阻力的大小是与阻力系数(也叫牵引系数、风阻系数)、正面接触面积和车速的平方成比例的。你会发现一辆时速120英里的轿车所遇到的阻力是一辆时速60英里的轿车的四倍。你还可以发现阻力对于最高时速的影响。如果我们不改变一辆Testarossa的形状，而将其最高时速从180英里提高到Diablo的 200英里的话，我们需要将其最大输出功率从390马力提升到535马力。如果我们宁愿把时间和资金花在风洞的研究上，只要将其阻力系数从0.36降低到0.29就能够达到同样的效果。

斜背式车身

在20世纪60年代，赛车工程师们开始认真对待空气动力学。他们发现如果他们将轿车后背的斜度减小到20度或更小的话，气流就会非常平稳地流过车顶线，从而大大减小了阻力。他们将这种设计命名为“斜背式车身”。这种关注的结果是很多赛车都增加了一个比较夸张的长长的尾翼，并把后背的高度降低了，比如这里展示的1978年的935 Moby Dick。

对于一辆三厢式轿车，气流会直接从车顶线的尾部离开轿车。而后挡风玻璃的突然下降会在周围的区域形成低压，这就吸引了一些气流重新流入该区域进行补充，并因此形成了湍流。而湍流总是会损害到阻力系数。

然而，这依然比可能出现在三厢式车身和斜背式车身之间的一些情况要好。如果后挡风玻璃的斜度为30~35度的话，气流就会变得非常不稳定，而这将很损害到高速行驶时车辆的稳定性。在过去，轿车厂商对此知之甚少，所以生产了很多类似的轿车。

升力

另一个重要的空气动力学因素是升力。由于轿车顶部的气流移动的距离要长于轿车底部的气流，所以前者的速度会比后者快。根据柏努利(瑞士物理学家)原理，速度差会在上层表面产生一个净负压，我们将其称为“升力”。

像阻力一样，升力也是与面积(不过是表面积而不是正面面积)、车速的平方和升力系数(Cl)成比例的，而升力系数是由形状决定的。在高速行驶时，升力可能会被提升到一个足够高的程度，从而让轿车变得很不稳定。升力对于车尾的影响更为重要，这一点很好理解，因为后挡风玻璃的周围存在一个低压。如果升力没有被充分抵消，后轮就很容易发生滑移，这对于一辆以时速160英里飞驰的轿车是很危险的。

就这个方面来讲，斜背式车身是非常不利的，因为它与气流接触的表面积非常大。看起来良好的阻力和良好的升力是互相排斥的，你好像不可能同时拥有它们。不过，由于过去我们对空气动力学进行了更多的研究，所以我们还是发现了一些办法，可以解决同时拥有两者的问题……

空气动力学辅助设备

尾翼(后扰流器)

在20世纪60年代早期，的工程师们发现通过在轿车的尾部增加一个气翼(我们简单地将其称为“尾翼”)，可以大幅度减小升力甚至产生一个完全向下的压力。同时，阻力只是略微有所增加。

尾翼的作用是引导大部分的气流直接离开车顶而不发生回流，这就会使升力减小。(如果我们加大尾翼的角度，甚至可能产生一千公斤向下的压力。) 当然，依然会有一小部分气流会回流到背部并从尾翼下的车尾处离开。这就避免了在非斜背式轿车上出现的湍流，并因此保持了阻力效率。由于只有很少的空气沿这个路线流动，所以它们对于升力的影响可以轻松地被尾翼消除。

为了受益于绝大部分的气流，尾翼安装的位置必须比较高。的Escort RS Cosworth在这一点上做得不错……但对于墨丘利的Cougar来说，尾翼看起来只是一个装饰品罢了。

第一辆安装尾翼的轿车是1962年产的246SP长距离赛车。仅仅一年以后，250GTO道路用车就加入了这一行列，安装了一个小型的鸭尾式尾翼，这当然是第一辆安装尾翼的道路用车。然而，尾翼并没有因此就流行开来，直到1972年发布了其911 RS 2.7情况才有了转机，该车巨大的鸭尾式尾翼将高速行驶时的升力减小了75%。仅仅一年以后，RS 3.0就开始使用一个鲸尾式尾翼，这种尾翼可以将升力完全消除掉，它也因此成为了此后所有911轿车的标志。

新款996 Carrera为我们提供了一些有用的数据：

前面的升力（时速 157 英里） 后面的升力（时速 157 英里） 放下尾翼 64 公斤 136 公斤 打开尾翼 5 公斤 14 公斤

扰流器

扰流器是改变车身下面气流的空气动力学装备。我们将安装在前保险杠底部边缘的扰流器称为“下颚扰流器”或者“气坝”，而将安装在车身两侧底部边缘的扰流器称为“侧裙”。要了解扰流器的原理，我们必须先谈谈车身下面的气流。

车身下面的气流总不是我们希望存在的。在轿车车身的下面有很多暴露在外的组件，比如发动机、变速箱、传动轴、差速器等。这些设备会阻碍气流，不仅仅造成增大阻力的湍流，还会因使气流慢下来而增大升力。（还记得柏努利定理吗？）

扰流器通过促进空气从车身两侧离开达到减小车身下面气流的目的，其结果是减小了因车身下面的气流造成的阻力和升力。一般来说，扰流器安装的位置越低，能达到的效果就越好。因此你会发现长距离赛车的扰流器几乎是擦着地面的。当然，道路轿车不可能做到这样。

车身下面的光滑底板

我们还有一种减小车身下面气流影响的办法，那就是用一个光滑的底板将轿车的下面全部覆盖，就像这一辆F355一样。这可以避免湍流和升力。

地面效应

对于赛车工程师们来说，尾翼可能是对付升力的好办法，但距离他们真正想要的效果还很遥远。典型的一级方程式赛车转弯时的加速度大约是4g，这需要巨大的向下的压力保持轮胎紧贴赛道的地面。当然，安装一个角度很大的巨大尾翼可以满足这种需求，不过同时也会损害到阻力系数。

在20世纪70年代，考林•查普曼(又一次)发明了一种全新的概念，在提供向下的压力的时候并不会改变阻力的大小，这种概念就是“地面效应”。他在自己的72赛车的底部安装了一个空气通道。通道在前面的部分相对狭窄，但在向车尾延伸的同时不断扩大。由于赛车的底部几乎是触地的，所以通道和地面实质上形成了一个封闭的管道。当赛车飞驰时，空气从车头进入，然后线性扩散到车尾。显然，接近车尾处的气压会降低，从而产生了向下的压力。

与尾翼相比，地面效应的优势太多明显，所以很快一级方程式赛车就禁止使用地面效应了。1978年，Brabham车队的戈登•默里又尝试使用扩散通道之外的其他方式，他使用了一个大功率的风扇在接近车尾的地方产生向下的压力。当然，这种创新又一次在一级方程式赛车中被禁止了。

地面效应对于道路用车来说不太合适，因为它要求车身底部特别贴近地面才能形成一个封闭的管道。对于赛车来说，这没有任何问题。但是道路用车需要留出高很多的离地间隙以适应不同的起伏路面、爬坡和下坡路面等。这种较高的离地间隙会大大减小地面效应的效力。McLaren F1道路用车沿用了Brabham车队的技巧，该车使用两台电扇来产创造地面效应，不过说实话，没有哪位试车者对它产生的向下的压力发表过赞美之词。Dauer 962号称是“道路用车”，不过它实际上是一辆获准在道路上驾驶的962长距离赛车，该车就安装有赛车通常使用的空气通道地面效应。它行驶时的离地间隙可以调节，在起伏路面就低速行驶，但到了德国的高速公路上，就充分利用地面效应畅快地飞驰。即使这样，它所产生的向下的压力也只有赛车的40%而已。