NASCAR尾流超车的空气动力学原理

在赛车比赛中，我们经常可以看到前后两辆车靠的非常近，后车的头部几乎都要碰到前车尾部。这是为什么呢？许多人认为这是主办方有意让比赛变得更激动人心和令人兴奋，这可能是其中一个原因，但更深层的原因却是“空气动力学”。本期“汽车风洞技术”科普系列，我们将为你介绍NASCAR比赛中的“尾流超车”所蕴含的空气动力学原理。

在诸如F1、NASCAR等赛车比赛中，由于比赛规则的限制，各车队之间赛车的性能差别不会太大，因此车手的赛道经验和驾驶技术在比赛胜负中就发挥了重要作用。“拖拽行驶”和“尾流超车”就是赛车手们经常采用的一种驾驶策略。


NASCAR赛场最精彩的一次尾流超车（超车瞬间1分38秒，慢镜头2分14秒）
一、什么是“拖拽行驶”？
视频中，尾车一直紧紧贴住前车行驶，在距离终点的最后一个弯道前，尾车突然从一侧加速，在最后时刻以一个车轮的优势夺得冠军。这一精彩绝伦的超车除了车手精湛的驾驶技术外还蕴含了怎样的空气动力学原理？

首先我们先了解下，为什么在比赛中尾车紧随前车行驶？
在比赛中两辆或更多的赛车头尾相接的队列行驶，以达到比单辆赛车更高的速度，称为“拖拽行驶”。

在比赛中，马力较小的赛车可以使用“拖拽行驶”的策略，紧跟上马力较大赛车的行驶速度。
在1960年NASCAR赛车中，传奇车手约翰逊是公认的第一个采用这种策略的赛车手。约翰逊当时驾驶了一辆马力并不大的雪佛兰赛车，其对手驾驶了一辆极具统治力的马力强劲的庞蒂克赛车，比赛中他发现如果他的赛车位于庞蒂克赛车尾部的某一位置，他的雪佛兰赛车完全可以跟上马力更大的庞蒂克赛车。这是车手使用“拖拽”策略的开始。

赛车在高速行驶中，会在汽车前部形成一正压区域，在汽车尾部由于气流分离，形成了一真空区域，前后的压差是汽车空气阻力的主要来源。相关原理可参考“科普 | 什么是空气阻力？”一文。

汽车尾部形成的负压区域
当尾随车进入前车形成的真空区域内后，减小了尾随车的前后压差，相应的减小了尾随车的空气阻力，这使得尾随车即使不将油门踩到底也可以尾随着前车行驶。

另外当尾随车进入前车的真空区域时，也影响了前车尾部湍流场的形成，这样两辆甚至多辆汽车排成队列行驶其空气阻力相比单辆汽车其空气阻力要降低不少，整个汽车队列的行驶速度也将比单辆汽车有所增加。

需要说明的是，“拖拽行驶”的效果与前后车的距离有很大关系，当前后车距合适，才能使得“拖拽行驶”的效果最大，整个车队的空气阻力才能达到最小。否则如果尾车位于前车的乱流区域，不仅不能降低空气阻力，还会影响后车的行驶稳定性。

二、“尾流超车”中的空气动力学原理
“尾流超车”就是利用了“拖拽行驶”的效果，尾车紧紧跟随前车，进入前车的真空区，以降低尾车的空气阻力，这样即使尾车油门没有踩到底也可以紧紧跟随前车行驶。
在进入弯道前，尾车迅速向一侧抽出，并将油门踩到底，这样尾车将以比前车更大的加速度完成超车。


因此，文章开头视频中那精彩的一幕除了赛车手精湛的驾驶技术外，汽车空气动力学在这一过程中发挥了重要的作用，正是这看不见的力，决定了比赛的胜负。

三、尾流的其他应用
除了在汽车中利用尾流，还有其他利用尾流的例子：
1、鸟类迁徙
鸟类长途迁徙飞行过程中，采取的“V形”飞行队形，就是利用了尾流。
据统计在“V形”队形中，每一只鸟的飞行阻力都可以减小65%，因此它们的飞行距离可延长71%。

2、航天飞机
在航天飞机在返回大气层时，机体与大气摩擦可产生约3000℃的高温，如果不采取特殊的机体设计，整个机身都将暴露在3000℃高温的炙热下。

航天飞机返回地球时的周围流场
因此NASA的工程师们采取了升力体和钝形鼻锥的设计。在航天飞机返回大气层时，其机身底部产生的流场分布，减小了航天飞机上机身周围的空气密度，整个上机身都包裹在了低密度的气流中，从而减小了上机身与空气的摩擦，增加了航天飞机返回地球时的安全系数。

美国NASA航天飞机
特别提醒：
“拖拽行驶”和“尾流超车”仅适用于专业赛车手在赛道上施展，请勿在日常驾驶中尝试。

保持车距，安全驾驶，从你我做起！
CAERI 视点
汽车尾部由于气流分离形成的尾流场是气动阻力的主要来源，人们减阻的努力也紧紧围绕如何减小尾流区展开。但压力低的尾流区也有可以利用的一面，目前汽车行业兴起的无人驾驶和智能驾驶，在技术成熟后，完全可以做到队列行驶，以减小车队空气阻力的目的，未来在该领域还有很大的可研究空间。