什麼是海豚跳?
F1空氣力學現象解釋

Posted 08/07/22

在F1 2022年賽車新制下我們看到” porpoising”海豚跳現象的回歸。不過甚麼是海豚跳?讓TG報你知。

F1在2022年賽季起引入新車輛規則,與舊制相比的巨大轉變旨在讓比賽中實力差距更為接近且精彩,而各隊的賽車設計也不得不從頭開始:這也是為何Mercedes-AMG車隊不再遙遙領先所有對手、以及全球的車評都不斷提到”海豚跳”的原因。

01 甚麼是海豚跳?

海豚跳是一種空氣力學現象,自從地面效應開始應用於車輛之後,F1賽車們便開始受到這種現象所干擾。當車輛採用地面效應理念造車下,空氣在通過車底的氣流通道時,由於分流或氣流擴散等設計使車底氣壓驟降,進而透過外界與車底的氣壓差來增加施加於輪胎的正向力,成為更多抓地力的來源。不過問題在於當車子跑得越快、車輛底盤就越被吸到地面上,如果靠得太近便會導致氣流通過受阻,使車輛在下壓力突然消失的同時向上彈起;然而當車輛彈起後,空氣便會再次湧入底盤的氣流通道,把車輛再次往下吸,然後再往上彈…如此周而復始。

 

02 為甚麼要叫海豚跳?

不僅只在高速狀態,側箱上的壓力中心會隨著車輛的速度、姿態以及離地間隙而移動,並與懸吊系統相互作用,在低速時車輛也有可能前後搖擺,猛烈程度甚至會造成車手不適。而致種擺動有如海豚在高速行進時跳出海面,因而得名。

 

03 甚麼原因導致海豚跳?

F1 的新規則源於希望看到汽車能夠更輕易地前後相互緊咬,以增加賽事可看度。在所採取措施的其中之一便是透過地面效應,取代舊制在車輛表面透過複雜鰭片(或稱渦流產生器)所產生下壓力後,方向凌亂的空氣對後車造成”Dirty air”(亂流)。當後車面臨Dity air時,下壓力便會減少,使超車及跟隨的難度增加。

而在透過地面效應產生下壓力時,F1輔以其他如鼻翼組件限制、尾翼設計等等避免亂流產生,同時使車輛具備充足的下壓力。

不過當車隊無法妥當控制下壓力與車底氣流的作用,如同第一題所述,海豚跳就產生了。

 

04 如何消除/減緩海豚跳?

這簡單,把車輛行駛高度提升就可以了。”那為甚麼大家不那樣做?”也許你會問。而箇中關鍵:「下壓力」又得出面解釋了。提高車身高度誠然可以防止海豚跳出現,不過這也意味著在車輛行駛間無法更有效地製造車底低壓、進而產生下壓力。下壓力越小、車子就越慢,車子越慢,就代表您不會獲得任何積分。而當你沒有積分?在賽季末分配到的獎金將少得可憐。

當然可以採用主動式懸吊解決此問題,但此設施在F1目前依舊禁用,否則將會是另一項坑殺小車隊的研發黑洞,同時也會產升所謂Dirty air。因此這目前還不是各車隊所應該考量的項目。

 

05 海豚跳危險嗎?

有可能。Mercedes-AMG今年在場上的表現相當糟,而在亞塞拜然大獎賽過後,Lewis Hamilton表示有時他在高速彎道幾乎失去的對賽車的控制。同時許多車手亦表態敦促FIA著手控制情況,有些人認為海豚跳造成他們身體傷害僅僅是時間問題,無論是因為大規模事故或是在不平坦的賽道上反覆彈跳並摩擦地面。

而自從法國大獎賽開始,FIA決議透過對賽車加速度計的監測訂立一個可接受的彈跳限制,所有超出/違反限制的車隊都將被強制提升車高以解決海豚跳問題,否則就可能因安全問題而遭禁賽。

06 為何有些車隊受海豚跳影響的情形更嚴重?

好問題。如果我們有能力給你一個詳細且完整的答覆,我們可能會在台大、哈佛或是MIT講課,而非在TopGear.com上頭塗塗寫寫。

然而這一切源自於各車隊各自懷抱不同的造車理念,而這些設計在實際奔馳起來後所造成的影響也有所不同。

以Mercedes-AMG所帶來的”無側箱”設計來說,此設計原先預期會產生極大下壓力,但它們強大的運電腦並沒有料到實車在進行測試的第一圈就遭逢嚴重的彈跳,並在數個月後仍為此困。

有人猜測無側箱設計使協助產生下壓力的底板過於暴露,使其在高速狀態下產生彎曲。而這就是關鍵所在:產生穩定、且可控的下壓力程度,但不超過FIA新規範所訂立的極限。

 

07 海豚跳是甚麼感覺?

像被鑽地機打?或是以屁股乘坐碳纖維跳跳球?

顯然我們還沒親身駕馭過2022年的F1賽車。不過根據Sir Lewis所述:

“我在腎上腺素提升的比賽中仍因疼痛而咬牙切齒,我無法以你能瞭解的言語表達所經歷的痛苦,尤其是在直線上”。

同時他的隊友George Russell表示:”相當殘酷地,我們在每一圈、每一處彎角都在摩擦地面,並持續達90分鐘”

換句話說,就是不開心。