纽维自传《How To Build A Car》连载7：地面效应是什么
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第一部分：发车格上
第六章
为了使赛车加速并达到更高的极速，你需要更多的动力，更轻的重量和更少的空气阻力。如果这听起来是一套简单的目标，那可能确实是，但是还要去掉转弯的麻烦问题。轻车能够迅速改变方向，但认为较重的车提供更多的抓地力是一种误解。轮胎的性能是非线性的，这意味着如果转弯时轮胎上的负载增加一倍，它们也不会提供两倍的转向力。为了以同样的速度过弯，重两倍的车就需要两倍的抓地力，而且加速会更慢。
这就是下压力的作用。下压力就是我们所说的把车向下推的压力，可以有效地把车吸在赛道上。由于下压力的产生是空气动力学外形的结果，所以可以在重量不增加的情况下提高抓地力。换句话说，鱼和熊掌可以兼得：更强的抓地力而不损失加速度。
因此，底盘设计师的目标是：
1.保证轮胎在刹车、转弯和加速阶段以均匀和一致的方式出接触地面。
2.保证车尽可能地轻。
3.保证车产生的阻力尽可能小。
4.保证车在整个转弯的过程中，在平衡的状态下产生尽可能多的下压力。
1977年，下压力在赛车运动中仍是一个研究相对较少的领域。在20世纪40年代和50年代，下压力完全没有发挥作用，到了60年代，车队开始在车上安装扰流板，特别是在勒芒，在那里由于车身形状带来的升力，导致车手抱怨在又长又快的直道和弯道上车不稳定。1967年，Chaparral车队的吉姆·霍尔造出了一个非常大的尾翼，赛车第一次产生巨大的下压力，从字面上看是向天空寻求灵感，也就是飞机的设计。
飞机升空是因为机翼的形状，空气以不同的速度流过上下两端，上边的压力低，下边压力高，机翼从高压向低压方向移动，飞机起飞，我们就可以看到所谓的 "正升力"。
赛车上的翼片以同样的方式工作，但是反过来，产生“负升力“或 "下压力"，将汽车压向地面，从而使轮胎产生更大的抓地力。
随着这个简单得不能再简单的解决方案被提出，赛车上的翼片成为1970年代的一个普遍特征，车队不断寻求更多的下压力，但直到1977年都没有什么进展。
为了解释1977年发生的事情，请允许我先简单讲一点空气动力学知识。机翼表面的压力差在通过空气时造成流场的扭曲，这个现象被称为“环流”。在赛车中，这意味着车后面的空气被向上抛起，在赛车后面形成一个公鸡尾巴形状的气流，当F1赛车在湿地运行时可以看得很清楚。然而，翼片高压侧的空气也能够在翼片尖端周围泄漏，减弱吸力侧的低压，从而降低翼片的效率。这种翼尖泄漏，与车往前的运动结合时，就会形成一种螺旋状的、类似龙卷风的结构，称为翼尖涡旋。雨天的情况下，可以看到这些翼尖涡旋从后翼溢出。同样的条件下，这种情况也可以在飞机的机翼上看到。
图1：尾翼的工作原理以及翼尖产生涡流的原理
飞机（还有鸟类）通过增加长度来减少机翼的这种效率损失，滑翔机就是一个例子，它有非常细长的机翼。然而，在1968年，由于当时使用的细长尾翼故障，F1中发生了一连串的事故，因此出台了限制长度的规定。车队的反应是在他们缩短的尾翼两端装上板子，这有助于在车翼的上表面和下表面之间创造一个更曲折的气流泄露路径，但整体效率却降低了。简单地这样处理，就是1968年到1977年之间F1的最先进技术。
图2：把车底变成一个巨大的翼片
但是，正如经常发生的那样，自然界已经进化出了一个有效的解决方案，即如何使长度一定的翅膀更有效率。如果你观察一只重型水鸟，比如天鹅，它往往会在水面上飞行，翅膀的尖端就在水的边缘，快要浸入水中。在这样做的时候，它利用了两个强大的效应：
（1）如果它的翼尖刚刚接触到水面，气流泄漏的路径就被封住了，低压就不会受到影响，因此翼片的效率就会大大提高。
（2）机翼后面的下洗气流（由环流产生）对河面产生力的作用，在翼片下面产生较高的压力，这种现象被称为 "地面效应"。
把它颠倒过来，就有了一个产生下压力的翼片，其端板在地面上摩擦，突然出现了一个巨大的有效的解决方案。这正是路特斯1977年所做的，利用车底部的大部分来创造一个巨大的翼片，通过"滑动裙边"把车牢牢压在地面上。
这种类型的创新，今天我们称之为 "颠覆性技术"，它改变了游戏规则，将空气动力学牢牢推入了赛车设计的最前沿。
这就是我入行的时候，因为当这一切20世纪70年代末发生时，我正在大学里学习空气动力学，并希望在F1中开始职业生涯，这项运动突然意识到空气动力学的重要性。
要知道，在这个时候，车队规模是相当小的，只有大约30名员工，而我们今天在红牛有800人左右。设计师主要是机械工程师，很少有人学习过航空航天学。他们正在努力自学，因此，研发工作有些杂乱无章。
这不是批评，远非如此。如果我可以回到这项运动历史上的任何一个时间点设计赛车，一定会是那个时候。因为如果你回顾一下70年代早期到后期的赛车，它们看起来都非常不同。当时的规则很短，有很大的自由度，但对赛车的理解相对较少，这纯粹是因为他们没有我们今天用处很大的研究工具，他们只是刚刚意识到风洞和我们现在经常使用的那种模拟工具可能是有用的。
但他们是先驱者。他们会尝试新的悬架几何形状，"防俯冲"、"防升降 "或适应性悬挂，最终像巧克力块一样弯曲。有人在洗澡时，或者站在他们的画板前发呆时想出了伟大的想法。所有这些产品都大张旗鼓地发布，并获得好评。他们中的大多数几乎立即被抛弃。是个让人眩晕的时代。
在所有这些早期的先驱者中，最古怪的是科林·查普曼，他是路特斯的创始人和老板，在设计方面，也是我心中最接近英雄的人。
查普曼是少数接受过实际的航空训练的人之一，这种训练给他带来了巨大的影响。不过，他有一个倾向，就是偏好重新开始，而不是在过去的成功基础上继续改进，所以在1968年用一辆装着考斯沃斯DFV发动机的汽车赢得了冠军之后（这是第一辆用这种发动机的车），然后查普曼决定大力投资四轮驱动，这是一个馊主意，导致汽车太重，没有竞争力。
另一条绝路是低效的燃气涡轮车，这意味着在1970年，路特斯仍在使用1968年的冠军车，并让车队艰难地追赶。1970年中造出的路特斯72是一块瑰宝，让他们一直坚持用到1972年，随后又出现了一个连一个的死胡同。直到路特斯78，就是那辆地效赛车，他们才重新变得有竞争力。虽然他们没有赢得那一年的冠军，但第二年的车路特斯79，统治了1978年。
然而在此之后，路特斯又回到了绝路上。当布拉汉姆车队的戈登·默里推出拉杆式悬挂系统以取代旧的摇臂系统时，迈凯伦车队的约翰·巴纳德也推出了推杆式装置，这两种装置都有助于赛车应对下压力产生的巨大负荷。路特斯车队的答案是开发一种带有独立空气动力学外壳的底盘，直接与车轮相连，因此它将所有的下压力直接传递给轮胎，而不是通过悬挂。但这并没有用，更糟糕的是，这个装置被禁止使用。
图3：单体壳的组成部分
我个人很想见查普曼。他的性格很吸引人，是一个真正的创新者。正是他提出了高功率不如良好操控性的观点。他把其他学科的进步应用在F1中，在这个方面有天赋。例如，他一般被认为是第一个引入单体壳的人，不用钢管建造底盘，而是用铝板建造。这是F1的一场革命，但1954年的捷豹D型才是真正将这种结构技术引入赛车运动的车型。同样的，查普曼还用螺栓将发动机直接固定在底盘上，而不是副车架上。
遗憾的是，地面效应赛车是查普曼的最后一舞。不久之后，他与约翰·迪罗瑞安合作设计了迪罗瑞安型，即《回到未来》电影里的那辆汽车，此后出现了一些关于暗箱交易的指控，不久之后被告上法庭，最后在1982年因心脏病发作而早逝，当时查普曼仅54岁。
马里奥·安德雷蒂是地效赛车夺冠赛季的车手，他一直坚持认为查普曼是假死，并为了逃避审判跑到了巴西。如果是查普曼，这种听起来荒谬的说法也合理了一些。
与此同时，在南安普顿大学，我注意到，尽管所有的F1车队都已经意识到了地面效应的好处，这标志着在洗澡时脑洞大开，产生疯狂想法的时代结束了，以及车的外形设计走向一致的新时代的开始，但跑车却已经落后了。
因此，我的毕业设计选择研究 "应用于跑车的地效空气动力学"。我开始了工作，用铝做了一个翼片，将会安装在我汽车的底部。这是一个公路跑车的模型。我在一个小风洞里用压力龙头测试它的形状，直到我满意。我设计了一个一比四比例的模型，其中包括车底翼的形状，把它做了出来，然后带入7英尺×5英尺的主风洞测试。
可以说，我在风洞中度过了生命中的很大一部分时间，当你考虑到风洞对高性能汽车设计人员所提供的巨大好处时，就可以理解了。风洞可以让你测量你产出了多少下压力和阻力，以及这些下压力是如何分布的，多少在前轴上，多少在后轴上。你还可以测量侧向力、偏航力和滚动力。有了多次尝试以后，你不必实际把车造出来，就可以测量一辆车的所有空气动力学性能。
图4：我毕业设计的技术图纸，以2D的方式呈现车底翼片的形状（文丘里管）
说实话，我为毕业设计付出的努力超过了本应付出的量，毕竟它只占最后学位成绩的25%。但我喜欢做这个项目。这感觉就像回到了我的根，就像在暑假期间回到了家里做的一样，只是现在我有了一个风洞，可以测试我的草图和根据它们建立的模型。那时的感觉就是我在学校过暑假，把暑假学到的应用在大学。
最终的成品当然产生了很大的下压力。我利用路特斯的创新，采用了一个密封在地面上的裙边，阻止了空气的泄漏，再加上全尺寸的底部翼片，但同时我也加了一个机械套件，用来适应这种空气动力学形状。确实，作为一辆公路车它不会非常实用，为了处理下压力，汽车的悬挂必须非常坚硬，因此非常不舒服。所以我提出了一个与车速相关的可变几何弹簧系统，也就是后来被称为主动悬挂的东西。据我所知，这是第一次对跑车地面效应空气动力学的正式研究。
更重要的是，除了让我对地效空气动力学有了很好的理解外，我可以有机会向未来的雇主展示它。这个项目让我获得了一等荣誉学位，如果在大一的圣诞节告诉我这件事，我一定会说：“卧槽”。