最近有個(gè)小朋友給我發(fā)來(lái)一條視頻：一輛跑車進(jìn)了隧道，發(fā)現(xiàn)前面堵車，果斷開(kāi)上了隧道頂棚超車了。他問(wèn)我：這視頻到底是真的還是假的？跑車到底能不能在隧道頂?shù)怪_(kāi)呢？

先說(shuō)結(jié)論：這個(gè)視頻肯定是假的?，F(xiàn)實(shí)中只有車王舒馬赫在一個(gè)奔馳廣告中做到過(guò)在隧道頂?shù)怪_(kāi)，但有兩個(gè)條件：1. 隧道頂是弧形的，這樣才能利用離心力對(duì)抗重力。2. 隧道是清空的，這樣才能不發(fā)生危險(xiǎn)。

而這段視頻中，一來(lái)隧道頂是平的，沒(méi)有圓周運(yùn)動(dòng)就沒(méi)有離心力來(lái)對(duì)抗重力。二來(lái)隧道里面擠滿了車，這種情況下玩雜耍還不發(fā)生事故簡(jiǎn)直不可能。所以，視頻99.9%是假的。

不過(guò)說(shuō)來(lái)，從理論上講，一輛跑車倒著在隧道頂棚開(kāi)，還是有可能的。只是這輛汽車必須足夠輕，而且有足夠優(yōu)秀的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。今天就跟大家講講空氣動(dòng)力學(xué)，以及它在生活中的應(yīng)用，最后來(lái)解釋一下到底什么樣的車才能倒著掛在隧道頂。

一、空氣動(dòng)力

我們生活中充滿了空氣和水，它們都是流體。人們從幾千年前，就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)流體進(jìn)行各種研究了，由此誕生了流體力學(xué)。而空氣動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支。

例如，我們耳熟能詳?shù)墓适拢喊⒒椎麓蠼小坝壤锟ā睆脑「桌锱艹鰜?lái)，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了浮力定律：一個(gè)物體放在水中受到的浮力，與它排開(kāi)的液體的重力相等。

這就叫做阿基米德浮力原理，這就是流體力學(xué)的結(jié)論。利用浮力，我們可以讓鋼鐵巨輪浮在水面上。

再比如科學(xué)家帕斯卡，他發(fā)現(xiàn)了帕斯卡定律：液體傳遞壓強(qiáng)。

如果我們有一個(gè)管道，兩端開(kāi)口大小不同。假設(shè)它們的面積分別是S?和S?，當(dāng)我們?cè)谝幻媸┘訅毫?時(shí)，另一面會(huì)產(chǎn)生壓力F?，根據(jù)帕斯卡定律，兩邊液體的壓強(qiáng)相等，也就是

因?yàn)镾?<<S?, 所以F?<<F?, 也就是說(shuō)：用一個(gè)比較小的力就能產(chǎn)生很大的力，這就是液壓機(jī)的原理。

帕斯卡還做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)木桶中插入一根很高的管子。把一杯水從管子中倒進(jìn)去，結(jié)果木桶就裂了。這是因?yàn)橐槐m然質(zhì)量很小，但是在很細(xì)的管子中，產(chǎn)生了很大的壓強(qiáng)，在木桶上就變成了很大的力，這和液壓機(jī)原理是類似的。

不過(guò)，要說(shuō)真正把流體力學(xué)11變成一門(mén)獨(dú)立學(xué)科的，還得是著名科學(xué)家丹尼爾.伯努利。

我們?cè)谥爸v過(guò)他父親約翰伯努利的故事，約翰伯努利是著名的數(shù)學(xué)家，還是數(shù)學(xué)大師歐拉的老師。在他父親的培養(yǎng)下，丹尼爾伯努利提出了著名的伯努利方程。

這個(gè)公式能告訴我們什么呢？我來(lái)舉幾個(gè)例子：

第一個(gè)是以意大利人文丘里命名的管子，叫文氏管。

大家看，如果把文氏管是水平放，A?和A?處高度相同：h?=h?

液體從粗的一段流過(guò)細(xì)的一段時(shí)，由于液體體積保持不變，截面積變小了，流速必然加快。所以：v?＜v?

這樣代入伯努利方程，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)：Ρ?＞Ρ?

也就是在細(xì)的地方，流速大，壓強(qiáng)小。這個(gè)結(jié)論也是我們初中學(xué)習(xí)過(guò)的伯努利原理。如果我們?cè)诩?xì)的地方開(kāi)一個(gè)口，水非但不會(huì)噴出來(lái)，反而會(huì)把空氣吸進(jìn)去，人們利用這種原理制造了文氏管吸肥器，可以用來(lái)吸化肥。主管道里流過(guò)水，肥料就從小管子里被吸進(jìn)去了。

再比如：法國(guó)工程師皮托發(fā)明了皮托管。它有兩個(gè)開(kāi)口，A處迎著風(fēng)，B處側(cè)著風(fēng)。迎風(fēng)的地方，空氣進(jìn)來(lái)就堵住了，流速就變成了0，空氣流速小，壓強(qiáng)大；側(cè)風(fēng)的地方空氣沒(méi)有阻礙一直運(yùn)動(dòng)，空氣流速大，壓強(qiáng)小。

如果我們能測(cè)出兩個(gè)地方的壓強(qiáng)差，就能知道空氣流速了。

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在飛機(jī)上必須安裝皮托管，用來(lái)測(cè)量周圍風(fēng)速。如果皮托管堵住了，造成測(cè)量異常，會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。許多次空難于此有關(guān)。

你看，無(wú)論是輪船、液壓機(jī)、吸肥器還是風(fēng)速計(jì)，都需要用到流體力學(xué)的知識(shí)。流體力學(xué)中專門(mén)研究空氣的部分就叫做空氣動(dòng)力學(xué)。它最大的用武之地，還是能把飛機(jī)送上天。

二. 飛機(jī)為什么能飛上天？

飛機(jī)為什么能飛上天呢？很久以前，我曾經(jīng)做視頻講解過(guò)這個(gè)問(wèn)題，但不夠細(xì)致，這一回可以更詳細(xì)的說(shuō)明一下。飛機(jī)機(jī)翼的兩側(cè)，形狀不相同。下表面凹進(jìn)去，上表面突出。當(dāng)飛機(jī)前進(jìn)的時(shí)候，由于上下表面形狀不對(duì)稱和粘滯性的影響，會(huì)形成繞機(jī)翼的環(huán)流：上表面向后，下表面向前。

別忘了，飛機(jī)還在往前飛，所以還有一個(gè)向后的氣流。你會(huì)發(fā)現(xiàn)：機(jī)翼上方環(huán)流和氣流是同方向的，所以空氣流速快，流速快壓強(qiáng)小。在機(jī)翼下方，環(huán)流和氣流是反方向的，它們相撞了，所以流速慢，流速慢壓強(qiáng)就大。二者出現(xiàn)壓力差，這個(gè)壓力差就提供了飛機(jī)的上升力。當(dāng)然，也同時(shí)產(chǎn)生了一定的向后的阻力。

俄羅斯航空學(xué)之父茹科夫斯基給出了計(jì)算飛機(jī)上升力的公式，我們可以把它簡(jiǎn)化如下：

其中ρ表示空氣密度，s表示機(jī)翼面積，v表示遠(yuǎn)處空氣相對(duì)速度，u表示環(huán)流速度。其實(shí)，足球能踢出香蕉球，同樣是因?yàn)樽闱蛐D(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生了環(huán)流u與外界空氣速度v疊加的結(jié)果。

而且，有時(shí)候，飛機(jī)降落的時(shí)候，會(huì)感覺(jué)離地很近的時(shí)候，仿佛有一股力量把飛機(jī)向上拉，好像升力變大了。這又是咋回事呢？這叫做地面效應(yīng)。

根據(jù)我們剛才所說(shuō)的伯努利原理，飛機(jī)機(jī)翼下方壓強(qiáng)大，上方壓強(qiáng)小，所以機(jī)翼下方的空氣就會(huì)向上流動(dòng)，形成渦流。在翼尖尤其如此，因此形成了所謂的翼尖渦流。飛機(jī)飛過(guò)的時(shí)候，如果空氣中有帶顏色的顆粒，這種渦流就比較明顯。如果空氣中水汽豐富，還會(huì)出現(xiàn)飛機(jī)拉線的效果。

這種現(xiàn)象會(huì)讓原本比較大的壓力差減小。但是，在飛機(jī)距離地面很近的時(shí)候，由于地面的阻擋，翼尖渦流被減弱了，下方的氣體沒(méi)辦法順暢的向上運(yùn)動(dòng)，于是壓力差相比于在空中有所增大，這會(huì)讓飛機(jī)在降落時(shí)遇到一點(diǎn)困難，我們稱之為地面效應(yīng)。

其實(shí)，人們根據(jù)地面效應(yīng)設(shè)計(jì)了不少新型的運(yùn)輸工具。比如能夠貼著水面飛行的飛機(jī)。前蘇聯(lián)在這方面十分領(lǐng)先，開(kāi)發(fā)了一系列運(yùn)載量很大、速度很快的水上飛行器用作軍事裝備，人們叫它里海怪物。只是最終沒(méi)有量產(chǎn)裝配。最終隨著蘇聯(lián)解體，這個(gè)項(xiàng)目徹底終止。

不過(guò)，現(xiàn)在許多國(guó)家又開(kāi)始研究近水飛行器了。在我國(guó)也在這方面有所研究，希望利用這種效應(yīng)制造能夠貼水面飛行的導(dǎo)彈。

其實(shí)，對(duì)于飛機(jī)還有很多說(shuō)道。比如機(jī)翼必須與空氣形成一定的仰角，仰角太小，上升力會(huì)不足；仰角太大，空氣經(jīng)過(guò)機(jī)翼后就會(huì)快速分離，形成低壓區(qū)，機(jī)翼就會(huì)有很大的阻力。到底采用一種什么樣的機(jī)翼形狀，才能讓上升力最大，阻力最小，這就是空氣動(dòng)力學(xué)要研究的內(nèi)容。

相比于丹尼爾伯努利的時(shí)代，現(xiàn)在空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法已經(jīng)大大進(jìn)步了。我們不光有了計(jì)算機(jī)仿真軟件，還有了風(fēng)洞，可以讓飛機(jī)機(jī)翼不動(dòng)，調(diào)整風(fēng)速。剛才我們說(shuō)的許多問(wèn)題，都可以利用風(fēng)洞進(jìn)行測(cè)試。

三. 賽車的空氣動(dòng)力學(xué)

其實(shí)，汽車，尤其是跑車，所需要的力剛好和飛機(jī)相反。飛機(jī)需要上升力，而跑車需要向下的壓力。

跑車速度很快，在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，需要很大的向心力。向心力只能由摩擦力f提供。?

而摩擦力是有上限的，上限的大小與接觸面粗糙程度μ和壓力N有關(guān)。汽車與地面的壓力N越大，摩擦力也越大。

但我們絕對(duì)不能依靠增加賽車自重來(lái)增加壓力，因?yàn)樵黾幼灾?，一?lái)賽車跑不動(dòng)，靈活性不夠，二來(lái)轉(zhuǎn)彎時(shí)所需要的向心力也會(huì)隨著賽車質(zhì)量的增大而增大，得不償失。有沒(méi)有辦法在不增加自重的前提下，增加賽車與地面之間的壓力呢？

人們想到了空氣動(dòng)力學(xué)。

上個(gè)世紀(jì)五六十年代，英國(guó)有一名汽車發(fā)明家和企業(yè)家，科林.查普曼。

他在大學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)工程，后來(lái)成了英國(guó)空軍飛行員。退役之后創(chuàng)辦了一家汽車公司——蓮花，音譯叫做路特斯。由于他的學(xué)習(xí)和服役經(jīng)歷，他對(duì)追求速度、輕便和利用空氣動(dòng)力學(xué)有非常執(zhí)著的追求，很快他設(shè)計(jì)的汽車就在F1大獎(jiǎng)賽中奪冠，成了赫赫有名的車隊(duì)。

相比于法拉利追求大功率引擎，路特斯車隊(duì)更追求輕便以及利用空氣。1968年，查普曼想到：既然飛機(jī)可以利用機(jī)翼獲得上升力，那么汽車為什么不能利用倒過(guò)來(lái)的機(jī)翼獲得下壓力呢？于是，他設(shè)計(jì)了路特斯Type 49B，把汽車尾翼高高的固定在汽車上。

這樣氣流從前方吹過(guò)汽車時(shí)，會(huì)分別從上下兩邊通過(guò)，產(chǎn)生和飛機(jī)機(jī)翼類似的效果，當(dāng)然，前方也不能少了前翼。一前一后把汽車?yán)卫蔚陌丛诘孛嫔稀?/p>

雖然Type 49B的發(fā)動(dòng)機(jī)功率不如法拉利車隊(duì)，但是在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，憑借牢牢的抓地力和比較輕的車身，最終為路特斯車隊(duì)奪得了1968年的F1冠軍。

很快，大家都發(fā)現(xiàn)了這個(gè)新發(fā)明。法拉利的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不好學(xué)，但是路特斯的空氣動(dòng)力學(xué)裝備都是擺在外面的，很好學(xué)。幾乎所有車隊(duì)都開(kāi)始安裝尾翼?？墒?，尾翼其實(shí)是雙刃劍，雖然能增加抓地力，但是也會(huì)增加風(fēng)阻，這和飛機(jī)的原理也是一樣的。

在大家把前后翼變成標(biāo)配的時(shí)候，查普曼又開(kāi)始想辦法改進(jìn)自己的汽車了，他在想如何能夠既獲得更大的下壓力，卻又不會(huì)增加太多阻力呢？他想到了地面效應(yīng)。汽車底盤(pán)和地面之間距離很近，如果把底盤(pán)設(shè)計(jì)成突出的，底盤(pán)和地面之間不就形成了一個(gè)文氏管了嗎？

1977年，查普曼發(fā)明了路特斯Type 79賽車。這款賽車的底盤(pán)有一個(gè)下凸的結(jié)構(gòu)，當(dāng)空氣流進(jìn)這個(gè)部位的時(shí)候，由于車底空間被壓縮，空氣流速增大，形成了文氏管的效果。上方的空氣就會(huì)把賽車整個(gè)按在地面上。

為了防止空氣跑掉，查普曼還在賽車底盤(pán)兩側(cè)設(shè)計(jì)了圍裙，這個(gè)圍裙能夠擋住空氣，讓空氣不跑走。這款賽車又讓路特斯車隊(duì)拿了F1冠軍。

在查普曼執(zhí)掌路特斯的時(shí)候，車隊(duì)在15年中一共拿過(guò)7次F1車隊(duì)總冠軍。只可惜，克林查普曼因?yàn)樾呐K病，54歲就去世了。

他有一句名言：如果你還沒(méi)有獲勝，說(shuō)明你努力的還不夠。

在F1的賽場(chǎng)上，英國(guó)路特斯是與德國(guó)保時(shí)捷、意大利法拉利并列的賽車品牌。但是你要以為路特斯只有賽車，那你就想錯(cuò)了。

1957年路特斯就推出了第一臺(tái)民用車路特斯Elite，因?yàn)闆](méi)有風(fēng)洞，查普曼就在車身上貼羊絨，和好友一個(gè)人開(kāi)車，一個(gè)人綁在引擎蓋上，觀察160km/h的車速下羊絨的運(yùn)動(dòng)方向，最終造出了風(fēng)阻系數(shù)0.29的Elite。要知道即便是現(xiàn)在的跑車，風(fēng)阻系數(shù)很多也在0.3以上。

2019年，路特斯推出了全球限量130臺(tái)的超級(jí)跑車Evija。這款跑車充分體現(xiàn)了查普曼的精神，把空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到了極致。前后鏤空的設(shè)計(jì)可以極大的減小風(fēng)阻。

在底盤(pán)上裝有擴(kuò)散器，作用和賽車中下突形成的文氏管一樣，都是壓迫空氣，讓流速變快，產(chǎn)生下壓力。據(jù)測(cè)算，這款汽車可以產(chǎn)生1.8噸的下壓力。

可是由于它采用碳纖維結(jié)構(gòu)，它本身的重量只有1.68噸，這說(shuō)明理論上講，它是可以倒立著懸在平的隧道頂部狂奔的。

當(dāng)然，這只是理論上，大家千萬(wàn)不要嘗試。還有一個(gè)原因是，這輛車價(jià)格在2000萬(wàn)左右，絕大多數(shù)人也沒(méi)法嘗試。

從研究一杯水，一口氣，到一架飛機(jī)，一輛跑車?？萍颊谠絹?lái)越快的改變著世界?？鬃诱f(shuō)：學(xué)而時(shí)習(xí)之，不亦說(shuō)乎。有許多人把“習(xí)”理解成復(fù)習(xí)。我倒覺(jué)得，理解成實(shí)踐更好。科林查普曼把他學(xué)到的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)用到了汽車上，并且創(chuàng)造了超一流的跑車品牌路特斯，這是一件多么快樂(lè)的事??！

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