每次我們和不太熟悉賽車的朋友們聊天，遇到的第一個(gè)問(wèn)題總是：為什么叫方程式？為什么叫一級(jí)方程式？叫電動(dòng)方程式？首先，方程式這個(gè)詞是從Formula直譯過(guò)來(lái)的。

那么Formula One為啥叫做“Formula One”呢？（這問(wèn)題貌似有些像---你為啥是你---但其實(shí)還真不算過(guò)分）。最早的賽車運(yùn)動(dòng)發(fā)起于法國(guó)，而早期的賽車比賽名稱通常都是從賽馬比賽中的名稱借鑒來(lái)的。被稱作“Grand Prix”---法語(yǔ)的“大獎(jiǎng)賽”。到了今年，除了賽車中普遍采用的這一名稱之外，在賽馬中我們依然可以看到“Grand Prix”的影子，特別是在法語(yǔ)系國(guó)家。例如：“Grand Prix de Paris”就是專門為3歲馬準(zhǔn)備的2400米競(jìng)速賽。

Formula在數(shù)學(xué)上叫“方程式”，在語(yǔ)言學(xué)上的翻譯準(zhǔn)確的講應(yīng)該是“式”。指，格式，方法，規(guī)范，規(guī)則，形式等等。因此，早期人們談起賽車說(shuō)的是“Grand Prix Formula”---這種“大獎(jiǎng)賽式”的賽車。

二戰(zhàn)之后，1946年，人們計(jì)劃重建戰(zhàn)后賽車運(yùn)動(dòng)格局，賽車運(yùn)動(dòng)的有識(shí)之士聚集法國(guó)來(lái)討論未來(lái)比賽的形式和格局。要講清楚“Grand Prix formula”到底應(yīng)該怎么比？準(zhǔn)許怎樣的車？

Formula One---一級(jí)方程式這個(gè)名字到底是誰(shuí)發(fā)明的，沒(méi)有一個(gè)確定的歷史答案。不過(guò)，多數(shù)人歸功于意大利人Marquis Antonio Brivio-Sforza。這位來(lái)自米蘭的狂熱賽車愛(ài)好者曾經(jīng)在1935和1936年的摩納哥和紐布格林大獎(jiǎng)賽拿到過(guò)第三名，也是前雪橇比賽世界冠軍。

1949年出臺(tái)了FIA Formula One Championship規(guī)則。“Formula”這個(gè)名詞被正式確定下來(lái)。

一級(jí)方程式演變到今天，性能上取決于兩大方面的優(yōu)劣和進(jìn)步。一是動(dòng)力性能，另一個(gè)是氣動(dòng)性能。

空氣動(dòng)力學(xué)性能，在航空領(lǐng)域被簡(jiǎn)稱為“氣動(dòng)性能”。賽車上，很多車迷也喜歡把它稱作“空力性能”。其實(shí)是一個(gè)意思。

人們對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)朦朧的認(rèn)識(shí)可以追溯到幾千年前，船的設(shè)計(jì)，風(fēng)帆的設(shè)計(jì)上都會(huì)考慮到。但早期人們對(duì)于空氣的作用都比較模糊，還沒(méi)有形成理論知識(shí)?，F(xiàn)代動(dòng)氣動(dòng)力學(xué)起源于17世紀(jì)。在1726年，據(jù)說(shuō)被蘋果砸中腦袋的那個(gè)人---牛頓爵士提出了空氣阻力的一系列理論，因此牛頓也是被公認(rèn)的最早的空氣動(dòng)力學(xué)家之一。1799年，英國(guó)人喬治-凱利提出了飛行當(dāng)中的四大要素：重量，升力，阻力和推力概念，并且闡明了彼此之間的關(guān)系。賽車運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)也會(huì)遵循這四大原則和彼此之間的邏輯關(guān)系。

所以，賽車設(shè)計(jì)上首先就是要追求——輕。因此我們看到各種新型材料和復(fù)合材料的產(chǎn)生和運(yùn)用。F1，F(xiàn)E以及其他很多賽車在滿足強(qiáng)度的情況下大量使用復(fù)合材料，從早期的鋁合金，鋁鎂合金到碳纖維。為了追求重量輕，早期梅賽德斯車隊(duì)甚至犧牲了賽車的涂裝，從而產(chǎn)生了現(xiàn)在的“銀箭”車隊(duì)的別名。

在氣動(dòng)方面，方程式賽車大量采用翼片設(shè)計(jì)。目的就是為了在不增加重量，阻力最小的情況下，獲得最大的下壓力（對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，追求的是升力，而對(duì)于賽車來(lái)說(shuō)，這個(gè)力需要向下，從而能把賽車壓在賽道上，被稱作下壓力—down force）。F1以往在性能宣傳上最喜歡說(shuō)的一件事情就是，賽車下壓力大到，賽車達(dá)到120公里/小時(shí)的時(shí)候，賽車可以倒過(guò)來(lái)在天花板上行駛而不會(huì)掉下來(lái)。

產(chǎn)生下壓力的方式有很多種：F1主要靠車底的擴(kuò)散器，前后翼片和車體表面的流線型設(shè)計(jì)。這就是為什么F1賽車有如此復(fù)雜的多層翼片，各種導(dǎo)風(fēng)翼片的原因。而FE由于全部是在街道上行駛，沒(méi)有緩沖區(qū)，危險(xiǎn)性更大。同時(shí)，因?yàn)樵诮值郎闲旭?，周圍有各種不同的建筑物，氣流情況更加復(fù)雜，因此FE主要產(chǎn)生下壓力的部分是擴(kuò)散器，而不是翼片。相對(duì)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)E賽車的設(shè)計(jì)也被稱作“l(fā)ow down force design”---低下壓力設(shè)計(jì)。這個(gè)是相對(duì)于現(xiàn)在的F1賽車說(shuō)的。F1則是高下壓力設(shè)計(jì)。

基本上氣動(dòng)原理是一樣的。但設(shè)計(jì)因?yàn)樽陨碣愜嚨奶攸c(diǎn)而有所不同。

車頭部分：

F1是“開(kāi)輪式賽車”—“Open Wheel”。輪胎是外露的。由于輪胎高速旋轉(zhuǎn)，因此氣流撞擊到輪胎上會(huì)產(chǎn)生很多亂流，如果設(shè)計(jì)上不去考慮這部分的影響，那么將會(huì)造成很大的不穩(wěn)定。

因此，F(xiàn)1賽車車頭設(shè)計(jì)極為復(fù)雜。設(shè)計(jì)上需要滿足以下幾點(diǎn)要求：

1. 前翼要能產(chǎn)生足夠強(qiáng)大且穩(wěn)定的下壓力；

2. 前翼需要整理氣流盡量避免氣流直接撞擊輪胎；

3. 前翼的上表面需要整理氣流，讓氣流可以平順地通過(guò)車體表面，并產(chǎn)生下壓力；

4. 前翼的下表面需要整理氣流，讓氣流可以平順通過(guò)車體和地面之間的通道，最大效率地向擴(kuò)散器輸送干凈氣流。

因此，F(xiàn)1賽車的車頭（車迷喜歡叫它車鼻）會(huì)盡量做得小一些，車頭下方盡量留出較大的空間，并在車頭下方會(huì)有很多復(fù)雜的導(dǎo)風(fēng)翼片，這里并不會(huì)產(chǎn)生很大的下壓力。

主翼片是非常重要的翼片，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)一部分下壓力，同時(shí)，它整理氣流的作用更大，目的就是為了車底氣流的效率。

副翼是設(shè)計(jì)上最能發(fā)揮設(shè)計(jì)師想象力的地方。因?yàn)檫@里需要最大限度地產(chǎn)生下壓力。所以翼片的形狀，角度，尺寸等等都極為復(fù)雜。在以前技術(shù)相對(duì)開(kāi)放的時(shí)期，這里的翼片最多可以達(dá)到9層（我們開(kāi)玩笑曾經(jīng)說(shuō)這里的翼片是9層妖塔）。典型的例子就是火星車時(shí)代的紅牛賽車，為了控制成本，今年賽車的前翼副翼部分只準(zhǔn)許5片翼片存在。

FE電動(dòng)方程式的前翼設(shè)計(jì)就沒(méi)有那么復(fù)雜了。新一代賽車的主要下壓力都來(lái)自擴(kuò)散器，也被定義成低阻設(shè)計(jì)，更重要的一點(diǎn)是，F(xiàn)E的輪胎不是外露的，因此輪胎撞擊氣流的情況是不存在的。

FE賽車前翼的設(shè)計(jì)主要滿足以下幾點(diǎn)：

1. 最大限度整合氣流通過(guò)車體上表面；

2. 最大限度整合氣流通過(guò)下表面，給擴(kuò)散器輸送高效氣流；

3. 在車輪內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生下壓力。

因此，我們可以看到，前輪的包圍上面是平滑的弧形表面，和輪胎形狀一致，在正面則是設(shè)計(jì)成比較尖銳的形狀，目的就是為了減小阻力。原理和尖銳的飛機(jī)機(jī)頭設(shè)計(jì)一個(gè)道理。主翼片被設(shè)計(jì)成階梯形狀，在車頭的部分被抬起，下方產(chǎn)生更大空間，目的就是為了最大限度地通過(guò)車體下方氣流。在車輪內(nèi)側(cè)有兩片副翼，這里會(huì)產(chǎn)生下壓力。

車頭做成帶有弧形，下墜式的錐形。車頭扁平，從車頭的尺寸來(lái)看，車頭表面也會(huì)產(chǎn)生一定量的下壓力。

尾翼部分：

F1的尾翼設(shè)計(jì)也非常復(fù)雜，因?yàn)檫@里需要產(chǎn)生賽車整體所需要的1/3強(qiáng)下壓力。因此不論是主翼片，上方的副翼，還有邊上的端板都經(jīng)過(guò)氣動(dòng)工程師的反復(fù)研究，邊上的開(kāi)槽，或者主翼片的弧面尺寸和角度，副翼的形狀和角度等等都是經(jīng)過(guò)精心計(jì)算和風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)而得來(lái)的。

FE第二代賽車采用的是無(wú)尾翼設(shè)計(jì)。

盡管FE的后輪沒(méi)有被包圍起來(lái)，但因?yàn)榍拜喴呀?jīng)被包圍住了，因此這里相對(duì)撞擊到輪胎上的氣流非常有限，而在輪胎上方有一小段和輪胎同寬的翼片，這樣在輪胎的正上方可以產(chǎn)生一定程度的下壓力。這部分翼片斜向車體中間位置連接的翼片可以看做是起到梁柱支撐的作用，同時(shí)也可以起到一定程度的氣流整合作用。

擴(kuò)散器部分：

擴(kuò)散器的英文是—diffuser。如果你有心查字典，diffuser是名詞，來(lái)自于diffuse這個(gè)英文動(dòng)詞，就是（使）擴(kuò)散，把什么東西擴(kuò)散出去的意思。Diffuser指的是能把什么東西擴(kuò)散出去的裝置。例如：reed diffuser指的是“蘆葦擴(kuò)散器”（雖然聽(tīng)起來(lái)你可能不知道是啥玩意兒，但現(xiàn)在很多人都在用）它就是“無(wú)火香薰”，是現(xiàn)在很流行的一種環(huán)保家用空氣清新用品。

賽車中的擴(kuò)散器全程叫做“car diffuser”。在賽車上用的，目的是為了加速車底氣流通過(guò)的速度，流速快了，壓力就小了。車體下方壓力小了，上方壓力大，就能把賽車“按”在地上，增加穩(wěn)定度。

擴(kuò)散器的形狀就是上揚(yáng)的開(kāi)口，并有很多的柵欄設(shè)計(jì)，柵欄是為了整理氣流。F1賽車對(duì)于擴(kuò)散器的大小，起始位置有嚴(yán)格的限制，目的就是為了不希望賽車產(chǎn)生太大的下壓力，下壓力越大，賽車過(guò)彎速度越快，一旦失控就越危險(xiǎn)。

擴(kuò)散器是賽車下壓力產(chǎn)生的最主要武器，因此每支車隊(duì)在設(shè)計(jì)時(shí)都非常小心。一方面，要保證車底的高速氣流不會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象（separation）另外，柵欄（strake---原譯指的是外板，條形板）?？梢哉舷路降臍饬?，避免車底下方產(chǎn)生渦流。車底渦流會(huì)讓壓力升高，從而降低擴(kuò)散器的效率，另外柵欄還可以在氣流在后方產(chǎn)生渦流（vortex）。高速旋轉(zhuǎn)的車尾渦流可以起到加速的作用，進(jìn)一步增加車底氣流的流速，從而進(jìn)一步減小車底壓力。

FE的擴(kuò)散器，無(wú)論比F1要大得多，幾乎從賽車尾部要分離出來(lái)了，柵欄的尺寸也大得多。充分說(shuō)明，這里是FE賽車最主要的下壓力所在。而且電動(dòng)方程式的擴(kuò)散器長(zhǎng)度也更長(zhǎng)，上揚(yáng)的斜度和整個(gè)車體后部的上揚(yáng)角度完全一致。從而進(jìn)一步保持了氣流的一致性。這樣的設(shè)計(jì)可以判定出，在同等速度下，F(xiàn)E電動(dòng)方程式車底產(chǎn)生的下壓力要比F1大許多。

雖然FE下一代賽車并沒(méi)有在賽場(chǎng)上出現(xiàn)，但從已經(jīng)公布的設(shè)計(jì)圖來(lái)看，最大的變化在前翼和尾翼上。前輪的前包圍，正面尖銳形狀設(shè)計(jì)被放棄，前輪前方被設(shè)計(jì)成鉅框型。前輪上方有了水平翼片。其目的非常明顯，就是為了能夠在這個(gè)位置產(chǎn)生下壓力。同時(shí)，尾翼上方也有類似的設(shè)計(jì)，連接車體中軸位置的斜梁被取消，代之以尾翼上方延伸出來(lái)的水平翼片，也是為了增加后輪上的下壓力。同時(shí)，也引入了背鰭概念，為了進(jìn)一步整合通過(guò)車體上表面的氣流，提升氣流效率。這樣的設(shè)計(jì)說(shuō)明，第二代賽車上方的下壓力太弱，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

賽車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是提升性能的最重要手段，每一支車隊(duì)都非常關(guān)注這一領(lǐng)域。而賽車比賽中所取得的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和成果，特別是氣動(dòng)方面的成果也在不斷轉(zhuǎn)化到普通汽車的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，讓我們平時(shí)使用的汽車效率更高。