汽車尾翼的原理及其種類和意義

摘要：本文從尾翼的物理學原理入手，分析了汽車尾翼的基本原理以及當今汽車尾翼的種類及其意義。

關鍵詞：尾翼；伯努力方程；空氣動力學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)11(S)-0033-2

隨著經濟的發展，中國的公路上有了越來越多的各式汽車，細心的人們會發現很多汽車的尾部都裝有一個動感十足的裝置，那就是汽車的尾翼。

1 尾翼的空氣動力學原理

尾翼較專業的學名叫擾流板，最初的汽車尾翼是出現在F1賽車上，而且在它的前后都有這種裝置。尾翼并不是簡單的起裝飾作用，而是使汽車在高速馳騁時增加它的抓地力和穩定性，特別是使汽車在彎道不易于翻倒，并且可以節省燃油。那么它是如何起這種作用的呢?這就需要我們先來了解一下飛機機翼升力機制的空氣動力學原理。飛機在飛行過程中會受到重力、空氣阻力、推力和升力，而機翼的作用就是產生升力，即用來平衡重力而不致使飛機掉下。圖1為機翼的側視圖及在高速狀態下的氣流分布，可見機翼的側向截面是頂部彎曲而底部相對較平的形狀。當機翼在空氣中穿過時將氣流分隔開來，部分空氣從機翼上方流過，另一部分則從其下方流過。

空氣的流動在日常生活中是看不見的，但低速氣流的流動卻與水流有較大的相似性。日常的生活經驗告訴我們，當水流以一個相對穩定的流量流過河床時，在河面較寬的地方流速慢，在河面較窄的地方流速快。流過機翼的氣流與河床中的流水類似，由于機翼一般是不對稱的，上表面比較凸而下表面比較平，流過機翼上表面的氣流就類似于較窄地方的流水，流速較快；而流過機翼下表面的氣流正好相反，類似于較寬地方的流水，流速較上表面的氣流慢。根據伯努力方程所得的流體力學基本原理，在流體的流動中，壓強跟流速有關，流速v大的地方壓強p小，流速v小的地方壓強p大。同理，空氣流動慢的區域大氣壓強較大，而流動快的區域大氣壓強較小，這樣機翼下表面的壓強就比上表面的壓強高。換一句話說，就是大氣施加于機翼下表面的壓力(方向向上)比施加于機翼上表面的壓力(方向向下)大，二者的壓力差便形成了飛機的升力，且流速越大，這個升力也越大，這也正是為什么飛機起飛需要一個較大的速度的原因，因為這是需要升力大于飛機本身的重力。

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汽車側面視圖也類似于機翼，如圖2所示，它的側面截圖上下也是不對稱的，也是底部較平、頂部彎曲。那么它在高速運動時，車的前部也會把氣流分隔開來，一部分從車體的上方流過，另一部分從下方流過，這樣也使它處在和機翼一樣的情形中，導致車體上、下表面的氣流速度不一樣，即上方的流速大于下方的流速，從而導致向上的壓力大于向下的壓力。二者的壓力差也會形成一個升力，使汽車在高速運動時受力情況就象一個機翼，受到向上的一個升力，而且根據伯努力方程可得車速越大升力也會越大，這樣就會減小汽車的抓地力(即汽車對地面的壓力)。在極端情況下，如速度極大的情況下完全有可能使升力大于車體重力，那就會出現車體離地，造成發動機空轉的情況，浪費燃油，有時甚至會出現危險，特別是在拐彎處。如果出現這種情況，就會出現汽車做離心運動的情形，造成車輛翻車的事故。

因此，為了避免這種情況的出現，人們想到了為什么不能把一個“反機翼”安裝在汽車上(如圖3所示)，從而形成一個與機翼升力相反的下壓力F。這里的所謂反機翼指的是在汽車上安裝一個倒置的機翼，它的特征是頂部較平，而底部彎曲，使它在高速的氣流中上方的氣流速度小于下方的氣流速度，進而使上方的氣壓大于下方的氣壓，形成—個向下的壓力，從而可以抵消車體本身運動所產生的升力，這就是尾翼（擾流板)的空氣動力學原理。

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2 當前汽車尾翼的種類

現在的很多汽車都安裝有這種尾翼(擾流板)，它兼有裝飾功能和動力學功能，它不僅可以使汽車的穩定性更好，還可以使汽車外形變得靈動、時尚、更具運動性。我總結了一下現實中的幾種尾翼的類型。

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（1）賽車上的尾翼。比如F1賽車中(如圖4)，由于它的車速高，個體在高速的氣流中所表現出的“機翼”化現象特別明顯，因此非常有必要安裝用來抵消這種現象的裝置——擾流板。它不僅安裝在尾部，車前端也有這種擾流板，一般分為單層和雙層兩種，而材質有鋁合金、玻璃纖維、碳纖維等多種，其工作方式也有手動可調和自動調節之分。不過無論其結構、材質有何區別，其根本目的都是通過增加下壓力來改善車輛在動態狀況下的穩定性。我們觀注F1賽事時會發現，F1賽車的前后都安裝有擾流板，它們為車體提供了近60％的下壓力，從而保證了高速下賽車的輪胎具有足夠的抓地力來保持車身的穩定性。

（2）一般汽車的尾翼。如圖5中，一般的運動版小汽車都裝有一個尾翼，一是為了體現它的運動特性；二是因為運動型的汽車用戶可能趨向于玩車技，會做一些急轉彎、飄移等特技動作，這時候尾翼就會起到穩定車身的作用，增加安全性。也有些汽車的尾翼是與車尾貼在一起的，而不是與車尾分離的，這種尾翼就不能產生本文之前所提到的升力，但它也能提供一定的下壓力，其原理與尾翼是不同的，嚴格的講不能稱其為尾翼。現在很多汽車尾翼的有效性還是值得懷疑的，更多的是一種外形的裝飾。

（3）一些掀背或兩廂車后出現的鴨尾狀擾流器。如圖6，現在的一些旅行車、MPV、多功能車都是采用掀背式，大都數都會有一個鴨尾狀的尾翼，其既可以將車頂上的氣流順暢地導至車后，同時還利用了該氣流能將后車窗的灰塵清除掉，避免了因灰塵附著而影響司機的后視野。

3 關于汽車尾翼的意義

當前，世界各國汽車制造廠商相繼致力于研究開發汽車風阻的新技術，一個更趨合理、完美、科學的尾翼時代已經來臨。過去我國在轎車使用中比較忽視尾翼的安裝，這是由于當時車速不高，尾翼減阻、省油作用不十分明顯。但是近幾年，隨著我國大批高速公路和許多大中城市高架路、高等級道路的建設及投入使用，車速有了較大的提高，汽車尾翼的作用顯得越來越重要。以排氣量為1．8L的一般轎車為例，如果裝上尾翼，空氣阻力系數將降低20％，在一般道路上行駛，耗油量減少或許不明顯。如果在高速公路上，以120km／h的速度行駛，則能省油14％，此時汽車尾翼的作用就很明顯了。 一個根據車身的寬度，經過精確計算制作而成的尾翼，不但能使車輛在高速行駛時能更加穩定和安全可靠，而且能減少汽車在行駛中的空氣阻力和提高車速、節省油耗。這對于當前油價高漲、能源短缺的現實情況來講，對節能、環保來講都具有一定的積極意義。

(欄目編輯鄧 磊)