為何賽車質量越輕越好?

賽車領域(廣義包含專業賽車及民用運動型汽車)車輛都在追求輕,以求在過彎時需要更小的向心力以獲得更大的速率。但是輪胎與地面的摩擦力不應該是f=umg么?如此速率平方=ug乘半徑,和質量無關啊!
(此處忽略空懂下壓力)那為什麼車輕可以提高過彎速度?只是加速能力嗎?


咦?沒人注意到卡丁車? 低級別的卡丁車就沒有空氣動力學吧,極速200以內,輕! 有的遙控車,也沒有因為只有幾公斤就無法轉向啊,畢竟物體轉向是為了克服慣性,慣性越小,若需要改變運動方向的力就越小,我沒有計算的能力,只能定性的判斷,希望有朋友具體分析案例 ^_^ 還有就是關於摩擦力的公式,其中的摩擦係數,是不是很輪胎面積有關係?


先問是不是再問為什麼,賽車真的是輕就是萬能嘛?


題主自己說了Ff=uN,很明顯,其實賽車並不是真的越輕越好的。


題主其實問得很好,但是有一個小問題就是題主的問題忽略了空氣下壓力,這和問題前半部分是存在著矛盾的關係的。
題主的困惑:(此處忽略空懂下壓力)為什麼車輕可以提高過彎速度?只是加速能力嗎?

首先,感謝 @驟雪 的解釋,是越輕越好,具體請看他列出來的公式,其實這個是高考物理的一個技巧做題技巧,我後來想起來了...用在填空題里能快很多。

答案是:是的越輕越好。


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但是我覺得並不能拋開空氣下壓力不談。

首先,空氣下壓力最後傳遞到了什麼位置?地面,那麼整車的質量最後是作用在什麼位置?還是地面,無論是整車質量還是空氣下壓力最後都是Ff=uN中的N,所以說這就是題目的關鍵之處,賽車這方面的計算不能忽視空氣下壓力和整車質量中任何的一部分。也就是說你總的Ffriction是車重的造車的摩擦力+下壓力再迫使輪胎造成的下壓力

但是這麼說也是有瑕疵的,不是說輪胎你給它多少壓力它就直接乘上一個係數還你多少摩擦力,一切最後都是由輪胎和地面的性質外加工作狀況決定的

為什麼現在大家都說車越輕越好?原因就在於規則,在相同的規則下的確是車越輕越好,這就是控制變數的一種,就拿F1來做例子,2015F1技術規則規定空車空油最低質量為702kg,相同的規則造成了幾乎相同水平的空氣下壓力,這時候車重越輕就越有優勢,但是真正動態情況下(也就是算空氣下壓力)的車重依舊是越大越好,這也是為什麼當今F1如此注重空力的原因,即使是現在看上去是梅賽德斯引擎主宰比賽,但不得不說梅賽德斯能獲得這樣的成績,其空力設計也是一流的,只是動力系統太過於耀眼。

這是一個平衡的因素,從以上的內容來看,並不能否定車質量越輕越好的情況,但是絕對不能拋開空氣下壓力不說。也就是對於一輛賽車來說,質量小的確可以在過彎時候更加輕盈,或者說就是題主說的向心力小了,這個是對的,原因就在於空氣下壓力在算輪胎的摩擦力的情況下已經被計算在內。

讓車過彎唯一的方式就是通過輪胎摩擦力方向的改變來轉向,或者說轉向是通過摩擦力來實現的,理論上一輛車質量越輕那麼達到相同效果需要的摩擦力就越小,而這個時候空氣下壓力越大就能在轉向要求的摩擦力不變的情況下實際產生的摩擦力。反之,通過增加車重來增加產生的摩擦力的同時,轉向要求的摩擦力會同時增加。

現在回到問題上來,到底一輛賽車是不是越輕越好,這時候就要具體分類了,在方程式或者規則嚴密的其他賽事中,答案基本上是確定的,是越輕越好,因為同樣的規則讓賽車們擁有同水平的動力和空氣下壓力,這時候車越輕越好。

但是在跑車(包括原型車)賽以及規則不是很嚴密的房車賽或者一些拉力賽中車並不是越輕越好的,特例時常會出現。

舉一個新鮮的例子,發生了還沒有24個小時吧,IMSA戴通納24小時排位賽中,今年1到7位竟然都是GT LM組的賽車,這個是幾乎不可能的,GT LM組是什麼組別?就是國際汽聯的GTE組別,只是北美換了個名字,車幾乎沒有區別,參賽的還有LMP2組別以及DP組別賽車,GT LM組別為什麼拿到1到7如此令人震驚就是因為這個組別根本是幾乎不可能比P2和DP快的,具體差距可以參考這個問題:如何看待世界耐力錦標賽(WEC)這個新興的賽事? - JIAXUE GONG 的回答 中對於組別的闡述(話說這個問題爛尾了我都不好意思拿出來...)

那麼到底為什麼GT LM組別會跑到前面去一方面是因為GT組別排位賽天氣稍好,另一方面就是因為GT組別的車比跑得快的原型車重很多,這時候機械抓地力也就是車重造成的摩擦力幫了大忙。

不僅僅是下雨天的關係,即使是在普通情況下,彎心中GT組別的車相對來說也要比LMP2快一點,因為LMP2太輕,平常下壓力靠空力,但是彎心速度慢,空氣下壓力就小,P2組別的車下壓力本身調教也偏小(大了直道阻力大,原型車的空力設計基本是減阻設計唱主角)。

另外還有幾個現象,雖然說車輕同樣動力加速快,但是倘若車重不足那麼輪胎的摩擦力不足,車輪會過度空轉反而動力不能完全發揮。但是在賽車中車輛的輪胎肯定是符合車重、動力輸出以及空氣下壓力三個指標的。

還有就像剛剛說的一樣車太輕,空氣下壓力在彎心又不夠,可能會造成彎道中機械抓地力不夠(摩擦力不夠),車需要更慢的速度才能通過彎角。

整體來說,車重但是動力足只要其他方面做好依舊可以和車輕的車抗衡,只是因為賽車規則限制,在一起比賽的車的確是車越輕越好,因為動力和空力往往都是在同一水平上。

不過按實際說,現在車減重大家都彼此彼此,平常不用太過於關心這點,一般都是車造出來比規則輕然後再加點配重的,就這樣。

最後補一個例子,民用的日產GTR為啥這麼快?因為車重,還四驅,機械抓地力杠杠的,車動力強勁然後車身直接就是減阻為主的設計,其他方面設計也優秀,不快才怪...


F1過彎時抓地力構成? - 驟雪的回答
轉過來一段:「賽車跑得快,是因為從向和側向的加速能力強。F=mcdot a輪胎提供的摩擦力總和就是F,車質量是ma就是那個加速度。所以加速度要想大,有兩種方法,減少m,增加F

F是摩擦力,摩擦力的公式是F=mu cdot F_{normal}.這裡F_{normal}是輪胎在地面上受到的垂直作用力,mu是摩擦係數。輪胎這個東西比較特殊,參見那個輪胎工程師的回答。mu是個關於F_{normal}的函數,F_{normal}越大,mu反而越小,也就是mu=mu(F_{normal}). F_{normal}是由什麼構成的呢?是車重加上空氣動力學下壓力: F_{normal}=mcdot g+F_{aero}g是重力加速度,F_{aero}是空氣動力學下壓力。
這幾個公式放在一起,可得
a=frac{F}{m}=frac{mucdot F_{normal}}{m}=frac{mucdot (mcdot g+F_{aero})}{m}=frac{mucdot mcdot g}{m}+frac{mucdot F_{aero}}{m}=mu(F_{normal})cdot g+frac{mu(F_{normal})cdot F_{aero}}{m}
摩擦係數和輪胎對地面的壓力是相關的,壓力越大摩擦係數越小,所以加速度a表面上是mu*g,實際上m越大這個mu越小,於是就慢了。假如mu是固定不變的,那麼理論上車重對速度沒影響。


為什麼要忽略空氣動力學?要知道,空氣動力學在賽車領域至關重要。


a=F/m. 這個問題的主要原因就是這個牛二定律。
m是車身質量,而關於這個引擎輸出功率對應到力學考慮中的F則是比較複雜的關係,不過問題是跟質量相關,就不贅述。
顯然在發動機輸出不變的情況下,車身質量越小的車獲得的加速度越大。這在賽車運動中被認為是很大的優勢,賽車比賽一場比賽下來,賽車幾乎一直在不停的加速減速加速,越小的質量意味著在對手的引擎輸出不領先你很多的情況下,你每次出彎的速度都會比別人快。
還有就是涉及到過彎穩定性,質量越小的車,相同情況下,在變向中產生的離心力越小,這樣的賽車就能達到更快的彎心速度。
另外質量越小的車,比賽過程中對輪胎的壓力也會小很多,可以減少輪胎磨損,也就是F1俗話說的更容易去保胎,這在圈圈算輪胎的F1里也是很大的優勢。
所以F1中有一種說法就是:與其多10個馬力,不如少10個kg
另外題主問題中的mg並不代表賽車對地面的壓力,F1賽車對地面的壓力很大一部分來自空動設計在行駛中帶來的下壓力,少了1kg減少的壓力他們有各種方法可以找回來。


你公式不適用,按你這個公式,窄胎和寬胎的抓地極限一樣,但這和實際不符,因為輪胎是非線性的。


對於場地賽車來說,質量越輕,輪胎與地面的接觸壓力(重力+下壓力)與質量之比也就是加速度越大。

就算是下壓力為零的賽車,質量越輕,輪胎極限摩擦剪切應力越小,有利於提高抓地表現。


先好好學習再列這些公式


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