最近，《F1：狂飆飛車》一舉成為暑期檔頂流。

豆瓣8.6分，這部電影讓每個觀眾都實打?qū)嵉剡^了把賽車癮。

畢竟，那種精確到毫秒的刺激、電光火石之間的博弈帶來的腎上腺素的飆升，一般人可能很難近距離感受。

為了追求速度，F(xiàn)1賽車都做了啥？

在這本《壁虎、泳衣和飛行器》里，英國國家物理實驗室科學(xué)家勞麗·溫科萊斯，為我們詳解了賽車里的“黑科技”。

[愛爾蘭] 勞麗·溫科萊斯｜著

秦鵬｜譯

未讀·探索家｜出品

01

管理輪胎性能是門黑色藝術(shù)

輪胎是車輛和道路之間的唯一接觸點，它們制約著車輛的大部分行為。

剎車、加速和轉(zhuǎn)向的有效性都受到輪胎與路面接觸處情況的影響。但要準確定義一個輪胎的“抓持力”，我們需要考慮幾個不同的因素：輪胎的材料和設(shè)計、輪胎行駛的路面狀況，以及它們之間的接觸質(zhì)量。

“管理比賽輪胎的性能算是一門黑色藝術(shù)，”前F1輪胎工程師杰瑪·哈頓說，“原因之一是輪胎橡膠本身的性質(zhì)?！?/strong>

每條賽道和每輛汽車都是獨一無二的。每個車手都有自己的風(fēng)格。每天的天氣都略有不同。另外，F(xiàn)1賽車的輪胎在比賽中的磨損也必須可預(yù)測，這樣車隊就可以制定一個策略，包括何時進站。

如果你觀看過F1比賽，人們對輪胎溫度的癡迷對你來說就不會陌生。

倍耐力生產(chǎn)的每一種橡膠化合物都有自己的最佳工作溫度（這個溫度總是比公路車的高得多）。因此，當(dāng)賽車停在起跑線上或者車庫里時，它的四個輪胎都被加熱毯包裹著，溫度設(shè)定在80 ℃以上。

當(dāng)車手進站維修時，他們得到的新輪胎也都是一直保溫儲存的?！盀榱俗畲笙薅鹊靥岣咦コ至Γ現(xiàn)1賽車輪胎的材質(zhì)是柔軟的，”哈頓說，“這意味著它們升溫更快，因此也變得更容易‘粘’在賽道上。”

一旦開始比賽，由于與賽道之間的摩擦，輪胎會保持高溫。所以，這時的輪胎狀態(tài)最好。但當(dāng)溫度低于或者超出理想范圍時，事情就變得棘手了。

一旦賽道上發(fā)生事故，所有賽車都必須跟在安全車后面并減速。以較低速度行駛的每一刻都會冷卻輪胎，降低其抓持力。車手們試圖通過左右搖擺和急轉(zhuǎn)彎來保持溫度，但收效甚微。

結(jié)果是，當(dāng)賽道被清理干凈，車手們又可以自由競速時，他們只能使用暫時受影響的輪胎——溫度較低、質(zhì)地較硬，抓持力大大降低。這使他們的賽車變得更慢、更難控制，可能導(dǎo)致一次相當(dāng)緊張的重新開始。

輪胎的溫度也有可能過高，這樣它的橡膠就會變得特別軟和黏。當(dāng)賽道溫度高于預(yù)期時，輪胎開始進行緩慢而相對穩(wěn)定的降解，這就是比賽之所以要有進站環(huán)節(jié)，以及之所以那么驚險刺激的緣由。

02

在高溫中剎車

剎車片最終的設(shè)計目標只有一個，產(chǎn)生持續(xù)、可靠的摩擦力。

當(dāng)剎車片與剎車盤接觸時，實際會發(fā)生什么呢？

首先，最顯而易見的是，會產(chǎn)生大量的熱量。

在F1比賽中，超過1000℃的制動溫度是司空見慣的，這就是為什么你有時會看到剎車盤在車手減速入彎時灼灼放光。

對于這種熱量的來源，通常的解釋是，它是由剎車片和剎車盤之間的摩擦產(chǎn)生的，但實際情況比這更微妙一些。

行駛中的汽車擁有巨大的動能，因此為了減速，它需要甩掉這些能量，并最終將其降為零。

盤式制動器通過將動能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量——主要是熱能來實現(xiàn)這一點，但也有聲音，偶爾也有光。

剎車時，剎車片和剎車盤開始相對高速滑動，它們的表面相互作用。剎車片憑借其長長的成分表，被設(shè)計成粗糙而帶有紋理的樣子。但即便是拋光的剎車盤，也不是完全光滑的。

因此，它們的微觀表面會相互碰撞，導(dǎo)致其有時彎曲變形，有時開裂，甚至脫落。這不僅產(chǎn)生了阻力，使制動盤減速，還耗散了動能。

在某種程度上，剎車溫度高意味著這個過程是有效的，但如果不加以控制，就會導(dǎo)致很多問題。

當(dāng)剎車片被制造出來時，它們在高溫和高壓下被“烹煮”，使黏合劑固化并將摩擦材料黏合到背板上。如果反復(fù)或持續(xù)地使用剎車片，它們會變得非常熱，熱到黏合劑開始蒸發(fā)。逸出的氣體在剎車片和剎車板之間形成一個薄層，減少兩者的接觸，導(dǎo)致摩擦力下降。

這是制動衰減的一種形式，它可能是一個相當(dāng)可怕的經(jīng)歷——剎車踏板踩到底，速度卻只下降了一點點。

過高的溫度也會導(dǎo)致制動管路中的液壓油沸騰，進一步降低剎車踏板的反應(yīng)速度。剎車失靈通常是暫時的，可以通過抬起踏板讓剎車片降溫來糾正。盤式制動器比鼓式制動器更不易失效，原因很簡單：它們直接暴露在空氣中，所以可以很快冷卻下來。材料的選擇也有影響，從腰果殼中提取的化合物可以增加剎車片的熱穩(wěn)定性，幫助它們散去產(chǎn)生的熱量。

此外，一些公路車和重型車輛使用有凹槽或者通風(fēng)的制動盤。它們給黏合劑氣體提供了一條逃逸通道，并增加了制動系統(tǒng)周圍的氣流。

在F1比賽中，車輛的速度和溫度都很高，每個部件的性能都被推到了極限，剎車系統(tǒng)得到了重大升級。

03

“慢即是穩(wěn)，穩(wěn)即是快”

在任何賽道上，車手的目標之一就是保持在賽車線上，繞賽道的最短路徑。

因此，在轉(zhuǎn)彎時，他們不會沿著狹長的外側(cè)曲線行駛，而是“緊貼”曲線內(nèi)側(cè)一個被稱為“彎心”的位置，最大限度地減少他們必須行駛的距離。

要做到這一點，需要非常精準的剎車操作：在恰到好處的時間內(nèi)，對剎車踏板施以適當(dāng)?shù)牧Α?/strong>如果做到了，車手將會從一個很好的位置沖出彎道，并保持著他們在下一段賽道所需的速度繼續(xù)行駛。但這樣的駕駛會對剎車系統(tǒng)造成傷害。在一些賽道上，剎車并沒有太多冷卻的機會。

以世界著名的摩納哥街道賽道為例，它只有3.34千米長，是F1賽程中最短的賽道，但它涉及大量的制動和加速。

根據(jù)制動系統(tǒng)制造商布雷博的數(shù)據(jù)，在2019年賽事中，車手們每圈使用剎車的時間為18.5秒，這超過了每圈總時長的四分之一。

在要求最高的彎道，賽車的時速需要在2.5秒內(nèi)從297千米降至89千米。大量的動能在這個過程中快速轉(zhuǎn)化為熱能。所以，剎車盤會發(fā)光也就不足為奇了。

為了應(yīng)對這種巨大的熱負荷，制造商在每個制動盤的邊緣鉆出1000多個微小的徑向孔。這些孔增加了制動盤的表面積，使熱量更容易散出去。它們也起到了通風(fēng)作用。它們與安裝在輪輞上的那些大型冷卻管道配合，將冷空氣吸入制動盤中心，然后在邊緣將熱空氣排出。

作為一項附帶的好處，F1賽車的剎車盤非常輕，重量只有1千克，而差不多大小的鑄鐵剎車盤重量有15千克。

20世紀70年代末，F(xiàn)1賽車制動系統(tǒng)制造商為他們的剎車盤和剎車片找到了一個解決方案，并且自那時起，他們一直在使用：一種叫作碳-碳的材料，高度有序的碳纖維嵌入石墨基體中。

它的散熱效果非常好，曾被用在航天飛機上。雖然聽起來它可能和構(gòu)成F1賽車底盤的碳纖維相似，但它實際上是一種非常不同的事物。在高溫環(huán)境下，碳-碳與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而加劇了其降解。這就是有時你在F1車手猛踩剎車時看到的黑色煙塵的來源。

這個過程意味著車隊對其剎車系統(tǒng)的監(jiān)測不能僅僅局限于溫度。馬歇爾告訴我，他們使用壓力傳感器來監(jiān)測管道里的氣流。對于磨損，他們有可以測量橫向運動的電子傳感器。

“我們用這些來測量剎車片要走多遠才能接觸到剎車盤。由此我們可以推算出總磨損，這是剎車片和剎車盤磨損的總和。”

“根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們在比賽中追蹤磨損率。如果速度太快，我們可以調(diào)整剎車平衡，以保護車輛磨損最嚴重的那一端，或者要求車手用干凈的空氣來冷卻剎車?！?/p>

無論采用哪種方式，其目標都是確保駕駛者在需要的時間和地點有停車的能力。

每個賽季都要面對成千上萬的彎道，這些系統(tǒng)，當(dāng)然還有車手，都表現(xiàn)得很出色。

-本期話題-

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編輯｜泰若克塔

封面｜《F1:狂飆飛車》

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