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(guān)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(jīng)濟的發(fā)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(fā)現(xiàn)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(yè)的學名叫擾流板，最初的汽車尾翼是出現(xiàn)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(wěn)定性，特別是使汽車在彎道不易于翻倒，并且可以節(jié)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(chǎn)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(cè)視圖及在高速狀態(tài)下的氣流分布，可見機翼的側(cè)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(jīng)驗告訴我們，當水流以一個相對穩(wěn)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(jù)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(guān)，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(qū)域大氣壓強較大，而流動快的區(qū)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(cè)面視圖也類似于機翼，如圖2所示，它的側(cè)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(jù)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(xiàn)車體離地，造成發(fā)動機空轉(zhuǎn)的情況，浪費燃油，有時甚至會出現(xiàn)危險，特別是在拐彎處。如果出現(xiàn)這種情況，就會出現(xiàn)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(xiàn)，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(chǎn)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(xiàn)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(wěn)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(jié)了一下現(xiàn)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(xiàn)出的“機翼”化現(xiàn)象特別明顯，因此非常有必要安裝用來抵消這種現(xiàn)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(zhì)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(diào)和自動調(diào)節(jié)之分。不過無論其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)有何區(qū)別，其根本目的都是通過增加下壓力來改善車輛在動態(tài)狀況下的穩(wěn)定性。我們觀注F1賽事時會發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1賽車的前后都安裝有擾流板，它們?yōu)檐圀w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(wěn)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(xiàn)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(zhuǎn)彎、飄移等特技動作，這時候尾翼就會起到穩(wěn)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(chǎn)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?，F(xiàn)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(xiàn)的鴨尾狀擾流器。如圖6，現(xiàn)在的一些旅行車、MPV、多功能車都是采用掀背式，大都數(shù)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(guān)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(fā)汽車風阻的新技術(shù)，一個更趨合理、完美、科學的尾翼時代已經(jīng)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(shù)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(jù)車身的寬度，經(jīng)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(wěn)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(jié)省油耗。這對于當前油價高漲、能源短缺的現(xiàn)實情況來講，對節(jié)能、環(huán)保來講都具有一定的積極意義。

(欄目編輯鄧 磊)