最近有个小朋友给我发来一条视频：一辆跑车进了隧道，发现前面堵车，果断开上了隧道顶棚超车了。他问我：这视频到底是真的还是假的？跑车到底能不能在隧道顶倒着开呢？
网传视频——兰博基尼爬墙
先说结论：这个视频肯定是假的。现实中只有车王舒马赫在一个奔驰广告中做到过在隧道顶倒着开，但有两个条件：**1. 隧道顶是弧形的，这样才能利用离心力对抗重力。**2. 隧道是清空的，这样才能不发生危险。
广告：舒马赫在隧道中360旋转
而这段视频中，一来隧道顶是平的，没有圆周运动就没有离心力来对抗重力。二来隧道里面挤满了车，这种情况下玩杂耍还不发生事故简直不可能。所以，视频99.9%是假的。
不过说来，从理论上讲，一辆跑车倒着在隧道顶棚开，还是有可能的。只是这辆汽车必须足够轻，而且有足够优秀的空气动力学设计。今天就跟大家讲讲空气动力学，以及它在生活中的应用，最后来解释一下到底什么样的车才能倒着挂在隧道顶。
一、空气动力
我们生活中充满了空气和水，它们都是流体。人们从几千年前，就已经开始对流体进行各种研究了，由此诞生了流体力学。而空气动力学是流体力学的一个分支。
例如，我们耳熟能详的故事：阿基米德大叫“尤里卡”从浴缸里跑出来，因为他发现了浮力定律：一个物体放在水中受到的浮力，与它排开的液体的重力相等。
阿基米德
这就叫做阿基米德浮力原理，这就是流体力学的结论。利用浮力，我们可以让钢铁巨轮浮在水面上。
再比如科学家帕斯卡，他发现了帕斯卡定律：液体传递压强。
帕斯卡
如果我们有一个管道，两端开口大小不同。假设它们的面积分别是S1和S2，当我们在一面施加压力F1时，另一面会产生压力F2，根据帕斯卡定律，两边液体的压强相等，也就是
因为S1<<S2, 所以F1<<F2, 也就是说：用一个比较小的力就能产生很大的力，这就是液压机的原理。
帕斯卡还做过一个实验：在一个木桶中插入一根很高的管子。把一杯水从管子中倒进去，结果木桶就裂了。这是因为一杯水虽然质量很小，但是在很细的管子中，产生了很大的压强，在木桶上就变成了很大的力，这和液压机原理是类似的。
帕斯卡木桶实验
不过，要说真正把流体力学11变成一门独立学科的，还得是著名科学家丹尼尔.伯努利。
丹尼尔.伯努利
我们在之前讲过他父亲约翰伯努利的故事，约翰伯努利是著名的数学家，还是数学大师欧拉的老师。在他父亲的培养下，丹尼尔伯努利提出了著名的伯努利方程。
这个公式能告诉我们什么呢？我来举几个例子：
第一个是以意大利人文丘里命名的管子，叫文氏管。
文氏管
大家看，如果把文氏管是水平放，A1和A2处高度相同：h₁=h₂
液体从粗的一段流过细的一段时，由于液体体积保持不变，截面积变小了，流速必然加快。所以：v₁＜v₂
这样代入伯努利方程，你就会发现：Ρ₁＞Ρ₂
也就是在细的地方，流速大，压强小。这个结论也是我们初中学习过的伯努利原理。如果我们在细的地方开一个口，水非但不会喷出来，反而会把空气吸进去，人们利用这种原理制造了文氏管吸肥器，可以用来吸化肥。主管道里流过水，肥料就从小管子里被吸进去了。
文氏管吸肥器
再比如：法国工程师皮托发明了皮托管。它有两个开口，A处迎着风，B处侧着风。迎风的地方，空气进来就堵住了，流速就变成了0，空气流速小，压强大；侧风的地方空气没有阻碍一直运动，空气流速大，压强小。
如果我们能测出两个地方的压强差，就能知道空气流速了。
在飞机上必须安装皮托管，用来测量周围风速。如果皮托管堵住了，造成测量异常，会产生非常严重的后果。许多次空难于此有关。
飞机风速计
你看，无论是轮船、液压机、吸肥器还是风速计，都需要用到流体力学的知识。流体力学中专门研究空气的部分就叫做空气动力学。它最大的用武之地，还是能把飞机送上天。
二. 飞机为什么能飞上天？
飞机为什么能飞上天呢？很久以前，我曾经做视频讲解过这个问题，但不够细致，这一回可以更详细的说明一下。飞机机翼的两侧，形状不相同。下表面凹进去，上表面突出。当飞机前进的时候，由于上下表面形状不对称和粘滞性的影响，会形成绕机翼的环流：上表面向后，下表面向前。
别忘了，飞机还在往前飞，所以还有一个向后的气流。你会发现：机翼上方环流和气流是同方向的，所以空气流速快，流速快压强小。在机翼下方，环流和气流是反方向的，它们相撞了，所以流速慢，流速慢压强就大。二者出现压力差，这个压力差就提供了飞机的上升力。当然，也同时产生了一定的向后的阻力。
俄罗斯航空学之父茹科夫斯基给出了计算飞机上升力的公式，我们可以把它简化如下：
其中Ρ表示空气密度，s表示机翼面积，v表示远处空气相对速度，u表示环流速度。其实，足球能踢出香蕉球，同样是因为足球旋转时产生了环流u与外界空气速度v叠加的结果。
而且，有时候，飞机降落的时候，会感觉离地很近的时候，仿佛有一股力量把飞机向上拉，好像升力变大了。这又是咋回事呢？这叫做地面效应。
根据我们刚才所说的伯努利原理，飞机机翼下方压强大，上方压强小，所以机翼下方的空气就会向上流动，形成涡流。在翼尖尤其如此，因此形成了所谓的翼尖涡流。飞机飞过的时候，如果空气中有带颜色的颗粒，这种涡流就比较明显。如果空气中水汽丰富，还会出现飞机拉线的效果。
翼尖涡流
这种现象会让原本比较大的压力差减小。但是，在飞机距离地面很近的时候，由于地面的阻挡，翼尖涡流被减弱了，下方的气体没办法顺畅的向上运动，于是压力差相比于在空中有所增大，这会让飞机在降落时遇到一点困难，我们称之为地面效应。
翼尖涡流引起的空气流动
其实，人们根据地面效应设计了不少新型的运输工具。比如能够贴着水面飞行的飞机。前苏联在这方面十分领先，开发了一系列运载量很大、速度很快的水上飞行器用作军事装备，人们叫它里海怪物。只是最终没有量产装配。最终随着苏联解体，这个项目彻底终止。
里海怪物
不过，现在许多国家又开始研究近水飞行器了。在我国也在这方面有所研究，希望利用这种效应制造能够贴水面飞行的导弹。
现代利用地面效应的水上飞机
其实，对于飞机还有很多说道。比如机翼必须与空气形成一定的仰角，仰角太小，上升力会不足；仰角太大，空气经过机翼后就会快速分离，形成低压区，机翼就会有很大的阻力。到底采用一种什么样的机翼形状，才能让上升力最大，阻力最小，这就是空气动力学要研究的内容。
相比于丹尼尔伯努利的时代，现在空气动力学的研究方法已经大大进步了。我们不光有了计算机仿真软件，还有了风洞，可以让飞机机翼不动，调整风速。刚才我们说的许多问题，都可以利用风洞进行测试。
风洞测试
三. 赛车的空气动力学
其实，汽车，尤其是跑车，所需要的力刚好和飞机相反。飞机需要上升力，而跑车需要向下的压力。
跑车速度很快，在转弯的时候，需要很大的向心力。向心力只能由摩擦力f提供。
而摩擦力是有上限的，上限的大小与接触面粗糙程度μ和压力N有关。汽车与地面的压力N越大，摩擦力也越大。
但我们绝对不能依靠增加赛车自重来增加压力，因为增加自重，一来赛车跑不动，灵活性不够，二来转弯时所需要的向心力也会随着赛车质量的增大而增大，得不偿失。有没有办法在不增加自重的前提下，增加赛车与地面之间的压力呢？
人们想到了空气动力学。
上个世纪五六十年代，英国有一名汽车发明家和企业家，科林.查普曼。
科林.查普曼
他在大学学习结构工程，后来成了英国空军飞行员。退役之后创办了一家汽车公司——莲花，音译叫做路特斯。由于他的学习和服役经历，他对追求速度、轻便和利用空气动力学有非常执着的追求，很快他设计的汽车就在F1大奖赛中夺冠，成了赫赫有名的车队。
路特斯标志
相比于法拉利追求大功率引擎，路特斯车队更追求轻便以及利用空气。1968年，查普曼想到：既然飞机可以利用机翼获得上升力，那么汽车为什么不能利用倒过来的机翼获得下压力呢？于是，他设计了路特斯Type 49B，把汽车尾翼高高的固定在汽车上。
路特斯TYPE 49B
这样气流从前方吹过汽车时，会分别从上下两边通过，产生和飞机机翼类似的效果，当然，前方也不能少了前翼。一前一后把汽车牢牢的按在地面上。
虽然Type 49B的发动机功率不如法拉利车队，但是在转弯的时候，凭借牢牢的抓地力和比较轻的车身，最终为路特斯车队夺得了1968年的F1冠军。
很快，大家都发现了这个新发明。法拉利的发动机技术不好学，但是路特斯的空气动力学装备都是摆在外面的，很好学。几乎所有车队都开始安装尾翼。可是，尾翼其实是双刃剑，虽然能增加抓地力，但是也会增加风阻，这和飞机的原理也是一样的。
在大家把前后翼变成标配的时候，查普曼又开始想办法改进自己的汽车了，他在想如何能够既获得更大的下压力，却又不会增加太多阻力呢？他想到了地面效应。汽车底盘和地面之间距离很近，如果把底盘设计成突出的，底盘和地面之间不就形成了一个文氏管了吗？
路特斯TYPE79 和TYPE80
1977年，查普曼发明了路特斯Type 79赛车。这款赛车的底盘有一个下凸的结构，当空气流进这个部位的时候，由于车底空间被压缩，空气流速增大，形成了文氏管的效果。上方的空气就会把赛车整个按在地面上。
TYPE79赛车利用地面效应获得下压力
为了防止空气跑掉，查普曼还在赛车底盘两侧设计了围裙，这个围裙能够挡住空气，让空气不跑走。这款赛车又让路特斯车队拿了F1冠军。
TYPE79赛车增加空气围栏
在查普曼执掌路特斯的时候，车队在15年中一共拿过7次F1车队总冠军。只可惜，克林查普曼因为心脏病，54岁就去世了。
科林查普曼和路特斯车队
他有一句名言：如果你还没有获胜，说明你努力的还不够。
在F1的赛场上，英国路特斯是与德国保时捷、意大利法拉利并列的赛车品牌。但是你要以为路特斯只有赛车，那你就想错了。
1957年路特斯就推出了第一台民用车路特斯Elite，因为没有风洞，查普曼就在车身上贴羊绒，和好友一个人开车，一个人绑在引擎盖上，观察160km/h的车速下羊绒的运动方向，最终造出了风阻系数0.29的Elite。要知道即便是现在的跑车，风阻系数很多也在0.3以上。
路特斯Elite
2019年，路特斯推出了全球限量130台的超级跑车Evija。这款跑车充分体现了查普曼的精神，把空气动力学应用到了极致。前后镂空的设计可以极大的减小风阻。
路特斯Evija
在底盘上装有扩散器，作用和赛车中下突形成的文氏管一样，都是压迫空气，让流速变快，产生下压力。据测算，这款汽车可以产生1.8吨的下压力。
Evija的空气动力学设计
可是由于它采用碳纤维结构，它本身的重量只有1.68吨，这说明理论上讲，它是可以倒立着悬在平的隧道顶部狂奔的。
当然，这只是理论上，大家千万不要尝试。还有一个原因是，这辆车价格在2000万左右，绝大多数人也没法尝试。
从研究一杯水，一口气，到一架飞机，一辆跑车。科技正在越来越快的改变着世界。孔子说：学而时习之，不亦说乎。有许多人把“习”理解成复习。我倒觉得，理解成实践更好。科林查普曼把他学到的空气动力学知识用到了汽车上，并且创造了超一流的跑车品牌路特斯，这是一件多么快乐的事啊！
END
2022-04-13
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