众所周知，汽车不是单单的发动机+变速箱+一排沙发+四个轮子组成的，汽车是一个物理学知识高度集合的艺术品，里面分类的学科五花八门，比如人体工程学、汽车工程学等等，还有今天要跟大家聊得，空气动力学。

比如汽车的造型，如果没有空气动力学的加入，拍脑袋一想就造出来的车，你敢开吗？

空气动力学的发展史堪称是汽车造型的发展史，虽然造型设计千变万化，但原理上却是相的，万变不离其宗。

说到空气动力学，大家往往都会觉得这是一个很学术很晦涩同时也很高大上的概念，其学术研究成果和结论都被大量的应用在航空航天领域和赛车运动上。但其实不然，早在20世纪初期，汽车比刚发明不久的飞机速度还要快，早于飞机突破了时速两百公里，这都是当时赛车的空气力学比飞机更先进的证明，也就更早的实现了技术下放，在民用领驭里得到体现。

原理概述：

当一个物体穿过空气时，会使周围的空气发生位移，同时该物体会受到重力（gravity）和阻力（drag）的影响，因此阻力会由固体穿过流质（比如空气或水）的过程中产生。 当物体加速时，其速度和阻力同时增加，速度越快，阻力越大，也就是说车速越快的话车身所面临的空气阻力越强，而且是以成倍的速率增长，最终阻力将与重量相等达到一个平衡点，此时物体将无法继续加速。以之前Top Gear跑极速的那辆布加迪Veyron为例，当车辆以155mph（250km/h）行驶时，只需270马力的动力支持。而当车辆从155mph加速到250mph（402km/h）则需要约730匹额外马力来克服空气阻力，现在你大概有点概念了吧？

再直白一点，就是我们车在市区等一些低俗行驶的环境时，基本上的马力用在了对抗地心引力，在高速公路等高速行驶环境下，更大的是对方风阻。

我们经常会听到厂商将一个叫做“风阻系数（drag coefficient）”的数字来作为宣传的方面之一，这个数字的含义究竟是什么呢？这是决定物体能否轻松穿过空气的最主要因素之一，风阻系数越低说明物体可以更轻易地穿过由空气组成的那面“墙”，也就是说车辆可以耗费更少的动力来克服空气所产生的反作用力，达到更节能的效果。写成公式的话我们将得到：

Cd = D / (A * 0.5 * r * V^2)

注释：Cd风阻系数；D阻力；A受力面积；V速度；r密度

如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态，说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低风阻形状是类似水滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上，这种水滴造型的Cd风阻系数只有0.05。

为什么水滴会有如此低的空气阻力呢？仔细想想，当水滴圆滑的头部接触到空气时，气流被温柔的推至两侧并沿着水滴侧面流线的造型顺滑地流过。尖细的尾部允许气流在通过后重新汇合而且产生的乱流效果也非常小。不过事实上一般的家用车很难做到与水滴形状相似的样子，即便做到了估计消费者也不会为其买单。因此，当普通汽车在行驶过程中，除了通过车身的气流以外，还有一大部分空气会直接进入汽车底部和进气口中，这也是造成乱流和空气阻力的两大来源。因此，除了造型平滑、受力面积较小的的车头以外，如何让空气平顺地通过车身避免乱流也是设计师要考虑的重要因素之一。

如上图得出，类似于大G、牧马人这种方方正正的盒子车型，他们的风阻系数肯定要大过于平常的家用轿车。

说到这里，不少人都会认为风阻系数越低就一定越好，其实不然，这也是我们需要纠正的一个误区。我们知道，汽车与飞机不同，前者行驶时是在地面上的，也就是通过车轮和地面之间的摩擦力来实现行走。因此除了空气阻力以外，还有两个重要的指标需要考虑，它们分别是“升力（lift）”和“下压力（downforce）”。升力是物体重力的反作用力，能够在空气中拉高物体并使之悬浮在空中，飞机主要就是依靠这个原理。而下压力与升力正好相反，是将物体尽量压向地面的作用力，在赛车领域尤为常见。下压力可以使车轮和车身紧贴地面，保持车辆的行驶稳定性，但也会增加一部分车身的整体空气阻力。

汽车升力与下压力

当气流遇到固体，例如汽车车体时。流线会发生变化，同时，附近的流场也会有变化。我们认真看看上图，根据伯努利定律，在凸起的物体上方，在流场缩小的情况下，压力减低流速加快，因此会在物体上方出现一个低压区，由于大气压作用，这个固体会被下方较大的气压抬起，这就是升力的产生机制。

汽车空气阻力

话说回来，空气动力学到底对车辆的行驶有何影响呢？不论是在在民用汽车领域还是在赛车领域，空气动力学设计对于降低风阻、提升车速、节约油耗、减少噪音和增强行驶稳定性等方面都非常重要。车辆的行驶阻力通常主要是空气阻力和滚动阻力（就是我们车轮与地面接触产生的摩擦力），当一辆汽车以80km/h的速度行驶时，约有60%的阻力来自空气。而当速度攀升至200km/h，空气阻力几乎占所有行车阻力的85%。足以可见，车辆克服空气阻力的必要性。

当今量产车的风阻系数一般在0.28至0.40之间

而风阻系数（coefficient of drag，简称Cd）就是衡量空气阻力大小的一个数值而已，两者成正比！现代F1赛车的风阻系数约为0.70至1.1，当然，还得根据不同的赛道特性从而做出不同的调校，有时为了获得更大的下压力，甚至可以高达1.3。而这个所谓的下压力，就是使车辆能够紧贴地面的一种力，势必空气阻力会变大，为何还跑得那么快！当然是因为人家车轻啊，加车手一起算的话也就680kg，而且跑得快就一定得空气阻力小么？ F1空气动力学的主要作用就是两个方面：1. 产生下压力，2. 减小空气阻力。换句话说，空气阻力的大小也并非单纯的就由风阻系数来决定的！

汽车空气阻力的计算公式如下：

Fd=1/16·A·Cd·v2

其中：v为行车速度，单位：m/s；A为汽车横截面面积，单位：m2，Cd为风阻系数。

从这个公式中，你有没有发现，当车速为定值的时候，还有一个因素也决定了空气阻力的大小呀！即我们常说的Cd值。

当今量产车的风阻系数一般在0.28至0.40之间

而风阻系数（coefficient of drag，简称Cd）就是衡量空气阻力大小的一个数值而已，两者成正比！现代F1赛车的风阻系数约为0.70至1.1，当然，还得根据不同的赛道特性从而做出不同的调校，有时为了获得更大的下压力，甚至可以高达1.3。而这个所谓的下压力，就是使车辆能够紧贴地面的一种力，势必空气阻力会变大，为何还跑得那么快！当然是因为人家车轻啊，加车手一起算的话也就680kg，而且跑得快就一定得空气阻力小么？ F1空气动力学的主要作用就是两个方面：1. 产生下压力，2. 减小空气阻力。换句话说，空气阻力的大小也并非单纯的就由风阻系数来决定的！

优秀的空气动力学设计就要做到对汽车空气阻力和升力的完美平衡，根据经验现有已被证实有效的设计有：气帘设计、前扰流唇设计、可升降尾翼设计，另外目前新兴的技术还有高效的热管理和水管理。

以气动设计堪称完美的保时捷911为例，前大灯进风口和后轮罩旁进风口即为所谓的气帘（红色圈所示），并且对前后刹车盘有冷却作用。

前扰流唇与汽车底盘水平的安装在车身头部下方，可根据车速自动调整伸缩量并使汽车的接近角增大防止底盘被触碰的危险，如下图黄色线区域。

保时捷911采用的可升降尾翼设计，可以为其在高速或弯道时提供足够的抓地力，即下压力。

空气动力学实验与数值模拟

说完了空气动力学以及它的具体作用之后，咱们就来简单聊聊，如何把它运用到汽车研发上。通常研究车辆空气动力学的方法有几种，现在就主要介绍几种常见的。第一种即使用数学计算，解决一大堆的非线性和偏微分方程后，幸运的话你也许能够得到正确答案。但由于这种方法实在是太费周折，而且误差和错误率较高，所以早期大多采用的是实验的方法来求得所需数据。

第二种则是托了咱们计算机技术发展的福，采用电脑软件模拟，也就是我们通常所说Computational Fluid Dynamics（简称CFD）。这是最高效、最经济的一种方法，这也是很多车辆再进入风洞前所需要做的一项工作。

F1赛车在CFD中进行模拟

而之后，则是实际测试的一种方法了，将车辆的外观套件或者整车模型送进风洞实验室，让它们吹吹风。最后呢，想给大家介绍的一种方法，也是特别有意思的一种，那就是在车身表面喷上一层荧光液体，然后让圈养的车手把车开出去按一定的规律来跑。待车辆返回后，工程师再根据车身液体的纹路和分布情况做出判断。

扰流板下面的液体纹路

工程师通过这些液体在车身各部件上面的分布情况，从而能够对该车的空气动力学进行一定的认知。

需要说明的一点是，在研究车辆的空气动力学时，工程师不仅会研究车体表面的空气流通情况，同时还需考虑车底气流的通过状况。简单的说，越规整的车底，其车底的空气阻力和升力也会越小。这也就是为什么大家看到很多赛车和豪华车的车底都是一整块平面（也起到一定的保护作用），否则可能会造成翻车等事故。

现在很多车评人谈论一台车的时候，总是会出现“空气动力学套件”这样的字眼。其中最常见的就是发动机盖导流槽、翼子板导流板、前后下包围、侧裙板等这些设计，说它们能简单有效地引导气流，减小空气阻力。

要说空气动力套件还要从车辆的空气动力学讲起，当汽车行驶时，汽车周围的空气流动会对车辆产生各种各样的影响，空气能对汽车产生阻力、消耗能量、影响行驶稳定性；但另一方面，车辆的发动机、刹车等主要部件冷却又需要空气。

除此之外包括气流的噪声，车身外表面的清洁，各种覆盖件的震动，甚至还有雨刷性能都会受到空气气流的影响。

从图中可以看出来两厢车的车顶气流在流动到后车窗时突然下降，形成较大的涡流，使后车窗玻璃更容易蒙上尘土，所以两厢车的后车窗需要更频繁地使用雨刷。因此，了解空气对车辆的影响是十分必要的。