最近， 《F1：狂飙飞车》一举成为暑期档顶流。
豆瓣8.6分，这部电影让每个观众都实打实地过了把赛车瘾。
毕竟，那种精确到毫秒的刺激、电光火石之间的博弈带来的肾上腺素的飙升，一般人可能很难近距离感受。
为了追求速度，F1赛车都做了啥？
在这本 《壁虎、泳衣和飞行器》里， 英国国家物理实验室科学家劳丽·温科莱斯，为我们详解了赛车里的“黑科技”。
[爱尔兰] 劳丽·温科莱斯｜著
秦鹏｜译
未读·探索家｜出品
01
管理轮胎性能是门黑色艺术
展开剩余90%轮胎是车辆和道路之间的唯一接触点，它们制约着车辆的大部分行为。
刹车、加速和转向的有效性都受到轮胎与路面接触处情况的影响。但要准确定义一个轮胎的 “抓持力”，我们需要考虑几个不同的因素： 轮胎的材料和设计、轮胎行驶的路面状况，以及它们之间的接触质量。
“管理比赛轮胎的性能算是一门黑色艺术，”前F1轮胎工程师杰玛·哈顿说， “原因之一是轮胎橡胶本身的性质。”
每条赛道和每辆汽车都是独一无二的。每个车手都有自己的风格。每天的天气都略有不同。另外，F1赛车的轮胎在比赛中的磨损也必须可预测，这样车队就可以制定一个策略，包括何时进站。
如果你观看过F1比赛，人们对 轮胎温度的痴迷对你来说就不会陌生。
倍耐力生产的每一种橡胶化合物都有自己的最佳工作温度（这个温度总是比公路车的高得多）。因此，当赛车停在起跑线上或者车库里时，它的四个轮胎都被加热毯包裹着，温度设定在80 ℃以上。
当车手进站维修时，他们得到的新轮胎也都是一直保温储存的。“为了最大限度地提高抓持力，F1赛车轮胎的材质是柔软的，”哈顿说，“这意味着它们升温更快，因此也变得更容易‘粘’在赛道上。”
一旦开始比赛，由于与赛道之间的摩擦，轮胎会保持高温。所以，这时的轮胎状态最好。但当温度低于或者超出理想范围时，事情就变得棘手了。
一旦赛道上发生事故，所有赛车都必须跟在安全车后面并减速。以较低速度行驶的每一刻都会冷却轮胎，降低其抓持力。车手们试图通过左右摇摆和急转弯来保持温度，但收效甚微。
结果是，当赛道被清理干净，车手们又可以自由竞速时，他们只能使用暂时受影响的轮胎——温度较低、质地较硬，抓持力大大降低。这使他们的赛车变得更慢、更难控制，可能导致一次相当紧张的重新开始。
轮胎的温度也有可能过高，这样它的橡胶就会变得特别软和黏。当赛道温度高于预期时，轮胎开始进行缓慢而相对稳定的降解，这就是比赛之所以要有进站环节，以及之所以那么惊险刺激的缘由。
02
在高温中刹车
刹车片最终的设计目标只有一个，产生持续、可靠的摩擦力。
当 刹车片与刹车盘接触时，实际会发生什么呢？
首先，最显而易见的是， 会产生大量的热量。
在F1比赛中，超过1000℃的制动温度是司空见惯的，这就是为什么你有时会看到刹车盘在车手减速入弯时灼灼放光。
对于这种热量的来源，通常的解释是，它是由刹车片和刹车盘之间的摩擦产生的，但实际情况比这更微妙一些。
行驶中的汽车拥有巨大的动能，因此为了减速，它需要甩掉这些能量，并最终将其降为零。
盘式制动器通过将动能转换为其他形式的能量——主要是热能来实现这一点，但也有声音，偶尔也有光。
刹车时，刹车片和刹车盘开始相对高速滑动，它们的表面相互作用。刹车片凭借其长长的成分表，被设计成粗糙而带有纹理的样子。但即便是抛光的刹车盘，也不是完全光滑的。
因此，它们的微观表面会相互碰撞，导致其有时弯曲变形，有时开裂，甚至脱落。这不仅产生了阻力，使制动盘减速，还耗散了动能。
在某种程度上，刹车温度高意味着这个过程是有效的，但如果不加以控制，就会导致很多问题。
当刹车片被制造出来时，它们在高温和高压下被“烹煮”，使黏合剂固化并将摩擦材料黏合到背板上。如果反复或持续地使用刹车片，它们会变得非常热，热到黏合剂开始蒸发。逸出的气体在刹车片和刹车板之间形成一个薄层，减少两者的接触，导致摩擦力下降。
这是制动衰减的一种形式，它可能是一个相当可怕的经历——刹车踏板踩到底，速度却只下降了一点点。
过高的温度也会导致制动管路中的液压油沸腾，进一步降低刹车踏板的反应速度。 刹车失灵通常是暂时的，可以通过抬起踏板让刹车片降温来纠正。盘式制动器比鼓式制动器更不易失效，原因很简单：它们直接暴露在空气中，所以可以很快冷却下来。材料的选择也有影响，从腰果壳中提取的化合物可以增加刹车片的热稳定性，帮助它们散去产生的热量。
此外，一些公路车和重型车辆使用有凹槽或者通风的制动盘。它们给黏合剂气体提供了一条逃逸通道，并增加了制动系统周围的气流。
在F1比赛中，车辆的速度和温度都很高，每个部件的性能都被推到了极限，刹车系统得到了重大升级。
03
“慢即是稳，稳即是快”
在任何赛道上，车手的目标之一就是 保持在赛车线上，绕赛道的最短路径。
因此，在转弯时，他们不会沿着狭长的外侧曲线行驶，而是“紧贴”曲线内侧一个被称为 “弯心”的位置，最大限度地减少他们必须行驶的距离。
要做到这一点，需要非常精准的刹车操作： 在恰到好处的时间内，对刹车踏板施以适当的力。如果做到了，车手将会从一个很好的位置冲出弯道，并保持着他们在下一段赛道所需的速度继续行驶。但这样的驾驶会对刹车系统造成伤害。在一些赛道上，刹车并没有太多冷却的机会。
以世界著名的摩纳哥街道赛道为例，它只有3.34千米长，是F1赛程中最短的赛道，但它涉及大量的制动和加速。
根据制动系统制造商布雷博的数据，在2019年赛事中，车手们每圈使用刹车的时间为18.5秒，这超过了每圈总时长的四分之一。
在要求最高的弯道，赛车的时速需要在2.5秒内从297千米降至89千米。大量的动能在这个过程中快速转化为热能。所以，刹车盘会发光也就不足为奇了。
为了应对这种巨大的热负荷，制造商在每个制动盘的边缘钻出1000多个微小的径向孔。这些孔增加了制动盘的表面积，使热量更容易散出去。它们也起到了通风作用。它们与安装在轮辋上的那些大型冷却管道配合，将冷空气吸入制动盘中心，然后在边缘将热空气排出。
作为一项附带的好处， F1赛车的刹车盘非常轻，重量只有1千克，而差不多大小的铸铁刹车盘重量有15千克。
20世纪70年代末，F1赛车制动系统制造商为他们的刹车盘和刹车片找到了一个解决方案，并且自那时起，他们一直在使用：一种叫作碳-碳的材料，高度有序的碳纤维嵌入石墨基体中。
它的散热效果非常好，曾被用在航天飞机上。虽然听起来它可能和构成F1赛车底盘的碳纤维相似，但它实际上是一种非常不同的事物。在高温环境下，碳-碳与空气中的氧气发生反应，从而加剧了其降解。这就是有时你在F1车手猛踩刹车时看到的黑色烟尘的来源。
这个过程意味着车队对其刹车系统的监测不能仅仅局限于温度。马歇尔告诉我，他们使用压力传感器来 监测管道里的气流。对于磨损，他们有可以测量横向运动的电子传感器。
“我们用这些来测量刹车片要走多远才能接触到刹车盘。由此我们可以推算出总磨损，这是刹车片和刹车盘磨损的总和。”
“根据这些数据，我们在比赛中追踪磨损率。如果速度太快，我们可以调整刹车平衡，以保护车辆磨损最严重的那一端，或者要求车手用干净的空气来冷却刹车。”
无论采用哪种方式，其目标都是确保驾驶者在需要的时间和地点有停车的能力。
每个赛季都要面对成千上万的弯道，这些系统，当然还有车手，都表现得很出色。
-本期话题-
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编辑｜泰若克塔
封面｜《F1:狂飙飞车》
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