為什麼 F1 等賽車運動車手的過彎走線不是貼著內彎? | 知乎問答精選

 

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為什麼 F1 等賽車運動車手的過彎走線不是貼著內彎?

2018年12月18日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【田峰的回答(40票)】:

謝邀。來認認真真的說說行車線的問題。(以下很多內容來自going faster 以及中汽聯賽車運動培訓教材,如侵刪,長文慎入),開始:

一、提高圈速的重要因素。

在賽車運動中,賽道基本上可以分為兩種:直道和彎道。

1、直道。在直道上,地板油加速,根據

,在直道的初速度給定的情況下,用盡賽車的最大加速能力就可以。但是任何一個直道都是接著某一個彎道的,所以直道的起始速度其實是前一個彎道的出彎速度。這樣起始速度越大,通過整個直道的平均速度越大,通過直道的時間越短。

結論:直道上要有盡量快的初速度和盡可能大的加速度(這個加速度取決於汽車的加速能力),也就是要保證出彎速度和給地板油。

2、彎道。彎道中不可能地板油加速,通過一個彎道的速度可以由公式

=

(F是摩擦力),這樣V=

,其中

是摩擦係數,由地面和輪胎決定,R是轉彎半徑。

由於地面和輪胎在過彎時是給定的,這樣在比賽中我們為了保證V大,只能保證更大的轉彎半徑。所以一般都是採用外內外切彎

也就是一般會選擇上圖中得行車線,這種情況下賽車通過整個彎道過程中行車線半徑是固定的,所以我們稱之為也就是一般會選擇上圖中得行車線,這種情況下賽車通過整個彎道過程中行車線半徑是固定的,所以我們稱之為定曲率行車線

當然,也有人說那其實我可以走這樣一條線路。如下圖:

這條1號線路跟上面的3號線路雖然所得到的速度會小一些,但是行車的路程也會更短啊?這條1號線路跟上面的3號線路雖然所得到的速度會小一些,但是行車的路程也會更短啊?

這裡提醒一下,這個彎道圖是為了說明問題而把賽道畫的很寬,實際情況寬度比彎道的長度要小很多。上圖中的路線能節省的路程會非常有限,遠遠比不上提高速度帶來的影響。

(PS:題主提高到的盡量走直線也是因為要更大半徑的原因,而不是為了保證最短距離。請知悉)

當我們選擇了最好的行車線,我們要做的就是,讓車子的過彎速度接近這條線路所決定的最大速度V,保證彎道的速度。

結論:在彎道中要保證速度盡可能大,一是要選擇最佳的行車線,一是要在這條線路上保證極限速度。

3、綜述:綜合1和2我們可以找到四個重要因素。一個是直道的起始速度,一個是直道上的全力加速,一個是彎道的路線選擇,一個是通過彎道的速度。

考慮一下這四個因素,我們會發現:

1)通過彎道的速度不僅僅決定了彎道通過的時間,通過彎道的速度就是直道上的起始速度(直道的起始速度就是上一個彎道的出彎速度)。

2)直道上全力加速是很容易做到的。

所以我們精簡一下,影響因素有二:一個是行車線的選擇,一個通過彎道的速度。

二、進階的討論。

我再次審視以上模型,讓情況更接近真實。

1、單個彎道。

我們已經把賽道分成直道和彎道。在實際的賽車中,彎道所佔的長度比例是比較少的,更多的是直道。所以我們在實際的賽車中影響成績的最大因素是在直道上的速度。根據上面的討論,我們要保證直道上的速度,除了要保證地板油以外,最重要的是出彎速度(也就是直道的起始速度,比如題主給的圖中,最長的直道是16號彎和1號彎之間的直道,在這一段直道中可以一直加速,所以16號彎的出彎速度在整個比賽中尤其重要)。為了保證更大的出彎速度,在實際的賽車中往往採用下圖的行車線;

這個行車線的特點是,彎道的前半段和後半段半徑不一樣,相對應定曲率行車線,這種行車線稱之為變曲率行車線。前半部半徑較小,所以入彎的時候,車速會比較慢,這樣做的好處是跟定曲率行車線相比,能使後半段獲得更大的轉彎半徑,也就是可以獲得更大的出彎速度,保證接下來直道中更快的起始速度(題主給出的賽道中10號彎使用這種行車線就很明顯)。

總結:在實際比賽中,直道上的速度更重要,所以往往選擇變曲率行車線,保證出彎速度。

2、連續彎道。

連續彎道之後的直道起始速度就是連續彎道的最終出彎速度,根據上面的討論,我們明白我們最重要是要保證直道的起始速度。所以在實際的比賽中,連續幾個彎道有兩種情況:

1)各個彎道之間的銜接非常的緊密。這種情況,在連續彎道的前幾個彎道我們會損失速度來保證最後一個彎道的出彎速度。也就是前幾個彎可能會選擇並非最大的行駛半徑來保證最後一個彎的最大行駛半徑。這樣在有些彎看起來,行車線好像就不是半徑最大的那條線。如題主給出賽道中的11號彎,我們行駛經過11號彎頂點之後,本來應該遵循外內外的原則走到最右邊的路面。但是為了保證12號回頭彎的出彎速度,我們走了最左邊,因為這樣可以保證經過12號彎的時候,行車線的半徑最大。

2)各個彎道銜接不緊密。這個時候兩個彎道之間的直道足夠長,我們往往就會當做兩個彎道來處理。如圖中的8號彎和9號彎,車手是當做兩個彎道來分別處理的。再如16號彎和1號彎,也肯定是當做兩個彎道來分別處理的。

更高階的涉及到路面的起伏、左右的高低等等因素這裡就不探討了。

【彭晨曦的回答(54票)】:

簡單的來說,首先理想的認為賽車在轉向時為定曲率圓周運動,根據圓周運動規律:

其中F為賽車在所能提供的向心力,是由輪胎的抓地力來決定的,一定情況下認為它是不變的,那麼要提高賽車在彎中的速度V,就要選擇R最大的行車線:

這幅圖是Going Faster裡的,對於一個彎道來說最大半徑的圓弧就是入彎點、彎心(apex)、出彎點三點所構成的圓弧。當然你會注意到走最佳行車線的距離比內側行車線的長。挑近路走有優勢,但這點優勢遠不能抵消速度下降帶來的巨大差距。出彎速度的提高,對圈速的提高是很重要的。這幅圖是Going Faster裡的,對於一個彎道來說最大半徑的圓弧就是入彎點、彎心(apex)、出彎點三點所構成的圓弧。當然你會注意到走最佳行車線的距離比內側行車線的長。挑近路走有優勢,但這點優勢遠不能抵消速度下降帶來的巨大差距。出彎速度的提高,對圈速的提高是很重要的。

實際情況會比上面的理想情況略複雜,車手為了提高圈速會採用帶剎車轉向,加油出彎操作,在彎中的速度V並不是恆定的,在這種情況賽車在彎中的運動是一個變曲率的圓周運動,但分析方法還是和上面的基本相同。

【冷哲的回答(82票)】:

車輛轉彎時側向力公式為

F=kappa*v^2

kappa為瞬時曲率,就是轉彎半徑的倒數,v為車輛緯向速度。

同等速度下,轉彎半徑越小,需要的側向力越大。當側向力的需求大到一定程度時,車輛就會因為車輪摩擦力達到上限而進入滑動摩擦狀態,滑動摩擦比最大靜摩擦要小,從靜摩擦轉入滑動摩擦時車輛會向外側滑動,可能失控(雖說只要有側向力就會有側滑,但一般的側滑和這種側滑是不一樣的)。

還有一個問題就是角加速度。設想一個簡單的場景,車輛從直道入彎,從0角速度進入kappa*v角速度。根據角動量定理,這個車子就需要一定的轉向力矩,這個力矩是通過前後輪側向摩擦力差異產生的,換言之,最前面提到的轉彎所需的摩擦力F還要疊加一對正反側向摩擦力(這裡考慮的是快速入彎或後輪驅動的情況,前輪驅動並較慢入彎的,提供角加速度的主要是前輪緯向摩擦力)。入彎時前輪疊加一個與提供向心加速度的摩擦力同向的提供轉向力矩的摩擦力,後輪疊加一個反向的加速度。在這種情況下,前輪更容易突破最大靜摩擦而失控。即便是達到同樣的轉彎半徑,入彎時間越短,需要的轉向力矩越大,前輪越容易失控。因此,要避免失控,最好走一個平滑過渡曲線,逐漸增大轉彎半徑,而不是入彎時以最大速度轉動方向盤。

車輛克服空氣阻力、加速所需的力全部都需要地面摩擦力來提供。地面摩擦力有上限。在向心摩擦力和轉向力矩上佔用越多的摩擦力,剩下來能用於克服空氣阻力和加速的摩擦力就越少,摩擦力就越容易突破上限,車輛就越容易失控。

再者,由於車輛重心都不貼地,轉彎所需的側向摩擦力對重心會產生一個滾轉力矩,在一定情況下,這會讓車輛側翻。一些賽道的轉彎部分路面都不是平的,而是有個向彎內側的傾角,就是為了減少車輛側翻的可能。

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所有這些都導致一個問題,那就是為了避免失控,且不必為了避免失控而降低太多速度,一般入彎都不走最小半徑,而盡量增大過彎的半徑,而且讓入彎的過程變得平滑(尤其是要考慮到,大量賽道本身並不像高速公路會為你直接提供一個逐漸平滑入彎的道路曲線)。這樣就可以以更大的速度入彎、出彎,也有更多的摩擦力可以用來克服空氣阻力和加速。在比賽裡面保持速度是非常關鍵的,因為加速是比較慢的。這比少走幾米路程要更有價值。

【薛遲的回答(10票)】:

謝謝邀請,看了看回答,基本已經很全面的涵蓋了問題的解釋。

我想粗略說明一下為什麼會有這樣的線路。

輪胎是賽車上最重要的部件之一,非常好的車手能夠把輪胎用到極限。(當然非常差的車手同樣能做到,而且時不時會超過極限,對他們來說,最容易出現的就是入彎速度太快,賽車轉向不足向外滑,這時候即便是多打方向也回不到正確的線路上。)

輪胎的作用是提供加速減速的縱向力以及轉向的側向力。但其總和基本保持不變,也就是提供的縱向力越多能提供的側向力就越少。

在彎道中,轉彎半徑越大,對輪胎所需的側向力就越小,車就能以更快的速度過彎。這就是為什麼會有'外內外'的過彎方法。因為過同樣的彎速度能夠最快!也許你會說,速度快,距離還長啊,沒錯,距離是長,但時間並不多多少或者少,出彎後速度優勢比少跑這幾米實在多了!

在彎道中如果超過輪胎能提供的最大側向力,比如速度太快,車就會滑出去,按照這個速度下輪胎側向力確定的更大的轉彎半徑往出滑。

最理想的狀態是在過彎中始終保持輪胎側向力的最大利用,這個也好判別,就是在輕微側向滑移的情況下輪胎會有噓噓噓的響聲,如果變成吱吱吱的嘯叫說明超過極限轉向不足了。

實際在賽場上並不是勻速的理論轉向,入彎要減速出彎要加速,實際曲線會有所改變,apex點也會前後移動。制動,收油會讓軸荷前移,輪胎能提供的側向力增加,極限轉彎半徑會減小,加油相反,軸荷後移,轉向能力變差。但制動會用到輪胎的縱向力,如果大力制動連同轉向必然會轉向不足,所以一般在直線末段完成制動。

賽道又是多個彎構成,每個車手都有自己不同的理解,賽車也不同,這就造成每台車的線路大體相同,而又因車和車手而異。比賽的情況更複雜,不討論了。

對於初上賽道的朋友,第一點提示是不要過早的切apex,如果切到apex後面發現根本拐不過來那就是切太早了。第二切入點正確了,發現切不到apex那就是速度太快了。第三,如果出apex發現還可以把車控制在賽道中間而不是外側,那是入彎速度太慢了。精準的速度控制是一切。

還有一點,出彎不要著急油門到底,方向越多,油門應該越淺,方向回正在油門到底。

【關小熊的回答(0票)】:

蟹妖

上面很多大神已經對走線進行了比較詳盡的理論分析,我稍微再深入補充下

在汽車理論中有提及輪胎的摩擦圓,其意義就是:

輪胎在一般情況下(不打滑)全部可能提供的力分佈在一個圓上

由式

得到

看起來像這樣(F為側向力,T為驅動力或者制動力,即是輪胎在這圖中是向著T的方向滾的,W為該輪載荷),當然這是一個理想狀況,現實還不一定是標準的圓

當它打滑的時候,輪胎所能提供的側向力幾乎消失(這是輪胎自身的特性),上圖變成一個扁平的橢圓

這就說明了很重要的也很現實的的一個問題,輪胎所能提供的側向力存在極限的。

假設分析勻速轉過一個90度彎。

假設側向力全部用於轉向,由圓周運動公式可以知道,曲率越低則線速度越高(詳見上面的各位大神的解釋)。

但是畢竟賽車需要走的距離也變長了,過彎的時間不一定會有顯著差別,但是為什麼過彎通常是out-in-out的走法?

答案在於入彎和出彎兩個階段,曲率高(即緊貼彎內側)的走線,平均線速度低,入彎需要制動,出彎需要加速回到原來的速度,這相比out-in-out損失了部分的時間。因為out-in-out的平均線速度更高,制動和加速的時間都更短。

驗算部分以後再補。

【JohnnyMiao的回答(3票)】:

輪胎抓地力有限,第一條跟第一條是一個道理,在很高速的時候,方向盤動作要經可能幅度小,也就是半徑盡可能大,速度才能快,且保證車子不飛出去。外內外也不是絕對的,會有很多變化,比如大直道前的彎道apex會延後。

【令狐麻雀說的回答(11票)】:

不是不想切內彎 是已經切到極限了

========

切內彎需要大角度偏轉前輪 帶來巨大的誘導阻力導致車速降低,大油門高速急轉彎又會因離心力增大外側車輪負荷 內側車輪打滑 抓地力下降 因而通過多次的嘗試和計算 最終大部分車手採取的做法是

直線 看到彎道 切外彎 降擋降速 過彎在保證抓地力的前提下盡可能靠近內彎 對準直線 加速 提檔 同時出彎

而越野比賽因為無法100%確保高速切外彎不會因為路面問題發生側滑 因此越野車會根據路況和車速決定過彎方式,例如窄路上常用的切內彎漂移 可以以較高的轉速和車速連貫通過。

多說一點

越野車手的習慣性漂移過彎不僅是為了漂亮,而且漂移過彎未必有全抓地「標準」過彎更快,可是習慣性的主動漂移 會強化車手對趨於失控的車的控制能力

就說這麼多吧 不足之處 歡迎指正

汽車駕照還沒考 資深競技自行車業餘車手

【kittff的回答(0票)】:

謝邀。賽車走位首先考慮走最直線路,其次才考慮走最小距離線路。

【水冬瓜的回答(2票)】:

這樣過彎是為了充分利用有限的空間盡可能增大轉彎半徑。

一來可以提高過彎速度(抓地力限制,離心力影響)

二來可以降低操控難度(過急彎容易還是走直道容易~)

個人觀點。

【徐賡的回答(0票)】:

比賽中,賽車的出彎速度很重要,緊貼彎道內側行駛可以獲得最短的行駛路程,但是這樣出彎速度就會慢很多。出彎速度慢,就意味著直道的初始速度慢,等同於直道段還沒開始就輸在起跑線上了。這樣會損失很多時間。

所以在某些彎道中犧牲彎中的速度、路程、甚至是時間,來獲得直道初速度最快,往往是賽車手常用的致勝手法。

當我們討論一個賽道上哪些彎道優先級最高時,一般都會將最長直道之前的那個彎認定為最重要。例如題主配圖中的16號彎,就是加泰羅尼亞賽道中最重要的彎道。

舉個例子說,同一個車手16號彎出彎速度比上一次駛過時快10KM/H,那他這次在整條大直道上就會佔盡優勢。

所以當車手追求直道之前的彎道出彎速度達到最快時,他就不再追求「緊貼彎道內側」或者「行駛路徑最短」。因為後兩者並不能實現「出彎速度最快」的目標。

【劉宇暉的回答(0票)】:

受到邀請小弟感到萬分驚恐,能力所限真的回答不了。

之前見到有大神的回答,應該可以回答到這個問題。

zhihu.com/question/2644

問題是這個

zhihu.com/question/2644

在此召喚大神@梁士達,梁前輩的答案已經說明的很清楚了。

我只是個小小的搬運工

【token胡依林的回答(0票)】:

謝邀,最簡單的回答:轉彎半徑越大,過彎越順暢。

半徑越小,過彎越急~

【坡下碎石的回答(0票)】:

個人觀點。

總的來說橫向G比較高的彎道(高速彎)傾向於走大半徑,比較低的彎道傾向於走短路徑。

輪胎能提供的抓地力是有限的,相同橫向加速度的情況下當然半徑大的時候車速快,這點其它答案也提到了。

還一個需要關注的問題是彎道傾斜角。一般單看賽道圖總有一種是平地的感覺,但真實情況要複雜的多,彎道處可能會有各種各樣的斜坡,內傾的可以提供橫向加速度,外傾的則相反,過彎時的路線會完全不同。

【佟浩功的回答(0票)】:

謝邀,如果貼著內彎的話降速降的多,否則車身會因抓地力不足而飛出去,走大彎雖然路程遠一點,但是降速幅度小,可在抓地力允許的範圍內盡可能快速的出彎。當然,走內彎也不是不可以的,F1比賽中經常可見維修區剛出來的換上了新輪胎的賽車在彎道處走內彎超越輪胎已經嚴重磨損的賽車,就是利用抓地力的差別實現超越的一種戰術。所以通常還差幾圈進維修區的車在應對剛換新胎的賽車攻擊時,會優先守住內彎。

【黃不了的回答(0票)】:

理論不清楚,說說卡丁車的個人感受~

以下指的是專業的卡丁車場,用兩沖車非四沖車的情況:

在三水最有代表性的是最後回起點的那個正U彎,前邊一路狂衝過來後速度已經非常快了

讓我們堅持貼著內線走法:

到剎車點剎車後,通過apex點時,理論公式顧不上啊,你堅持貼全內線過彎又需要在你身體Hold得住這車,那勢必速度會慢下來,你一邊沾沾自喜:你們看,我沒有側滑我是完美內線時,就等著看一台台在你後邊的車生猛地超你而去,因為你的發動機轉速已掉下來了。

遵循外內外內內外內外走法:

沒到剎車點時,車輛切向外側,到剎車點剎車,切線,一定G值在你脖子上是輕是重完全取決於

你的個人身體條件,這時車速依然非常快,同時為了不掉轉速不甩車尾你壓根到不到理論上最

歡樂的那個apex點時,就已經要出彎心了,這時又需要加速來出彎保持速度 羅...

於是,這時你會發現,確實不可能貼著彎心走彎。

或者這種狀態,把上邊那些專業的公式套進去,是完全貼合的吧.不知道...

【李阿民的回答(2票)】:

玩跑跑卡丁車,騎自行車也得這樣

【呂佚的回答(3票)】:

場地賽車運動裡的切線跑法,不僅是F1,包括勒芒也是這種跑法。

精簡點的解釋就是入彎口盡可能的向外拉,把入彎角度增大後切著內線過彎,出彎的時候偏向外線。這樣的好處在於過彎角度沒有那麼刁蠻,減少在過彎過程中造成的G值偏移,和盡可能減少入彎和出彎過程中的輪胎損耗。走最大角度的主要目標其實就是盡可能的把彎道變成直線,場地賽對於輪胎抓地力的要求十分苛刻(WRC也苛刻,但是那是另一個概念),即使是F1這樣的頂尖賽車在過彎中都會有極限的。切線跑法除了減少對車身承壓以外,還能減少失控幾率。

【SeanDong的回答(0票)】:

謝謝邀請,理論公式樓上有達人解答了,我來說說實際駕駛感受吧。線路走的越寬、賽道利用的越完整,輪胎的抓地力越好,直觀點說就是輪胎越不會因摩擦過多而叫起來。出彎時能不能車頭擺正、獲得最大出彎速度完全取決於入彎前的線路選擇與車手對車的動態控制。其實每個賽車手心中都有自己的線路,再結合上車輛的不同,沒有一條絕對唯一的線路。比賽中更是沒有所謂的走線,有時候內線超車不一定線路理想,而是靠對車輛的控制而取勝。

【知乎用戶的回答(0票)】:

好的車手為了盡可能用盡輪胎的抓地力,會主動控制賽車些微的超出極限。入彎時稍微轉向不足(表現為推頭),出彎時稍微轉向過度(表現為甩尾)。這就造成了得票第一的大神提到的彎內速度不均。因為不均,所以根本不是一個圓。

另外彎角的取捨並不只是最短距離,還包括出彎姿態和出彎速度。像9號彎是一個90°的中速彎,而後面是個長直道,這時候出彎的速度就比貼彎心重要。

標籤:-汽車 -賽車 -賽車運動


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