F1赛车壁垒技术简史

目录

1. 🏁 引言
2. 🏎️ 高速赛车的风险
   • 2.1 速度与加速度
   • 2.2 碰撞中的 G 力
3. 🚧 F1 的壁垒技术
   • 3.1 稻草捆
   • 3.2 抓捕围栏
   • 3.3 混凝土墙
   • 3.4 防护栏
   • 3.5 轮胎墙
   • 3.6 Tecpro 壁垒
4. 💡 先进壁垒技术的优缺点
5. 🔍 壁垒选址和角度
6. 🏬 不同场地的壁垒选择
7. ❓ 常见问题解答
8. 🌐 资源

🏁 引言

赛车是件棘手的事情，对于一个赛车手来说，他们无法确保自己的赛车一定会保持在赛道上。在车辆高速行驶的同时，赛车事务所必须提供给观众、赛道工作人员和电视台所需的场内、场外相互不透渗的围栏以阻止车辆失控。由于赛车速度非常快，摩托运动必须想尽办法解决赛车失控而导致驾驶员受伤的问题。在本视频中，我们将回顾 F1 赛车中壁垒技术的简史，以及如何通过深思熟虑的工程设计来解决赛车离开赛道的问题，同时也引入了一些新的问题。

🏎️ 高速赛车的风险

2.1 速度与加速度

道格拉斯·亚当斯曾经写道：“不是坠落致命，而是突然停下来的。”在赛车事故中也是如此。碰撞中严重受伤的风险主要来自于巨大的加速度。加速度是速度变化的速率，产生的力会作用在你身上。你可以很慢地将一辆车从零加速到 200 公里/小时，几乎感受不到任何感觉，但一辆 F1 赛车只需要几秒钟就能做到，你会感觉仿佛胸部被踢了一脚。而它的刹车速度更快。需要注意的是，加速度和减速度本质上是相同的。例如，3 秒从 0 加速到 200 公里/小时与 3 秒从 200 减速到 0 的加速度是相同的，只是方向相反。

2.2 碰撞中的 G 力

F1 的事故常常以“g”为单位进行报告，例如 21g 的事故。G 是一个加速度单位，如果你知道在普通道路上以每小时 60 英里的速度急刹车时会产生不到 1g 的减速度，那么你可以想象一下 30g 的冲击会有多大。在 F1 中，减少减速度的设计是减少冲击时间和距离，这需要减少赛车在冲击时所受的能量。我们可以将赛车和驾驶员的冲击能量转化为速度的平方，所以一辆以每小时 150 公里的速度行驶的 F1 赛车的能量是每小时 100 公里速度赛车的2.2倍，而以每小时 200 公里的速度则是4倍。可以看出保护壁垒的任务是非常艰巨的！

🚧 F1 的壁垒技术

3.1 稻草捆

早年间，稻草捆经常用作赛道旁的壁垒。赛道通常建在城镇、机场和公共道路上，赛车手当时常常面临树木、电线杆和墙壁等物体的威胁，这是他们绝不愿意碰到的重物。稻草捆便宜，易得，并且有一定的重量，可以在被撞击时吸收部分运动的冲力。如果你撞上一个静止的物体并使其移动，这是动量从一个物体转移到另一个物体的过程。想象一下台球。然而，稻草捆也有很多缺点。它们可能会缠住车辆并翻转，如果你的赛车看起来像这样，那是特别危险的。它们也可能把车撞得旋转得非常快，这是一种大量转动能量的转移，可能导致像颈椎扭伤这样的伤害。被撞击后，稻草会在赛道上留下秸秆，这会增加赛道的湿滑程度，增加了危险。并且，最糟糕的是，原来稻草极易燃烧。最著名的稻草极端事故是1967年莫纳哥大奖赛上的洛伦佐·班迪尼撞车翻车并被困火中。

3.2 抓捕围栏

一段时间里，抓捕围栏是很受欢迎的一种壁垒形式，作为相对便宜和合适的方式来防止赛车飞离赛道。这是一种简单的网栅设计，通过钢索相连，形成一条长长的围栏。赛车可能会撞上围栏，而围栏则会变形并“抓住”它们，通过将赛车的能量转化为围栏的形状变形来吸收碰撞所带来的冲击力。然而，这种方式也带来了一些问题：围栏变形非常容易，以至于它会缠绕在赛车周围，使救援车难以救出驾驶员。而且，如果发生火灾或受伤，问题会更加严重。围栏也会缠绕在赛车手身上，卡洛斯·鲁特曼在1981年南非大奖赛上曾险些被围栏勒住。由于围栏很容易变形，支撑围栏的支柱会带着速度旋转，并可能撞击和伤害赛车手。在同一场南非大奖赛上，杰夫·利斯被一根围栏的支柱击晕。另外，一旦抓捕围栏被撞击，修复起来也不容易，这在你希望比赛能够顺利进行的情况下是个问题。

3.3 混凝土墙

在某种程度上，混凝土墙在赛道上的表现是非常出色的。它们在阻止赛车与之垂直碰撞方面效果非常好，因为它们非常坚硬且固定。你可不想正面撞上混凝土墙。但它们在扭转赛车并通过摩擦吸收动能方面也做得很好。在直线上，我们可以通过将围墙靠近赛道边缘，增加赛车以浅角度撞击墙壁的可能性。当赛车失控时，它需要经过一段时间才能从曲线行驶过来，将赛车的方向从与墙壁平行转换为与墙壁垂直 - 靠近墙壁会强迫其以较浅的角度撞上墙壁。如果你的赛道空间有限或希望将看台靠近赛道，这种方法非常适用。加拿大的长直道就是一个很好的例子。

3.4 防护栏

在 F1 中，我们更常见的是混凝土墙外观简单的防护栏。防护栏呈现出明显的弯曲状，而这一点是有原因的：你可以将一片材料在一个方向上弯曲，却很难在另一个方向上弯曲。试着用一张纸试试，一旦你将其弯曲，它真的不喜欢被弯曲回来。顺便说一下，这也是为什么我们拿着折的披萨片，因为如果它已经沿着它自己的长度弯曲，它不会下垂。所以防护栏在它的长度方向上非常坚固，在车以相对较浅的角度撞击时，它只会轻微变形，吸收冲击的能量，并将赛车沿着其长度方向改变方向，使其停在原地而不是弹回赛道（在大多数情况下）。栏杆后面的支柱和垫片都被设计成可弯曲和变形，以吸收部分撞击冲击。当然，严重损坏的防护栏很难修复，更换也可能很昂贵，而且只适用于速度较低、限定撞车区域有限的场所，比如在摩纳哥。

3.5 轮胎墙

为了实现最大的适应性，让我们来了解一下备受喜爱和著名的轮胎墙。简单来说，它是将一堆轮胎堆叠并排，形成一个柔软的墙体，供赛车安全撞击。我们首先从一些优点开始：使用过的轮胎便宜且易得，轮胎柔软而有弹性，这对能量吸收非常有利——来自于高速行驶的赛车能量被转化为了轮胎的变形能量，就像弹簧一样。多年来，我们对轮胎墙的效果进行了多种改进。轮胎被绑扎或螺栓在一起，而不是松散堆放。弄松的轮胎会在撞击时散落，只有直接受撞击区域的轮胎能吸收能量。将轮胎紧密固定在一起可以使它们成为一个弹性的整体。撞击时，整个轮胎墙会通过其结构将能量吸收扩散开。你连接轮胎的紧密程度越高，墙体就越坚硬，就像弹簧上弦得越紧一样。同样，你可以通过轮胎的行数来调整墙体的刚度。在一个轮胎墙中，你通常使用两到六行轮胎，行数越多，墙体就越坚硬，更不灵活。在高速冲击可能发生的区域，一个坚硬的结构更好，因为它可以吸收更多能量，而软墙可能会让赛车撞到后面的墙上。轮胎墙现在外面包覆着大型带状覆盖物。这样做有几个好处：1）在轻触碰时，裸露的轮胎可能会将车辆缠住并造成突然旋转的意外。平滑的表面可以让车辆在浅角碰撞时轻松从壁垒上滑过；2）覆盖后的轮胎墙更难穿透。对于裸露的轮胎，赛车可能会像飞镖一样嵌入其中，使救出车辆变得困难，并增加头部受伤的可能性——虽然现在有 Halo 系统可以降低这种可能性；轮胎墙中经常看不见的一项创新是其通常带有内嵌物——这些是放置在轮胎内部的塑料管，使轮胎更难被压扁——即变形轮胎需要更多的能量。这可以使轮胎墙的能量吸收能力翻倍。

3.6 Tecpro 壁垒

Tecpro 壁垒是一种特殊设计的模块化防护墙壁，有两种类型：红色的“吸能块”是一个空心的泡沫块，能够相对容易地被压扁；灰色的“加固块”则有一个坚硬泡沫外层、一个有弹性的泡沫内芯，以及一个内部的薄钢板，用于防止赛车穿透壁垒。它们在某种程度上与绑扎的轮胎墙墙体有些相似，而且设计得非常灵活，可以适应不同的弯角形状。在过去的几年里，它们也遇到了一些小问题。一是由于F1赛车的低车鼻造成的撞击可能会抬起 TecPro 壁垒并导致赛车被完全埋在里面，而不能正确地将其减速。在摩纳哥，马尔多纳多曾经成功地撕开了一段TecPro 壁垒并将其拖入赛道，也许他们的重量在某些情况下并不是很合适。总体来说，将高速失控的赛车安全地控制并以受控方式减速是一门非常棘手的工程学问题，需要进行大量的工程和研究来找到适用的、可负担得起的、可重用的和可重建的解决方案。特别是在 F1 赛车中，不难看出轮胎墙作为一种适应性强、可预测性强的壁垒保护措施，完全符合这些要求。

💡 先进壁垒技术的优缺点

• 稻草捆 优点：便宜、易得、能吸收部分冲力 缺点：可能造成翻转、旋转和火灾，及赛道上秸秆的滑险
• 抓捕围栏 优点：相对便宜、能吸收能量 缺点：围栏的变形可能使救援困难增加，也可能对驾驶员造成伤害
• 混凝土墙 优点：能吸收能量，并通过摩擦减速 缺点：极度坚硬且不能垂直吸收能量，可能对驾驶员造成严重伤害
• 防护栏 优点：能吸收能量，并通过柔软地变形减速 缺点：维修困难、昂贵替换、高速冲击效果不佳
• 轮胎墙 优点：便宜、易得、能吸收能量并通过弹性减速 缺点：需要固定以避免散落，高速冲击时效果有限
• Tecpro 壁垒 优点：模块化设计，能吸收能量并阻止穿透 缺点：轨道庞大、撞击时可能被抬起

🔍 壁垒选址和角度

在选择壁垒的位置和角度时，重要的一点是考虑撞击的角度。当赛车离开赛道并以陡峭的角度撞向壁垒时，在撞击壁垒时的大部分速度将垂直于壁垒，我们必须考虑如何将这种能量吸收到壁垒中。但在一个浅角度的撞击中，大部分能量都是平行于壁垒行驶的，只有一个很小的分量是垂直于壁垒的。在这种情况下，我们需要通过减小壁垒的变形，通过强制赛车沿着墙壁滑行来减速以吸收这个平行的方向上的能量。混凝土墙在这方面做得非常好。在直线道路上，我们可以通过将墙壁靠近赛道边缘来增加浅角度撞击的可能性。当赛车失控时，需要一段时间才能从曲线中驶回直道，将赛车的方向从与墙壁平行转变为垂直 - 靠近墙壁可以强迫赛车在较浅的角度撞击墙壁。如果你的赛道空间有限，或者希望将看台靠近赛道，这种方法非常有用。

🏬 不同场地的壁垒选择

1. 小型赛道：优先选用轮胎墙，便宜易得且能在受限赛道空间中提供较好的保护。
2. 高速赛道：混凝土墙是一个不错的选择，能有效减缓高速冲击并通过摩擦将赛车减速。
3. 弯道：防护栏适用于弯道，能够承受相对浅角度的冲击，并利用弯曲的特性将能量吸收和转移。
4. 摩纳哥赛道：稻草捆曾被用于摩纳哥赛道，但容易着火并增加其他危险。现在主要使用轮胎墙来保护驾驶员。

❓ 常见问题解答

问：为什么不把混凝土墙用作主要壁垒？
答：尽管混凝土墙在吸收冲击方面表现出色，但由于其刚性和固定性，对于垂直方向的冲击来说并不理想。而且，混凝土墙维修困难，昂贵替换，因此在某些情况下使用它可能会导致赛事延误。

问：禁止使用稻草捆的原因是什么？
答：稻草捆在赛车撞击时存在一系列严重的问题，包括翻转、旋转和火灾的危险。此外，撞击后留在赛道上的稻草残渣也会增加赛道的湿滑程度，对赛车和驾驶员造成更多风险。

问：为什么技术进步后仍然继续使用轮胎墙？
答：轮胎墙在吸收能量方面效果非常好，并且能够提供可预测的保护。它们便宜易得，而且还可以根据具体情况调整刚度。此外，许多改进，如紧密固定的设计和覆盖层，使轮胎墙在防护方面更加安全高效。

🌐 资源

• F1 官方网站
• Tecpro 官方网站