F1 (Formula One)

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一級方程式賽車(英語:Formula One,也叫Formula 1或者F1)是由國際汽車聯盟舉辦的最高等級的年度系列場地賽車比賽,正式名稱為「國際汽車聯合會世界一級方程式錦標賽」。名稱中「方程式」是指一組所有參賽車輛都必須遵守的規則[1]。F1賽季包括一系列的比賽,而這些所謂的「大獎賽」(Grand Prix,出自法語,本意Great Prizes)的場地是全封閉的專門賽道或者是臨時封閉的普通公路。每場比賽的結果算入積分系統並以此確定兩個年度世界冠軍:一個給車手和另一個給製造商。F1的車手、製造商、組織者以及賽道都必須持有超級執照(英語:FIA Super Licence),這是國際汽聯頒發的最高級別執照。

一級方程式賽車通過產生大量的空氣動力學下壓力達到非常高的過彎速度,是風靡全球的賽車運動。發動機性能限制在每分鐘最多15000轉時,其比賽最高速度就可以超過300公里/小時。賽車過彎的橫向加速度超過5個標準重力。F1賽車的性能非常依賴電子系統(牽引力控制系統和其他輔助駕駛裝置自2008年已被禁止)、空氣動力學、懸掛和輪胎。

F1被很多人認為是賽車界最重要的賽事,同時也是最昂貴的體育運動,其賽車往往採用汽車界最先進的技術。每年約有10支車隊參賽,經過16至20站的比賽,來競爭年度總冠軍的寶座。儘管歐洲是這項運動的傳統基地並且每年舉辦半數左右的比賽,然而一級方程式現已風靡全球,越來越多的大獎賽在其他大洲舉行。2010賽季,一級方程式的全球收視觀眾達到5.27億人次[2]。

大獎賽始於1906年並在20世紀後半期成為國際上最流行的賽車運動。一級方程式集團是F1的商業權利的合法持有人[3]。由於F1的年度支出總額高達數十億美元,其經濟效應和創造就業機會顯而易見,而相關的財務和政治鬥爭更是屢見媒體。較高的知名度和普及度造就F1良好的商業環境,從而吸引贊助商的巨額投資和製造商的海量預算。2000年以來,該項運動不斷上升的支出讓包括廠商車隊在內的數支車隊破產。而另一些車隊則被收購,這些已經嚴重限制參賽車隊的數量。

比賽採用的賽車為單座四輪,敞開式座艙。這種沒有車頂與車窗玻璃的車身有助於減少車身上半部重量,降低重心增加操控穩定,將車身尺寸減至最小,輪胎周圍的葉子板(擋泥板)也不裝設有助於減少車身正前方迎風面積與車重,是完全不考慮街道實用性的前提下之賽車設計,有別於有車頂及較實用車身的GT(可開上街道去Grand tour)車或原型賽車。車手頭頂上方為引擎進氣口,兩側為水箱散熱進氣口。

雖然F1賽車車身使用許多大型擾流翼和小型擾流板來增加下壓力而造成風阻係數(coefficient of drag)增加,但因為車身正前方迎風面積已儘量減至最小,所以風阻係數乘以車身正前方迎風面積的阻力面積仍能降低,同時又保有下壓力強的操控穩定性。一般流線型的乘用車雖然風阻係數比F1賽車低,但因為迎風面積大上許多,阻力面積不見得較低(轎車的左右車外後視鏡形狀在左右上角顯示天空的不必要部份,也常被切掉以減少迎風面積),而且缺乏F1賽車的大量擾流板提供大量下壓力,車身重心也較高,所以無法做出F1賽車高達5G(該車輛靜止時總重量的五倍)的過彎抗離心慣性(Lateral acceleration,俗稱離心力),量產跑車過彎抗離心慣性有1G即算優秀,而一般轎車過彎有超過0.8G就算不錯的表現。如果有足夠的天花板空間,當超過某個時速時,F1賽車的下壓力之大可以讓F1賽車倒置在天花板上駕駛。

1980年代中期渦輪增壓引擎的F1賽車就有1200匹馬力,馬力比後來的自然進氣引擎的F1賽車高,在直線跑道加速更快,但現今F1賽車的優秀之處在於極高的過彎速度、強勁煞車與摩擦阻力超過1的高抓地力輪胎。以1990年Tyrrell車隊的Tyrrell 019這部對F1極具影響力的賽車而言,設計師Postlethwaite博士採用創新的高車頭設計,讓更多氣流進入車底產生文氏管效應(Venturi)增加下壓力(賽車界稱為地面效應,Ground effect,讓車底氣流高速流過,使車底氣壓大幅低於車身上方氣壓而增加下壓力,另一種產生地面效應的方法為蓮花車隊曾使用的側裙擾流板,減少車身側面氣流進入車底低氣壓區擾亂氣流,讓車底產生接近真空的低氣壓來增加下壓力,但此方法被FIA禁用),也減少車頭與前擾流翼連接處的亂流,在1990年法國站練習賽創下超過時速300公里過彎的記錄,達到4G的過彎抗離心慣性(1970年代末期F1賽車的最佳過彎表現約為時速240公里,2G;2010年在新規則限制下F1英國站比賽仍有車手過彎時達到5G),成為後來各車隊的設計範例與F1賽車首創的特色。

美國類似F1的Indycar賽車因為主要跑橢圓形傾斜跑道,利用路面朝圓心的傾斜角度抵銷許多過彎離心慣性,形成彷彿連續不斷的直線跑道,多數時間可以開到最高速,也沒有左右彎道,需要的下壓力較小,只在少數沒有傾斜路面有左右彎道的比賽場地才採用高車鼻設計車頭來增加下壓力。1990年代中期F1車隊後來為了因應 FIA新規則對性能造成的損失,F1賽車車身兩側水箱散熱進氣口下半部設計成圓弧內凹的形狀讓該部位氣流流動比側箱上半部快,讓側箱下半部氣壓變小也產生下壓力,前懸吊與水箱散熱口之間並增加破風板("barge board",最早的版本是在1985年由蓮花車隊的工程師Gérard Ducarouge所發明的小型破風版,90年代中期McLaren車隊使用大型的破風板讓下壓力明顯增加)來使剛流過前擾流翼與前輪懸吊系統有些紊亂的氣流變得整齊順暢,可增加約15%的下壓力,車尾底部加裝可加快車底氣流流動速度降低氣壓的氣流擴散器(diffuser),過彎抗離心慣性進一步達到5G。2009年禁用大型破風板後,各車隊都將車頭設計抬高,讓前懸吊支臂的亂流離車身下半部氣流遠一些。F1車手在一個半小時比賽中多次過彎與煞車時身體常承受數倍體重的重力,卻無法穿戰機飛行員的抗重力服來讓足夠數量的血液在腦部停留或離開,所以F1車手平時就需要高度的體能訓練,才不會比賽到一半就過度疲倦而撞車,2001年美國CART賽車在德州的賽道上因彎道設有大傾斜角度可以高速過彎,讓過彎離心慣性達到5.5G,多數車手難以承受而取消比賽。

F1的引擎與傳動機械為了減輕重量提升加速性能常常得犧牲耐用度冒著引擎縮缸損壞的風險,甚至變速箱也曾嘗試使用碳纖維製造來減輕重量,完美的F1引擎是使用一至兩場比賽後正好可以報廢的設計,若太耐用就代表這引擎設計還有減重的空間,但近年來FIA則規定F1引擎耐用度需大幅提升。

車隊與主辦單位之間長年進行貓捉老鼠的遊戲。隨著汽車工業的不斷發展和為了提高賽車的安全性、比賽的觀賞性,比賽規則與賽車的規格也不斷地進行改變。例如在空氣動力學套件和渦輪增壓引擎問世後,比賽規則就加入了對以上兩種技術的限制。此外對於電腦的使用,限制也是日益嚴格。因此就算某車隊靠著科技進步取得優勢,第二年主辦單位就可能制訂新規則以降低其影響力。同時其他車隊也會透過抄襲或自行研發,取得類似的技術以抗衡。

雖然限制日益嚴苛,但F1並不因此而失去觀賞性。因為觀眾想看的並不是某輛賽車一馬當先,而是要看到車手之間的龍爭虎鬥。在每一輛車性能差異不大的前提下,正好能夠比較出車手技術的優劣。賽車的速度受到嚴格限制,不但是為了增加競技的趣味,也是為了降低車禍時的死亡率,藉以避免例如1994年巴西F1賽車選手冼拿車禍致死的意外再度發生。

雖然賽車主辦單位不斷限制新科技的運用,但是比賽用的賽車仍然比任何的民用車輛更為先進。汽車工業利用賽車實驗各種技術,這些發明與發現也經常用於改良量產的汽車。渦輪增壓引擎的普及便是一個很好的例子。賽車運動對於汽車的安全也有正面影響。

2005年賽季F1規則有不少的變化,其中較大的變化包括一站比賽只准使用一套輪胎,與一台引擎必須使用兩站比賽(在爆胎、爆缸或影響賽車安全行駛的情況下允許更換輪胎或引擎),與後定風翼向前移20cm以減少後擾流板透過拉長與車尾的距離產生力矩放大下壓力(如2004年克萊斯勒概念車MEFour-Twelve的尾翼在時速300公里時可電動向後移動10公分,產生421公斤的下壓力)等等。2006年賽季F1將再次進行規則大改動,包括引擎由已經使用多年的3000cc V10設計改為2400cc V8設計,以求降低各車隊在引擎開發上的成本需求與馬力,拉近強弱隊之間的差異。2008年廢除電子循跡控制系統,F1運動在經過一陣子高度電子化的時代後,又回歸不依賴賽車功能而更依靠車手駕駛技術的本質。國際汽聯對2009年的比賽規則進行進一步的修改,主要核心為進一步降低賽車下壓力(高下壓力可幫助賽車獲得高速過彎速度)、增加後擾流翼離地高度以減少對後面賽車產生亂流增加後面賽車超車的機會、禁用輪胎加溫裝置(此裝置可幫助賽車在比賽中更快進入工作溫度以獲得高速度)、禁用前懸吊系統後方整理亂流的破風板和引入光頭胎和加寬前擾流翼補償一些新規則損失的下壓力(無花紋的光頭胎可增加輪胎抓地面積有效提升賽車速度,但比現行有縱向排水紋的輪胎更易磨損)。2013年,國際汽聯又對比賽規則做非常大的改動,其中最重要的一項就是發動機改為1600cc V6渦輪增壓發動機。國際汽聯希望通過以上措施將比賽更進一步地轉變為車手技術之間的較量和限制賽車速度,但是有不少車手對其提出異議,理由是賽車將更加難以駕駛,比賽中事故將會增加,車手往往會因為謹慎駕駛而降低比賽的觀賞性等等。


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