纳斯卡：安全赛车的科学

摘自2020年8月出版的“物理世界”，当时它的标题是“安全赛车的科学”。物理研究所的成员可以通过物理世界APP享受完整的问题。

在纳斯卡当赛车手是一份危险的工作。一个小小的错误就可能让汽车飞起来，导致多起车祸，在某些情况下，甚至是致命的。Diandra Leslie-Pelecky探索了NASCAR中一些旨在确保司机安全的功能背后的科学。

今年2月16日，瑞安·纽曼在代托纳500的最后一圈绕过第四个弯道时，感觉一定很好。这位42岁的纳斯卡车手不仅准备打破104场比赛的不胜纪录，而且他即将在本赛季最负盛名的国际比赛中做到这一点。

纽曼的车从后面被撞，然后转弯。它猛烈地撞在外面的轨道墙上，翻了个底朝天，然后倒立着滑回车流中，一辆迎面而来的汽车把它撞到了空中。着陆后，纽曼那辆破旧的6号车在车顶滑了几百米，最后停了下来。

自2001年以来，纳斯卡车手在前三名系列赛中没有一名车手死亡或永久受伤。当纽曼被紧急救援人员用直升机送走时，我不禁担心这一连胜即将结束。但42个小时后，瑞安·纽曼走出医院。直到4月底纳斯卡批准他再次参赛，他才透露自己对撞车事件几乎一无所知。事故发生三个月零一天后，纽曼在冠状病毒3月份关闭纳斯卡赛车以来的第一场比赛中获得第15名。

全美库存汽车赛车协会(简称NASCAR)起源于美国东南部的非法酒类贸易。那些为逃脱法律而加大“库存”汽车的兼职跑步者开始互相比赛。今天，纳斯卡的顶级赛事，纳斯卡杯系列赛，每个赛季在椭圆形和几个公路赛道上举行36场比赛。最短的赛道约800 米，最长的4.1 公里，比赛长度从500到965 公里不等。赛车本身已经经历了六代的发展，每一代都比前一代有了重大的变化和改进。然而，自1947年纳斯卡成立以来，已有约32名纳斯卡车手在前三名系列赛的比赛、排位赛、练习和测试中死亡-仅杯赛就有28名。

过去，纳斯卡在安全问题上大多是被动的，一些最强烈的反对安全创新的声音来自司机自己。在2000-2001年间的10个月内有4人死亡后，情况发生了变化。这一连串的悲剧始于传奇纳斯卡家族的第四代亚当·佩蒂，以戴尔·恩哈特在2001年代托纳500大赛上的去世而告终。在恩哈特去世后，纳斯卡开始开发其第五代赛车，新成立的纳斯卡研发中心负责将安全放在首位。

如今，纽曼-普渡大学毕业的工程师-是纳斯卡最直言不讳的安全倡导者之一，特别是在像代托纳这样的高速公路上。4 km的三椭圆形(三角形和椭圆形的交叉)有很长的直线和31°倾斜的转弯，使其成为纳斯卡赛车中最快的赛道之一。事实上，这有点太快了。在高速和大偏航角(汽车前部和汽车前进方向之间的角度)下，空气动力学定律使库存汽车的行为更像飞机而不是汽车。多年来，包括恩哈特在内的8名纳斯卡杯车手在代托纳死亡-比其他任何赛道都多。

1987年，鲍比·艾利森的车在空中升空，差点越过代托纳的姊妹赛道塔拉迪加超级赛道的围栏后，纳斯卡规定这两条赛道都有“限制板”。这些限制了进入发动机的气流，进而限制了可以燃烧多少燃料，从而限制了汽车的速度。但即使发动机的油门回落到约410kW(550mw)，这些汽车的速度通常也能达到320 km/h(约200mph)。

当成群的汽车以超过300 km/h的速度行驶时，即使是一个微小的误判也可能引发大规模的连锁反应撞车。

然而，对于赛车手来说，这仍然不够快。从引擎受限的汽车中获得更高速度的唯一方法是紧跟在另一辆车后面，使空气在两辆车之间流动，就像它们是一辆车一样。这种“吃法”减少的净阻力使两辆车的移动速度比任何一辆车都快5-8 km/h(3-5 mph)。但是，当成群结队的汽车以足以在眨眼间穿过足球场的速度行驶时，即使是一个微小的误判也可能引发大规模的连锁反应撞车。

赛车撞车比街车事故更危险，因为赛车的动能要大得多。一辆行驶速度为110 m/s(约70 英里/小时)的典型乘用车具有0.5MJ的动能。一辆纳斯卡赛车在最高速度下携带的能量是这个数字的12倍-大约是1.4TNT kg中储存的能量。

当赛车停下来时，所有这些动能都必须转化为其他形式的能量。当一辆车进站停车时，这种情况会在几秒钟内发生。动能转变为热(如轮胎和刹车)、声音(刹车尖叫和轮胎尖叫)和光(发光的刹车转子)。在碰撞中，能量在短得多的时间内转换，从而导致更高的峰值力。除了热、光和声音之外，能量可能会使汽车变形，或者产生旋转或翻转等旋转运动。管理这种能量是保证司机安全的关键。

当纳斯卡开始的时候，赛车是通过在普通公路车辆内放置滚动笼子来制造的。随着速度的提高和空气动力学变得更加重要，围绕侧滚保持架制造汽车变得更容易(也更安全)。第五代赛车标志着纳斯卡首次向车队发送底盘的计算机辅助设计文件。虽然每个团队都被允许单独开发悬挂设置等功能，但NASCAR指定了底盘中每一个管道的尺寸、位置和壁厚，以确保所有团队都保持安全标准。一支球队在一个赛季中制造的几十个底盘中的每一个都由纳斯卡使用数字分度臂和3D激光扫描进行检查。那些通过的人都会用防篡改的射频识别(RFID)标签进行认证，每次赛车参赛时都会检查这些标签。

底盘中最坚固的管子离司机最近，可以让汽车最远的部分首先被压碎。前部的设计是为了在发生碰撞时将发动机向下推，而不是推入驾驶室。两边的四个水平门栏交错排列，使顶栏先压碎，然后下一个往下压，以此类推，上面覆盖着一块金属防侵入板。

汽车的“温室”(挡风玻璃、侧窗和后窗、车顶以及支撑它们的结构)构成了更严峻的挑战。司机需要清晰的视野和在发生火灾时迅速逃离汽车的能力。这就需要用最少的结构部件提供最大强度的设计。窗户本身是由高强度叠层聚碳酸酯制成的。虽然它们可以断裂，但很难打破，而且因为在两个部分之间有一层聚合物薄膜，前面有粘性聚酯薄膜撕裂，任何碎片都不能飞得太远。

1996年塔拉迪加发生车祸后，另一辆车的鼻子撞穿了恩哈特的挡风玻璃，摔断了他的胸骨，之后，“恩哈特酒吧”被强制实施。这个栏杆垂直地沿着挡风玻璃的中心延伸，防止任何大的东西--比如另一辆车的鼻子--进入驾驶舱。目前的Gen-6轿车于2013年推出，还配备了“纽曼酒吧”(Newman Bar)，提供额外的车顶加固。这家酒吧是以纽曼的名字命名的，纽曼在塔拉迪加一年内两次升空后，直言不讳地呼吁加强屋顶。然后，它帮助他在代托纳2020年的坠机中救了他的命。Gen-6汽车还扩大了温室，使屋顶与司机头部之间的距离更远。司机的座位被移到离车门5 cm的地方，以防止T型撞车，在T型撞车中，一辆车的鼻子垂直撞击另一辆车的司机侧门。

纳斯卡底盘是用磁钢建造的，而不是钛铝化合物等材料，以降低成本，但有大量高科技材料保护司机。热塑性复合材料Tegris(由美国材料制造商Milliken&；Co.)。最初用于第五代汽车上新引入的“分离器”。该装置从前保险杠底部伸出，在顶部产生比底部更高的压力，从而“分裂”空气。赛车前端增加的力在前轮和赛道之间提供了更多的摩擦力或“抓地力”。扰流板在后方完成同样的任务。

Tegris最初是一种冷拉的聚环氧丙烷(PPO)带状纱线，然后被编织成床单。与碳纤维复合材料不同，Tegris不需要树脂。拉拔过程产生高度取向的PPO芯，由无定形涂层包围。由于非晶态材料的熔化温度比结晶型PPO低，所以当织物在加压下加热时，非晶态部分会熔化在一起。虽然Tegris的强度约为碳纤维的70%，但它更耐冲击，更轻，价格约为其十分之一。在底盘框架上方的驾驶员侧车门上有一张梯形玻璃板，可以防止任何东西通过门栏进入驾驶舱。

在外面的金属板上之前，门上安装了吸能的IMPAXX块-一种经过精心设计的挤塑热塑性泡沫塑料。与延长碰撞时间和降低峰值力的柔软泡沫不同，IMPAXX是刚性的。坚硬的泡沫不会暂时储存能量，而是会变形，吸收的能量等于施加的力乘以泡沫的位移。用来粉碎泡沫的能量是永远不会到达驾驶员手中的能量。

车内的一切也都进行了优化，以管理动能。事实上，今天的铝制或碳纤维驾驶员安全座椅看起来更像是火箭上的座椅，而不是汽车上的座椅。定制的弹性泡沫插件符合驾驶员的身体，加垫的手臂缠绕着驾驶员的肩膀、骨盆和头部，以最大限度地减少左右运动和向后运动。

然而，有一件事是座椅不能避免的，那就是向前移动。NASCAR需要六点司机约束安全带，比电车上的腰带更宽，以更好地分配力量。一条聚酯腰带穿过每个肩膀，另外两条腰带固定骨盆，另外两条腰带绕着腿部，以防止“潜水”-司机在撞击时滑到腰带下。赛车安全带比乘用车安全带更坚固，因为它们必须承受更高的力，但它们在撞击时仍然会稍微伸展一下，以延长司机停车的时间。

在20世纪90年代，安全带得到了改进，以便在撞车时将司机的身体紧紧地绑在座位上，但没有任何东西挡住他们的头。一个典型的人头重约4.5kg.5 kg。再加上一顶1.3kg1.3 kg的头盔，在40g的碰撞中(减速392 m/s2)，这个头部可以107g的加速度(几乎1050 m/s2)向前猛冲-足以折断司机的脖子。颅底骨折-由司机头部向前猛击造成的-成为造成赛道上死亡的最常见原因之一，包括厄恩哈特。

自2001年以来，NASCAR已强制要求使用头颈部约束。这些装置包括戴在胸部周围或肩上的安全带，以及连接到头盔的绳索。当汽车突然停下来时，系绳会阻止头部向前猛冲，而是逐渐减慢速度。

然而，解决一个问题往往会暴露出其他问题。在过去的几年里，已故恩达特的儿子小戴尔·恩哈特(Dale Earnhardt Jr)于2017年从纳斯卡(NASCAR)比赛中退役-提高了人们对撞车诱发脑震荡的认识，这导致许多车手重新审视自己的头盔选择。事实上，2020年的代托纳500只是瑞安·纽曼使用新型头盔的第二场比赛。他的头盔来自Arai公司，这是一家专门为摩托车赛车手提供更苛刻需求的公司，他们在赛道和赛道之间只戴着头盔。

头盔必须有多种用途：它们必须是防火的，需要有软垫以将对头部的压力降至最低，并且足够坚硬，以防止任何东西刺穿或压碎头盔。它们还需要尽可能轻。ARAI使用纤维和树脂的专利组合来制造比传统玻璃纤维强度高30%的玻璃纤维，但重量仅为0.50.6 千克，而不是典型赛车头盔的1.31.5 千克。

纽曼的头盔还在头顶周围涂上了一层赛隆(一种热固性液晶聚恶唑)。赛龙的抗拉强度是凯夫拉的1.6倍，刚刚开始出现在纳斯卡赛车上，尽管一级方程式赛车自2001年以来一直使用赛龙系绳，以防止在碰撞中从汽车上掉下来的车轮变成抛射物。事实上，一级方程式赛车在2009年从另一辆车上掉下一根700 g的弹簧，撞到车手菲利普·马萨的头盔，穿透头盔，头骨骨折后，也需要在所有头盔上进行赛龙加固。

纽曼和他的团队让他的车尽可能安全。但还有一个因素在帮助他在事故中幸存下来起到了重要作用。

最初，混凝土跑道墙和随之而来的铁丝网围栏的设计是为了将汽车挡在主看台之外，而不是为了保护司机。但到了1998年，印第安纳波利斯赛道(这条赛道不仅用于纳斯卡)上有41名司机因与墙壁和其他汽车相撞而死亡，其中一些是由于轨道墙将汽车重新引向车流造成的。时任印地汽车(另一美国赛车系列赛)总裁、赛道所有者托尼·乔治(Tony George)着手让赛道变得更安全。

在高速公路上，两辆车在瞬间相撞到同一地点的可能性很低，所以通过打破或永久变形来缓冲冲击的障碍物就足够了。但他们不会在赛道上工作，因为在那里可能会有十几辆车发生一起事故。此外，赛道障碍物必须迅速修复(并迅速清理)，这样比赛才能继续。

第一个本能是让墙壁变得更柔软。许多赛道仍然使用捆绑的旧轮胎，这对低能量的撞击很有效，但不是印第安纳波利斯的高速碰撞。1998年，印地汽车测试了40根直径为40 厘米的高密度聚乙烯管，这些管被放置在高速公路现有的混凝土墙前，并由英寸厚的重叠高密度聚乙烯板覆盖。被称为聚乙烯能量耗散系统(PEDS)，它允许汽车的动能移动车牌和使气缸变形。不幸的是，尽管PED成功地降低了司机在撞墙时所经历的加速度，但它将碎片散落在赛道上。HDPE还倾向于在汽车相撞时“抓住”它，阻止它，而不是减慢它的速度。

IndyCar聘请了Dean Sking(当时在内布拉斯加大学工作的工程师和发明家)重新设计PED，但他意识到问题不在于概念，而在于材料。因此，希克建议使用钢材，而不是使用塑料。在克服了更坚硬的材料是否会提供更好的保护的大量怀疑之后-并在IndyCar的资助下-他开始了钢铁和泡沫节能(更安全)屏障的工作。几年后，当纳斯卡加入该项目时，他不得不修改设计，因为这两种类型的汽车携带的动能不同。任何障碍都必须对两者都有效。

更安全的护栏面向轨道的部分有五根空心钢管，每根钢管的横截面为20 cm，壁厚为0.50厘米，一个接一个，然后缝焊在一起。高强度尼龙带将冲击面与轨道现有的混凝土墙连接起来。两面墙之间的空间充满了50厘米厚的泡沫楔子，楔子的窄端最接近轨道。

当汽车撞上更安全的障碍物时，它的动能被用来移动巨大的钢墙，粉碎泡沫楔子。楔形有助于墙体对不同汽车的不同动能尺度做出反应。印地官员通常在汽车撞到水泥墙时看到100克或更大的峰值加速度。更安全的屏障将最多的命中率降到了60-65克的范围。今天，所有印地赛车和纳斯卡赛道上都强制设置了更安全的路障(除了Eldora Speedway，一条小型土路赛道)。这些墙不是很软，但它们确实拯救了生命。

我永远不会否认瑞安·纽曼能够在一场壮观的撞车事故中毫发无损地离开，这其中包含着运气的因素。但大部分功劳要归功于科学家和工程师-以及车手-他们拒绝接受死亡是赛车不可避免的一部分。