微探F1中的数学原理

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;制作者:侯木兰</p>

1.0 F1简介

F1世界一级方程式锦标赛,是当今世界最高水平的赛车比赛,与奥运会、世界杯足球赛并称为“世界三大体育盛事”

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所谓“方程式”赛车是按照国际汽联规定标准制造的赛车。这些标准对赛车的车长、车宽、车重、发动机的功率、排量等都作了严格规定。

1.1 F1 2015预告片

2.0 F1中的UNDERCUT战术

       在F1比赛中,车队及车手无不为十分之一秒乃至百分之一秒的争夺施展出浑身解数。其中,进站策略的制定与应用更是波诡云谲、暗流涌动。现先介绍与进站策略相关的两个重要概念UNDERCUTPIT

1.UNDERCUT:F1中一种通过新轮胎优势利用进站实现赛道上无法完成位置更迭而产生的战术,多用于后车超越前车

2.PIT:精准致停,比赛过程中必须视轮胎的颗粒化程度进入维修站换胎(称为Pit Stop)。以现今F1水准,Pit Stop可在2.7秒内完成换胎。


2.1 数学模型-1

       与现今大相径庭的是,往年落后的车手都是通过比对手晚进站这种相反的战术而实现的,这其中又有什么奥秘呢?为更好地理解其中的道理,现尝试用数学语言来描述一下车手的位置关系。

       假设有A、B两车手处于同一圈中,相互间没有被套圈,则当两车手完成第n+1圈后所用的总时间分别为:

1.png

2.png

:3.png表示完成第n+1圈时的总时间,上标表示A车。

2.2 数学模型-2

当完成第n+1圈后,两者的时间差为:

6.png

则,当A领先于B,则A所用的时间较短,即

7.png

当B领先于A,B所用的时间较短,即

8.png

2.3 数学模型-3

不妨假设

(1)当完成n-1圈后,A领先于B,即

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(2)两车在维修区中耗时相同。

在以上条件下,根据两车进站时机的先后分两种情况,分析B要在第n+1圈后超越A需要满足的条件:

1.当B提前一圈进站 

设B在第n圈完成进站,A在第n+1圈完成进站,则根据条件(2)知

10.png

则有:

11.png

2.4 数学模型-4

由条件(1)知

12.png

此时要使

8.png

只需

14.png 15.png

现今倍耐力轮胎的特性为满足这两个条件提供了基础。目前的倍耐力轮胎相比往年的米其林、普利司通等轮胎升温快,提速快,衰竭也较快。UNDERCUT就是利用刚换上的新轮胎的速度优势来赶超对手。

2.5 数学模型-5

2.当B比A晚进站一圈时

设A在第n圈完成进站,B在第n+1圈完成进站,则根据条件(2)知

18.png

则有

19.png

同理可得

20.png

要想B追上A,需要

21.png 22.png23.png

往年的轮胎较耐磨,新胎温升较慢,刚出站的几圈速度较慢。所以,落后的赛车可以采用比对手晚停站的策略实现超越。

2.6 实施UNDERCUT的关键因素

       总体来说,实施UNDERCUT战术需考虑的关键因素主要有:

(1)与前车的时间差,这是前提条件,与前车的差距不能大于新胎和旧胎的时间差。

(2)车的性能相差不大,领先后要能拉开足够大的优势。如果不能拉出足够的差距,在这套胎使用周期的后期会比较挣扎,有被对手实施反超的风险。

(3)换胎时机的选择

同时满足以上条件的时间窗口往往稍纵即逝,需要车队在电光火石之际做出抉择,并与车手通讯保持实时畅通。

2.7 成功案例-1

采用Undercut的成功案例:

       在2011年的英国站,瓦特尔在第35~40圈采用这种战术超越了小汉。

       进站前的前三位依次是阿隆索,汉密尔顿,瓦特尔。相对于瓦特尔,阿隆索领先3s开外,而小汉在前方1s左右若即若离。瓦特尔的速度已经开始受到小汉的压制,这正是UNDERCUT使用的大好时机。

2.8 成功案例-2

       在LAP36,红牛招瓦特尔进站换胎。紧接着在下一圈,小汉也进站。对于瓦特尔,上次停站换胎在LAP27,到现在才跑了8圈,此次换胎是提前换胎(软胎的周期在13圈左右)。小汉上次停站在LAP24,比瓦提前3圈,在LAP37时本已到了换胎时机。在瓦特尔进站前,瓦特尔和小汉在LAP33~35圈平均圈速保持在1:37:7左右,不差上下。而当瓦特尔出站后,第38圈圈速是1:35:565。而小汉在瓦特尔进站那圈(LAP36)的圈速是1:38:139。靠这个2s多的时间差,在小汉完成出站后,瓦特尔成功的实现了超越!

F1赛车手:维特尔

F1赛车手:汉密尔顿

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