Khí động học của Ôtô
Chắc rằng trong chúng ta, ai cũng đã có dịp ngắm nhìn những chiếc xe đủ kiểu
dáng, đủ màu sắc. Nhưng có lẽ ít ai hiểu rõ, khi chuyển động, nhất là ở tốc độ cao,
ôtô đã chịu tác động của những lực nào.
Hiệu suất khí động học của xe được xác định bởi hệ số cản Cd (một số sách ở Việt
Nam ký hiệu là K). Hệ số cản là một thông số phụ thuộc vào diện tích cản chính
diện, nó cho thấy sự ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới lực cản khí động. Trên lý
thuyết, một đĩa tròn phẳng có hệ số cản không khí Cd bằng 1, nhưng sau khi thay
đổi hình dạng mép viền của đĩa, hệ số cản sẽ tăng lên vào khoản 1,2. Hình dạng có
hiệu suất khí động tốt nhất là hình dạng của một giọt nước đang rơi, hệ số cản Cd
của nó là 0,05. Tuy nhiên, người ta không thể thiết kế một chiếc xe có hình dạng
như thế. Một kiểu xe thông thường có hệ số cản vào khoản 0,3.
Lực cản gió của xe tỷ lệ với hệ số cản không khí, diện tích cản chính diện và bình
phương vận tốc của xe. Bạn có thể nhận thấy rằng, một chiếc xe chạy với vận tốc
200 km/h phải chịu lực cản gấp 4 lần một chiếc xe như thế chạy với vận tốc 100
km/h. Bạn cũng có thể thấy rõ sự ảnh hưởng của lực cản đến tốc độ tối đa của xe.
Nếu chúng ta muốn nâng tốc độ tối đa của chiếc Ferrari Testarossa từ 290 km/h
lên 320 km/h như chiếc Lamborghini Diablo mà không thay đổi hình dáng của nó,
chúng ta cần phải nâng công suất của động cơ từ 390 mã lực lên 535 mã lực!
Nhưng tốc độ cực đại cao như vậy hoàn toàn có thể đạt được mà không cần nâng
cao công suất động cơ nếu chúng ta chi thêm nhiều tiền bạc và thời gian vào việc
nghiên cứu khí động học, giảm hệ số Cd từ 0.36 xuống còn 0,29 cũng mang lại kết
quả tương tự như nâng công suất từ 390 mã lực lên 535 mã lực.
Thông thường, trong các phòng thí nghiệm, để nghiên cứu tính khí động học của ô
tô, người ta tạo ra một mô hình xe giống với chiếc xe ngoài thực tế, đặt mô hình
này vào một hầm có dạng ống (hầm gió), rồi thổi một luồng khí vào trong hầm;
luồng khí chuyển động qua mô hình tĩnh, tương tự với một chiếc xe chuyển động
trong không khí ở bên ngoài. Trên mô hình có gắn các thiết bị, cảm biến thu nhận
tín hiệu, nhờ vào lý thuyết tương tự, người ta tính được các thông số khí động học
của chiếc xe trên thực tế.
Kiểu thiết kế đuôi trơn
Vào những năm 60, các kỹ sư của các đội đua bắt đầu nắm được những điểm đáng
lưu ý của khí động học. Họ nhận thấy rằng, nếu giảm độ nghiêng của phần đuôi xe
xuống còn 20 độ hoặc ít hơn, thì dòng không khí sẽ lượn theo lưng mui một cách
rất suôn sẻ và lực cản được giảm đi nhiều. Họ đã gọi kiểu thiết kế này là
“Fastback” (đuôi trơn). Và kết quả, rất nhiều xe đua, chẳng hạn Porche 935/78
(hình bên) đã tạo nên một cái đuôi dài, thấp rất thái quá ở phía sau.
Với kiểu xe thiết kế theo dạng 3 hộp, dòng khí thoát khỏi xe ở phía cuối mui theo
một đường thẳng suốt. Trong khi đó, góc cắt gấp đột ngột của kính chắn hậu tạo
nên một vùng áp suất thấp, vùng này cuốn những dòng khí quay ngược về để bù
đắp lại, vì thế, nó tạo nên dòng chảy rối của khí. Dòng chảy rối của khí luôn tác
động tiêu cực đến (tăng) hệ số cản không khí của xe.
Tuy nhiên, kiểu thiết kế này vẫn còn khả dĩ hơn một số kiểu thiết kế khác ở thời
kỳ này. Nếu góc nghiêng của kính chắn hậu trong khoản từ 30 đến 35 độ, dòng khí
chuyển động sẽ rất hỗn độn, nó dễ dàng phá vỡ tính ổn định của xe khi chạy ở tốc
độ cao. Trước đây, các hãng sản xuất không có nhiều hiểu biết về vấn đề này và họ
đã tạo ra những chiếc xe như vậy.
Lực nâng
Theo nguyên lý Bernoulli, sự chênh lệch về vận tốc sẽ làm phát sinh một lưới áp
lực ngược tác dụng lên bề mặt trên của xe và người ta gọi nó là lực nâng.
Cũng giống như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện tích (nhưng nay không phải là
diện tích cản chính diện mà là diện tích bề mặt), dạng hình học của xe, tốc độ và
hệ số lực nâng (được xác định tuỳ thuộc vào dạng hình học của ô tô). Ở tốc độ
cao, lực nâng có thể đủ lớn làm cho xe của bạn mất ổn định. Lực nâng đặc biệt
quan trọng ở đuôi xe, bạn dễ dàng nhận thấy được điều này, do tồn tại một vùng
áp suất thấp phía sau kính chắn hậu, nếu lực nâng phía sau không được khử một
cách hiệu quả, hai bánh sau sẽ dễ dàng bị trượt, và điều này là cực kì nguy hiểm
nếu xe chạy ở tốc độ khoảng 250 km/h.
Ở mặt này, kiểu thiết kế đuôi trơn lại có tác dụng xấu vì nó có một diện tích bề
mặt lớn tiếp xúc với không khí. Có thể nói một lực cản lý tưởng cùng với một lực
nâng lý tưởng thì không thể dung hoà với nhau. Chúng ta không thể có cả hai cùng
một lúc. Tuy nhiên, nếu nghiên cứu nhiều hơn về khí động học, chúng ta có thể
tìm ra một lời giải để đạt được cả hai.
Cánh gió (cánh hậu)
Vào đầu những năm 60, các kỹ sư của Ferrari khám phá ra rằng, việc gắn thêm
một cánh gió ở cuối xe có thể làm cho lực nâng giảm mạnh, thậm chí còn phát
sinh thêm lực ép xuống, trong khi đó lực cản lại tăng không đáng kể.
Cánh gió có tác dụng hướng phần lớn dòng khí sau khi rời khỏi mui đi thẳng mà
không quay trở lại nhằm giảm lực nâng. Nếu chúng ta tăng thêm góc nghiêng của
cánh, chúng ta có thể tạo nên một lực ép xuống có giá trị đến hàng trăm kg (cánh
gió cũng tuân theo nguyên lý Bernoulli về lực nâng, trong trường hợp của cánh
gió, lực nâng là lực ép xuống, do mặt cong của cánh gió nằm ở phía dưới, lực ép
xuống sinh ra tác dụng lên cánh, lực ép xuống này ngược lại với lực nâng mà
không khí tác dụng vào mặt trên của thân xe như đã nói ở trên). vẫn có lượng
không khí nhỏ theo đuôi xe và thoát ra sau ở bên dưới cánh. Điều này tránh được
sự xuất hiện của vùng khí xoáy trong các loại xe thiết kế không ở dạng đuôi trơn,
như vậy, hiệu suất cản vẫn được đảm bảo. Vì có rất ít lượng không khí đi theo lộ
trình này, nên phần tạo ra lực nâng của nó thì dễ dàng bị cánh gió triệt tiêu.
Vào năm 1962, Ferrari 246SP là loại xe đua đầu tiên được gắn cánh gió. Chỉ một
năm sau đó, mẫu xe thương mại 250GTO cũng được gắn thêm một cánh dạng đuôi
vịt phía sau. Tuy nhiên, cánh gió vẫn không được phổ biến cho đến khi Porche
tung ra chiếc 911 RS 2.7 của họ vào năm 1972, cái đuôi vịt to tướng của nó khắc
phục được 75% lực nâng ở tốc độ cao. Và cũng chỉ một năm sau đó, 911 RS 3.0
đã triệt tiêu hoàn toàn lực nâng khi sử dụng cánh gió kiểu “đuôi cá mập”. Từ đó,
nó trở thành hình tượng cho các đời 911 sau này.
Thiết bị cản (spoiler)
Spoiler là một thiết bị động lực học làm thay đổi dòng khí chuyển động bên dưới
xe. Người ta gắn quanh viền gầm xe những tấm cản, ở viền trước gọi là “chắn
cằm” (chin spoiler), ở phía sau là “vạt áo” hoặc “váy” (skirt). Để hiểu được
nguyên lý, trước hết chúng ta phải bàn thêm về dòng khí chuyển động phía dưới
xe.
Dòng khí chuyển động bên dưới xe là điều mà các nhà thiết kế không hề mong
muốn. Có nhiều bộ phận, ví như động cơ, hộp số, trục lái, vi sai v.v...để lộ ra bên
dưới gầm xe, đó không chỉ là nguyên nhân làm tăng lực cản do tạo nên những
vùng xoáy của dòng khí mà còn làm chậm dòng khí bên dưới, khiến lực nâng tăng
lên (nguyên lý Bernoulli).