Định nghĩa khí động học
Khí động học (Aerodynamic) là cách mà không khí di chuyển xung quanh một vật thể nào đó. Những quy tắc của tính khí động học là thứ quyết định cho một chiếc máy bay có thể cất cánh và bay lên bầu trời hay không.
Bất cứ thứ gì chuyển động trong không khí đều có tương tác với tính khí động học, dù là một tên lửa được phóng lên không gian hay một cánh diều đang lượn. Và bởi vì không khí di chuyển xung quanh xe trong quá trình chúng vận hành, thế nên chúng cũng có tính khí động học. Nói chung, khí động học là kết quả nghiên cứu về cách chất khí tương tác với các vật chuyển động.
Các lực khí động học cơ bản
Có 2 lực khí động học cơ bản đó là lực cản và lực nâng. Trong đó, lực cản là lực do không khí tác dụng lên ô tô trong quá trình xe di chuyển, còn lực nâng là lực vuông góc – một lực tạo ra bởi không khí cho phép đẩy thân xe từ phương từ dưới lên. Lực nâng này tiếp tục chia ra thành lực nâng tích cực, làm cho mọi thứ bay lên cao. Ngược lại, loại lực nâng tiêu cực thì đẩy vật đi xuống, hay còn gọi là lực nén (down force).
Về cơ bản, không khí xung quanh chúng ta di chuyển theo cách tương tự như chất lỏng, chỉ khác mỗi chỗ là bạn không thể nhìn thấy được. Theo hướng đó, bây giờ hãy thử tưởng tượng rằng cứ mỗi lần bạn lái xe ra đường, nghĩa là bạn đang di chuyển trong một biển không khí vô tận. Rõ ràng, không khí không dày đặc như chất lỏng, nhưng nó vẫn tác động đến mọi thứ và tạo ra ma sát.
Khi có thứ gì đó di chuyển ngang qua, không khí tạo ra lực cản và có lẽ đây là yếu tố khí động học quan trọng nhất mà chúng ta cần phân tích. Về mặt vật lý, chúng ta sẽ có, lực cản bằng:
Hệ số cản này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, một số trong số đó hình dạng của vật thể, độ nhám bề mặt và vận tốc. Ví dụ, một cục gạch xây nhà có hệ số cản rất khủng khiếp, bằng 1, trong khi một giọt nước mắt được đánh giá là thứ có tính khí động học cao, chỉ có hệ số cả gió ở mức 0.05. Khi bạn đang chạy xe bình thường ở vận tốc thấp, lúc này không có vấn đề gì cần quan tâm bởi lực cản lúc đó không nhiều, và ô tô có đủ sức mạnh để đẩy không khí, ngay khi chiếc xe đó có hình dáng như 1 cục gạch (G Class).
Trong giai đoạn đầu của ngành công nghiệp ô tô, các nhà sản xuất hầu như không cần phải cân nhắc đến hình dạng của xe, bởi vận tốc tối đa thời điểm này thường không quá 72 km/h. Trên thực tế, nếu Ford Model T có thiết kế khí động học hơn, nó có thể chạy hơn 80 km/h.
Hệ số cản gió
Cũng trong thời gian đó, có một nhóm người nhận ra vấn đề, đó là những tay đua xe. Họ nhanh chóng nhận thấy nếu xe có thiết kế dẹp về chiều cao và dài ra theo chiều ngang, nó sẽ đi được nhanh hơn. Bởi vì lực cản bằng bình phương của vận tốc, nói cách khác, lực cản tỷ lệ thuận với vận tốc. Thế nên nếu chạy càng nhanh, lực cản càng nhiều. Để chống lại lực cản, động cơ cần làm việc nhiều hơn để đẩy xe về phía trước.
Giờ tưởng tượng chúng ta có một cục gạch chuyển động trong không khí, nó hoàn toàn không có tính khí động học. Khi di chuyển, không khí bị dồn nén ở mặt trước, hình thành 1 vùng áp suất cao. Cùng lúc đó ở phía sau, một vùng áp suất thấp cũng sự được tạo thành, gây ra hiện tượng chênh lệch áp suất.
Khi điều này xảy ra, lúc này, không những có lực cản từ phía trước, mà còn có 1 lực khác có xu hướng kéo viên gạch này về phía sau. Tất cả những lực cản này đều góp phần để tạo nên một vấn đề chung, đó là tốc độ tối đa và khả năng tiết kiệm nhiên liệu của 1 chiếc xe. Ví dụ, hệ số cản của xe nếu giảm từ 0.3 xuống còn 0.25 có thể giúp cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu 1 khoảng 0,4 km/lít.
Với cách lập luận này, chúng ta có thể hình dung rằng một chiếc xe càng tiết kiệm nhiên liệu thì càng có tính khí động học. Tất nhiên, điều này đúng trong bối cảnh chúng ta đang bàn tới, chưa xét tới các yếu tố khác như dung tích động cơ và công suất này kia. Ngày nay, các nhà sản xuất ô tô đều cố gắng làm sao để xe của họ có hệ số cản thấp nhất. Hầu hết các mẫu ô tô hiện nay đều có hệ số cản nằm đâu đó giữa 0.25 và 0.35.
Tới đây, nhiều bạn sẽ nghĩ rằng chắc là xe đua F1 có hệ số cản thấp lắm với thiết kế cực kỳ khí động học. Bạn đã lầm. Hệ số cản của xe F1 thường là 0.7, bằng với một chiếc xe tải nhỏ. Xe F1 và hầu hết các xe đua khác đều được thiết kế để chống lại lực nâng. Lực kéo và độ bám cũng là yếu tố quan trọng không kém tốc độ và công suất. Giữ cho xe không bị lực nâng kéo bay khỏi mặt đất giúp cải thiện đáng kể độ bám. Và đè bánh xe xuống mặt đường bằng lực nén – downforce lại giúp cải thiện độ bám hơn nữa. Nếu không có lực nén này, khi đạt tới tốc độ hơn 160 km/h, xe đua F1 sẽ gặp hiện tượng lốp quay taị chỗ thay vì giúp xe hướng về phía trước.
Lực ép và lực nâng
Lực ép xuống mặt đường giúp khắc phục vấn đề này và giúp xe có thể tăng tốc, vào cua với tốc độ cực kỳ cao. Một chiếc xe nặng hơn cũng mang lại hiệu ứng tương tự, nhưng nó không thể nào tăng tốc hoặc hay vào cua tốt như một chiếc xe nhẹ. Vậy điều gì đã tạo ra lực nâng hoặc lực ép xuống? Cũng giống với câu chuyện của cục gạch lúc nãy, khi di chuyển với vận tốc cao, phía trước hình thành vùng áp suất cao, và phía sau hình thành vùng áp suất thấp. Trong khi đó, lực nâng được tạo ra bởi chính chênh lệch áp suất này của không khí nhưng là ở phía trên và phía dưới của thân xe.
Ví dụ, áp suất khí ở phía trên thấp hơn phía dưới xe một mức khoảng độ 1 PSI, với diện tích bề mặt khoảng 12.240 inch vuông (xấp xỉ 8 mét vuông), sẽ có khoảng 12.240 pound (tương đương 5552 kg) áp suất không khí nâng xe lên.
Đề có được lực hướng xuống theo mong muốn, người ta sẽ dựa vào 1 hiện tượng được gọi là Nguyên lý Bernoulli. Cơ bản, nguyên lý này cho rằng dòng chất lỏng chuyển động nhanh sẽ có áp suất thấp hơn dòng chất lỏng chuyển động chậm hơn. Một cái cánh gió được lắp ở đuôi xe giúp tạo ra lực hướng xuống khi dòng không khí di chuyển phía dưới nhanh hơn so với dòng khí di chuyển phía trên. Trong trường hợp này, chất lỏng mà Nguyên lý Bernoulli nhắc tới chính là không khí. Dòng khí ở trên cánh gió di chuyển chậm tạo ra nhiều áp lực hơn so với dòng khí nhanh ở dưới, kết quả là tạo ra lực nén xuống.
Hiệu ứng Coanda
Nhưng làm thể nào để chúng ta có thể khiến cho không khí di chuyển theo cách đó? Câu trả lời là tạo ra một cái cánh có hình dạng như kiểu cánh máy bay (air foil). Khi không khí thổi đến một bề mặt cong, nó sẽ đi theo hình dạng cong của bề mặt đó, một hiện tượng được gọi là Hiệu ứng Coanda. Tuỳ thuộc vào hướng lắp cánh gió, lực nâng hoặc lực nén sẽ được hình thành khi xe di chuyển. Luồng không khí cần di chuyển xa hơn sẽ tăng tốc độ và điều này gây ra sự mất cân bằng áp suất, từ đó đó hình thành nên lực nâng hoặc lực hướng xuống.
Và điều gì sẽ xảy ra nếu chiếc xe của bạn chỉ có một cánh lướt gió nhỏ ở phía sau? Rõ ràng, nó không phải chỉ thiết kế cho đẹp. Vì không khí phải đi theo một đường cong từ trần của ô tô di chuyển xuống dần về đuôi xe, dòng khí tạo ra sẽ rất nhanh và liên tục. Lúc này, một vùng áp thấp sẽ hình thành ở xung quanh đuôi xe. Cánh gió sẽ làm cản trở luồng khí này một chút, triệt tiêu bớt lực nâng. Bởi vì tác dụng phá hỏng dòng khí này, thế nên người ta mới đặt cho nó cái tên là “spoil-er” (spoil trong tiến Anh nghĩa là phá hỏng cái gì đó).
Cánh gió mang đến sự ổn định cho xe khi chạy ở tốc độ cao. Nhìn chiếc Audi TT, mẫu xe này từng bị một vấn đề đó là rất dễ mất kiểm soát khi xe chạy hơn 177 km/h. Và chỉ cần một cái spoil-er nhỏ, vấn đề được giải quyết. Giả sử bạn có một cái cánh gió lớn hơn, bạn có thể sẽ tạo ra được lực hướng xuống cho bánh sau, thế còn bánh trước thì sao? Quá nhiều lực nén từ phía sau có thể dẫn đến tình trạng understeer (thiếu lái) và chẳng ai muốn điều đó xảy ra cả. Để cân bằng với phía sau, người ta sẽ lắp thêm một cái gọi là splitter (bộ chia) ở phía trước để gia tăng lực ép cho bánh trước.
Đến đây thì có lẽ các bạn cũng đã biết được tính khí động học là cái gì, và sơ lược về tác dụng của những chiếc cánh gió mà bạn thường hay nhìn thấy trên những chiếc xe thể thao. Hẹn gặp lại các bạn trong các video khoa học về xe kỳ sau.
Tham khảo: LiveSci, NASA, Donut Media
