Khí động lực học ảnh hưởng như thế nào đối với chuyển động của ô tô?

(News.oto-hui.com) – Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, được nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley vào thập niên 1800. Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy khí, như vận tốc, áp suất, mật độ và nhiệt độ, như là các hàm của không gian và thời gian.

I. Các vấn đề về khí động lực học được chia ra làm nhiều loại:

1. Phân loại theo môi trường dòng chảy:

• Khí động học ngoại biên là ngành nghiên cứu dòng chảy xung quanh vật rắn. Môn này có các ứng dụng như tính toán lực nâng lên cánh máy bay, lực hãm tạo nên ở mũi tên lửa.
• Khí động học nội biên nghiên cứu về dòng khí qua các động cơ phản lực hay qua các ống của máy điều hòa.

2. Phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng chảy so với vận tốc âm thanh:

• Được xem là dưới âm tốc nếu các vận tốc đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh.
• Siêu thanh nếu vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh.
• Cực siêu thanh nếu vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh nhiều lần.

3. Phân loại theo tác dụng của độ nhớt dòng khí: 

Trong vài trường hợp, ảnh hưởng của độ nhớt được xem là không đáng kể, dòng chảy khí được coi là không có độ nhớt.

Khi hiểu được các tính chất này của chất khí, người ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực, các mômen lực lên hệ thống dòng chảy và các kết quả thực nghiệm này là nền tảng cho việc thiết kế máy bay, ô tô,…

Ô tô muốn chuyển động ổn định trên đường thì tối thiểu phải khắc phục được tổng tất cả các lực cản & momen tác dụng lên phương tiện trong quá trình chuyển động của nó: lực cản của đường (lực cản dốc và lực cản lăn), lực cản tăng tốc (lực quán tính), lực cản ma sát và lực cản không khí. Các lực cản đường, lực cản tăng tốc, lực cản ma sát dù ít hay nhiều đều phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của ô tô và các thành phần liên quan. Các momen như momen lật (M), momen quay dọc (N), momen quay ngang (R).

Hiệu quả khí động học của một chiếc xe được xác định bởi hệ số cản (Cd) :  hệ số cản là ảnh hưởng của hình dạng chiếc xe đối với sức cản của không khí khi xe chạy. Hệ số khí động học thấp nhất là đối với vật thể có dạng hình giọt nước với hệ số cản có giá trị 0.05. Những chiếc xe hiện đại thường có hệ số cản Cd vào khoảng 0.30.

Hệ số cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng của bề mặt vỏ và các góc cạnh của ô tô. Lực khí động ảnh hưởng lớn đến chất lượng động lực học, an toàn và độ ồn của ô tô trong quá trình chuyển động trên đường. Đối với vỏ xe có sự hạ thấp đột ngột phía sau sẽ tạo xoáy lốc cho dòng khí và làm tăng hệ số cản không khí, chẳng hạn dòng xe SUV sẽ có hệ số cản không khí lớn hơn dòng xe SEDAN.

Lực cản tỷ lệ với hệ số cản, diện tích mũi xe và bình phương vận tốc của phương tiện. Nghĩa là một chiếc xe hơi di chuyển với vận tốc 193km/h phải thắng một lực cản gấp bốn lần lực cản của chiếc xe đó khi di chuyển ở tốc độ 97km/giờ. Vì vậy, vận tốc tối đa của xe sẽ sản sinh ra lực cản tối đa.

Lực khí động là lực sinh ra bởi sự chênh lệch áp suất của các dòng chuyển động từ phía trước ra phía sau của vật thể do chênh lệch vận tốc hoặc lực tác động trực tiếp của dòng khí lên ô tô. Lực này tác động vào ô tô có phương bất kỳ phụ thuộc vào hướng gió. Thực tế qua nghiên cứu, thử nghiệm và kinh nghiệm cho thấy hình dáng của chim cánh cụt khi đang di chuyển trong dòng nước là hình dạng tối ưu nhất với hệ số cản khí động.

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lực khí động học tác động lên ô tô, người ta tách thành 3 thành phần chính:

• Lực nâng (Lift force): theo lý thuyết khí động học, khi xe chạy, luồng không khí phía trên mui xe di chuyển với quãng đường dài hơn luồng không khí phía bên dưới gầm xe, phía trước nhanh hơn phía sau nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau của dòng khí sẽ phát sinh chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng có phương vuông góc với bề mặt đường sẽ nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường của lốp.
• Lực cản (Drag force): Thành phần có phương song song với bề mặt đường di chuyển là lực cản không khí. Đây được coi là thành phần chính của lực khí động vì xe chuyển động theo phương này nên vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và xe là lớn nhất.
• Lực hông (Side force): sinh ra do dòng khí tác dụng vào bên hông thân xe, thường có lực nhỏ nhất.

Để cải thiện tính năng khí động học – giảm thiểu hệ số cản Cd, những nhà thiết kế xe hơi thường dùng các biện pháp sau đây để giảm bớt các lực cản chuyển động:

• Cánh gió đuôi xe: Nhiều người thắc mắc tại sao những chiếc xe hơi, đặc biệt là xe đua lại được thiết kế một chiếc cánh gió phía sau đuôi xe. Nhưng nó là bộ phận giúp luồng không khí trên mui xe thoát ra sau và sẽ không thể quay trở lại. Qua đó, giảm lực nâng và lực cản khi xe di chuyển.

• Cánh chia gió phía trước: Nhiệm vụ chính của cánh chia gió phía trước là biến đổi luồng gió dưới gầm xe hơi giảm bớt lực nâng của xe khi di chuyển.

• Lỗ thông khí: Nhờ có lỗ thông khí mà luồng không khí tiếp cận với xe sẽ được hướng đi qua 2 bên cạnh của xe. Nó sẽ giúp giảm cả lực cản khí động lực học.

• Gầm xe trơn: Những nhà sản xuất khi thiết kế chiếc xe có khí động học sẽ thiết kế gầm xe trơn, nó sẽ giảm bớt các lực cản do hệ thống truyền động như hộp số, các đăng, vi sai,… gây ra. Hơn nữa, nó còn giúp tăng vận tốc dòng khí bên dưới gầm xe, từ đó làm giảm lực nâng. Một lợi ích tương tự khi chúng ta hạ thấp chiều cao gầm xe.

• Bí quyết đến từ lốp xe: Điều này được Collin Chapman tìm ra một phương thức hoàn toàn mới đó là hiệu ứng mặt đường để tạo lực đẩy chiếc xe xuống mặt đường (down force) mà không làm ảnh hưởng đến lực cản. Ông đã tạo một đường dẫn không khí ở dưới đáy chiếc xe đua của mình. Đường dẫn không khí này khá hẹp ở phía trước và mở rộng dần về phía sau. Do gầm xe gần sát mặt đường, sự kết hợp giữa đường dẫn không khí và mặt đường tạo thành một đường hầm gần như đóng kín. Khi chiếc xe đang chạy, không khí vào đường hầm từ phía mũi rồi thoát thẳng ra phía sau khiến áp suất không khí giảm dần về phía đuôi xe và như vậy sẽ phát sinh lực down force.

Từ đó đến nay, ngành công nghiệp xe hơi đã tiến 1 bước rất dài. Tất cả các kiểu xe ngày nay điều chú trọng đến khí động lực học, điều đó đã khiến cho xe vận hành ổn định hơn và cải thiện tính tiêu hao ít nhiên liệu. Khí động lực học là một yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất xe đua, nó là yếu tố kiên quyết giúp phá vỡ các giới hạn về tốc độ.

---

Bài viết liên quan:

• Thiết kế khí động học trên ô tô, xuất phát từ đâu?
• Hệ thống khí động học Porsche Active Aerodynamics của siêu xe 911 Turbo S 2021 có gì đặc biệt?
• Khám phá khí động lực học siêu xe Ferrari 488 GTB