(News.oto-hui.com) – Giải đua xe F1 có lẽ chính là môn thể thao nguy hiểm bật nhất hành tinh. Bên cạnh đó, những chiếc xe đua F1 cũng được xem là những cổ máy vĩ đại. Khi nói đến các cuộc đua F1, người ta sẽ nghĩ ngay đến những thông số kỹ thuật. Trong đó, lực Downforce là thứ mà người ta đặc biệt quan tâm, tính toán cũng như điều chỉnh sau mỗi cuộc đua.
I. Lực Downforce là lực gì?
Lực Downforce có thể hiểu nôm na là lực ép xuống mặt đường. Trọng lượng của chiếc xe, tốc độ của xe, tốc độ của gió và những thứ khác tổng hợp lại sẽ tạo ra một lực từ xe tác động trực tiếp lên mặt đường, và đó chính là Downforce.
Bên cạnh đó, Downforce là một lực khí động học theo chiều từ trên xuống dưới chỉ xuất hiện khi một vật thể chuyển động trong dòng không khí (hoặc khi không khí thổi vào vật thể).
Như vậy khi vật thể không chuyển động (so với không khí) thì sẽ không có lực downforce. Lực downforce lớn hay nhỏ sẽ phụ thuộc vào hình dạng và ‘tư thế’ của vật thể.
Lực Downforce góp phần làm cho bốn bánh xe đua F1 có thể bám đường tốt hơn, từ đó khả năng di chuyển ra vào cua hay tăng tốc của các tay đua cũng sẽ tốt hơn.
II. Lực Downforce trong xe đua F1 được tạo ra như thế nào?
1. Hình dạng khí động học:
Các nhà khoa học đã phát hiện ra những vật thể có hình dạng khí động học (airfoil) sẽ tạo ra lực Downforce cao hơn các vật thể có hình dạng khác.
Trong môn đua xe, thân xe, cánh trước, cánh sau v.v… là các vật thể có hình dạng khí động học. Chúng sẽ tạo ra mức downforce khác nhau. Nhiệm vụ của các kỹ sư là tìm được độ cân bằng lực downforce tổng thể.
Ngoài ra, trong môn đua xe còn có quy định là những bộ phận khí động học thì không được phép chuyển động (nghĩa là những bộ phận này không được quay hoặc thay đổi vị trí so với chiếc xe). Những ngoại lệ như hệ thống giảm thiểu lực cản như Drag Reduction System (được phép bật lên bật xuống) phải có sự cho phép của luật.
2. Tư thế khí động học:
Khi di chuyển trong dòng không khí để có downforce thì vật thể có tư thế nghêng xuống so với hướng chuyển động. Nếu vật thể nghiêng lên thì sẽ bị không khí hất tung lên trời. Lực khí động học lúc này gọi là lực lift (lực nâng)-được áp dụng trong công nghiệp hàng không.
Góc nghiêng của vật thể so với mặt đường được gọi là góc tấn (attack angle). Các kỹ sư sẽ điều chỉnh góc tấn này để điều chỉnh downforce của xe.
3. Có loại lực khí động học nào khác?
Lực cản không khí (drag) theo chiều ngang, ngược hướng với chuyển động là một loại lực khí động học khác. Nó chỉ xuất hiện khi chiếc xe chuyển động.
4. Còn lực nào không phải là lực khí động học?
Đó là các lực cơ bản:
- P: Trọng lực của xe (hướng xuống)
- N: Phản lực (hướng lên)
- F: Lực kéo (lực động cơ, để làm cho chiếc xe chuyển động)
- Fms: Lực ma sát (ngược chiều với lực kéo, làm chậm chuyển động)
5. Lực Downforce được tạo ra như thế nào?
Có hai nguyên lý thường được sử dụng để giải thích sự xuất hiện của lực Downforce. Đó là nguyên lý Bernoulli và định luật Newton.
a. Giải thích bằng nguyên lý Bernoulli:
Trước khi tiếp xúc với vật thể khí động học thì không khí có áp suất bằng nhau ở mọi điểm.
Sau khi gặp vật thể, không khí bị tách ra hai đường, mặt trên và mặt dưới. Không khí ở mặt dưới do bị nén lại nên chúng di chuyển nhanh hơn không khí mặt trên (trong cuộc sống chúng ta cũng ứng dụng hiện tượng này mỗi khi sử dụng vòi phun nước, để phun nước mạnh hơn thì chúng ta thường dùng tay ép miệng vòi lại). Do đó áp suất mặt dưới sẽ thấp hơn áp suất ở mặt trên.
Chênh lệch áp suất này tạo ra một lực hướng từ trên (áp suất cao) xuống dưới (áp suất thấp)- chính là lực downforce.
b. Giải thích bằng định luật Newton:
Với một vật thể khí động học có góc tấn như vậy di chuyển trong dòng không khí thì nó sẽ tác động một lực vào các phân tử không khí, đẩy không khí chuyển động hướng lên phía trên.
Theo định luật 3 Newton về lực và phản lực, không khí cũng sẽ tác dụng một lực ngược lại vào vật thể. Đây chính lực downforce.
6. Công thức tính lực Downforce tác dụng lên cánh gió:
D=(1/2)*W*H*F*p*(v^2)
Với:
- D: là downforce
- W: chiều rộng của cánh
- H: chiều cao của cánh
- F: hệ số nâng (phụ thuộc vị trí của cánh, nó nghiêng bao nhiêu so với mặt đường)
- p: mật độ không khí (không khí loãng hay đậm đặc)
- v: tốc độ của vật thể trong dòng không khí
III. Các bộ phận góp phần tạo nên lực Downforce trong xe đua F1:
Nếu ở những phương tiện giao thông hằng ngày mà chúng ta thường sử dụng, lực Downforce quan trọng chỉ một thì ở giải đua F1 nó quan trọng gấp nhiều lần. Tất cả các hãng đua đều có riêng cho mình một đội ngũ kĩ sư khí động học (thường gọi là đội aerodynamics engineer). Nhiệm vụ của họ tất nhiên là sẽ nghiên cứu các bộ phận trên xe sao cho chúng tạo ra lực Downforce lớn nhất.
Và sau đây là những bộ phận góp phần tạo nên lực Downforce lớn nhất:
1. Front Wing (Cánh gió trước):
Hãy tưởng tượng, khi chiếc xe đua tăng tốc trên đường thẳng, vận tốc có thể đạt 300km/h, khi ấy nếu phần khí động học ở cánh trước không tốt, có thể dẫn đến tình trạng ”bốc đầu”, gây ra tai nạn. Đó là lý do vì sao cánh gió trước là nơi tạo ra nhiều lực Downforce nhất trên chiếc xe đua F1. Tại đây khi xe tăng tốc, vận tốc của xe càng cao thì lực tác động lên cánh gió càng nhiều, từ đó tạo ra lực downforce càng nhiều.
Các đội đua thường sẽ nghiên cứu và phát triển phần cánh gió trước của xe nhiều hơn. Vì như thế sẽ có lợi về mặt kinh tế nhất.
Bên cạnh việc tạo ra downforce, cánh gió trước còn có thể hướng luồng gió đi vào bên trong các bộ phận khác của xe, giúp làm mát các bộ phận ấy. Do đó, việc làm này sẽ tối đa được ưu thế mà lực cản của gió tạo ra.
Nguyên lí hoạt động của khí động học trên đại đa số các xe đua F1 là luồng không khí sau khi đi qua cánh gió trước, sẽ được dẫn sang hai bên bánh xe phía trước, làm giảm lực cản đối với xe. Phần không khí còn lại sẽ chạy dọc theo thân xe, đi qua gầm xe, và sau cùng thoát ra khỏi ở bộ phận khuếch tán phía sau đuôi xe.
Nếu chẳng may một xe của đội có sự cố ở cánh gió trước. Họ sẽ phải dừng pitstop để thay thế. Nếu tiếc thời gian và không thay thế sửa chữa, cái giá mà họ phải trả có thể rất lớn.
2. Bargeboard (tấm khí động):
Ngay phía sau của cánh gió trước chính là các tấm khí động. Bargeboard có nhiệm vụ sẽ dẫn luồng không khí còn lại (sau khi đi vào hai bánh trước còn dư) chạy dọc theo hai bên thân xe. Từ đó làm tối ưu hóa khả năng sử dụng dòng không khí của sàn xe và đuôi gió sau của xe.
3. Floor (Sàn xe):
Bộ phận sàn xe cũng là một phần quan trọng trong khí động học. Các đội đua luôn đảm bảo rằng thân xe sẽ phải nhỏ gọn nhất có thể khi hướng về phía trọng tâm của xe. Điều này được lý giải khi sàn xe càng thấp, việc tiếp xúc với dòng không khí sẽ tạo ra hiệu ứng mặt đất, từ đó làm xuất hiện lực Downforce.
4. Diffuser (Bộ khuếch tán):
Không khí khi đi vào xe sẽ di chuyển từ nơi có áp suất cao, đến nơi có áp suất thấp. Bộ khuếch tán dựa vào hiệu ứng Venturi để làm cho luồng không khí sẽ đi từ cánh gió trước (áp suất cao) ra đuôi gió sau (áp suất thấp). Sự chênh lệch áp suất này sẽ tạo ra lực downforce hay nói cách khác là xe bám đường tốt hơn.
5. Rear wing (Đuôi gió):
Đuôi gió hay cánh gió sau có nhiệm vụ tạo ra downforce ”đè” lên hai bánh sau làm xe bám đường tốt hơn. Nhưng công nghệ của các hãng đã có thể thay đổi kích thước cũng như có thể chuyển động đuôi gió, nhằm tối đa khả năng tạo ra lực downforce và hỗ trợ bộ khuếch tán.
Khi đuôi gió có thể thay đổi kích thước hoặc chuyển động, nó sẽ được gọi là hệ thống giảm thiểu lực cản (Drag Reduction System). Các tay đua có thể điều chỉnh nó ngay trong buồng lái hoặc nó sẽ tự điều chỉnh thông qua các cảm biến. Theo thống kê cho thấy, việc thay đổi kích thước cũng như chuyển động của đuôi gió sẽ mang lại lợi thế từ 4-5 km/h.
IV. Tổng kết về lực Downforce trong xe đua F1:
1. Lợi ích khi có lực Downforce lớn?
Một chiếc xe có lực downforce cao sẽ có độ bám đường tốt hơn, nhờ đó khi ôm cua xe sẽ không bị văng khỏi góc cua, chiếc xe sẽ ôm cua tốt hơn, tốc độ cua sẽ cao hơn.
Với xe MotoGP, tăng downforce ở thân trước (dùng fairing) còn giúp giảm hiện tượng bốc đầu mỗi khi tăng tốc.
2. Tác hại khi lực Downforce quá lớn?
Lực Downforce quá lớn làm chiếc xe bị chậm lại trên đường thẳng. Do đó, tùy theo kiểu đường đua mà các kỹ sư mỗi đội đua sẽ thiết lập lực downforce phù hợp cho mỗi chiếc xe.
- Ở các đường đua ít góc cua như Monza, Redbullring thì cần downforce thấp, để tăng tốc độ trên các đoạn thẳng, có thể hi sinh một chút ở các góc cua.
- Ở các trường đua như Monaco, Singapore có nhiều góc cua, nhiều bức tường thì cần downforce cao. Để vào cua tốt, không bị văng ra khỏi góc cua kẻo bị tông rào.
3. Tại sao có trường hợp mất lực Downforce?
Do chiếc xe F1 ngày càng được tối ưu lực downforce, nên khi gặp tình trạng mất downforce. Ví dụ như khi phải chạy sau xe khác hoặc khi gặp gió mạnh (đặc biệt là gió cùng chiều với xe) hoặc khi bị hư hỏng một bộ phận khí động học nào đó thì các tay đua sẽ rất vất vả để có thể điều khiển chiếc xe.
Bài viết liên quan:
- Quan niệm số 13 trong F1: Mê tín hay không?
- Xe an toàn có nhiệm vụ gì trong giải đua Công thức F1?
- Những điều cần biết về: Sự phát triển của động cơ xe đua F1
- Khí động lực học ảnh hưởng như thế nào đối với chuyển động của ô tô?
