Khí động học của ôtô
Nguồn:oto‐hui.com
Chắc rằng trong chúng ta, ai cũng đã có dịp ngắm nhìn những
chiếc xe đủ kiểu dáng, đủ màu sắc chen chúc trong “dòng sông
ôtô” khi đường tắc hoặc thấy chúng bám đuôi nhau lao vun vút
trên đường cao tốc. 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.

Theo lý thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải kh
ắc phục nhiều
loại lực cản: lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực
cản của gió khi xe lao như bay về phía trước.

Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp.
Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe. Lực ma sát
liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn. Còn lực
cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe.
Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất được đề cập trong bài này.

Lực cản khí động học

Hiệu quả khí động học của một chiếc xe được xác định bởi hệ số cản
(Cd) của nó. Nói một cách đơn giản, hệ số cản là ảnh hưởng c
ủa hình
dạng chiếc xe đối với sức cản của không khí khi xe chạy. Theo lý
thuyết, một mặt cầu kim loại có Cd bằng 1.0, nhưng nếu tính đến hiệu
ứng nhiễu loạn của không khí phía sau nó thì giá trị đó xấp xỉ 1.2. Hệ
số khí động học thấp nhất là đối với vật thể có dạng hình giọt nước. Hệ
số cản có giá trị 0.05. Tuy nhiên chúng ta khó có thể chế tạo một chiế
c
xe giống như thế. Những chiếc xe hiện đại thường có hệ số cản Cd vào

cản.

Nếu góc của mui xe phía sau càng dựng đứng, thì luồng không khí sẽ
thay đổi càng đột ngột gây ảnh hưởng rất xấu tới sự ổn định ở tốc độ
cao. Vào thời kỳ mới phát triển, các nhà sản xuất ôtô chưa hiểu sâu
sắc về vấn đề này nên đã chế tạo ra m
ột vài loại xe kiểu đó.

Lực nâng: 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 xe lên làm giảm sức bám mặt
đường của lốp.

Cũng như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện tích mặt sàn xe, với bình
phương vận tố
c và hệ số nâng (Cl) – hệ số này phụ thuộc hình dạng
của xe. Ở tốc độ cao, lực nâng có thể tăng quá mức và gây ảnh hưởng
rất xấu đến sự chuyển động của xe. Lực nâng tập trung chủ yếu ở phía
sau, nếu lực nâng quá lớn, các bánh xe phía sau sẽ bị trượt, và như
vậy rất nguy hiểm, nhất là khi xe chạy ở tốc độ cao hơn 200km/giờ.

Vì vậy, việc cùng một lúc đạt được hệ số cản và hệ số nâng tối ưu là
rất khó khăn. Tuy nhiên, người ta đã nghiên cứu rất công phu và đã
tìm ra một số giải pháp tối ưu để giảm lực cản và lực nâng xuống mức
thấp nhất

Những biện pháp cải thiện tính năng khí động học



Luồng không khí ở phía dưới sàn xe luôn là điều không mong muốn. Có
nhiều bộ phận như động cơ, hộp số, trục lái và vài bộ phận khác phơi
trần dưới đáy xe. Chúng sẽ ngăn cản luồng không khí, đó không chỉ là
nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn làm tăng lực cản mà nó còn làm
chậm luồng không khí và tăng lực nâng theo nguyên lý Bernoulli.

Cánh gầm và cánh cản ngang được sử dụng
để giảm luồng không khí
bên dưới bằng cách hướng không khí đi qua những mặt bên cạnh của
xe. Kết quả là chúng làm giảm bớt lực cản và lực nâng do luồng không
khí phía dưới sinh ra. Nói chung, cánh cản ngang càng thấp thì hiệu
quả càng cao. Chính vì thế mà bạn nhìn thấy những chiếc xe đua có
cánh gầm và cánh cản ngang gần sát với mặt đường. Tất nhiên với
những chiếc xe phổ thông thì không thể làm như vậy.

Gầm xe trơn nhẵn:
Chúng ta cũng có thể giảm bớt ảnh hưởng của
luồng không khí phía dưới bằng cách làm cho gầm xe trở lên trơn nhẵn
để tránh được sự nhiễu loạn và lực nâng.

Hiệu ứng mặt đường: Đối với các kỹ sư chế tạo xe đua, cánh đuôi có
thể là một giải pháp tốt để giảm lực nâng, nhưng vẫn chưa phải là
những cái mà họ thực sự mong muố
n. Một chiếc xe đua Công thức 1
lao vút đi trong khoảng 4 giây sau khi tăng tốc, điều đó đòi hỏi lực nén
phải giữ cho những bánh xe bám chặt xuống đường. Lắp một chiếc
cánh với góc độ lớn có thể đáp ứng được yêu cầu này, song nó lại làm
tăng hệ số cản.


Model
Cd

Ford Probe V (1986)
0.137

GM EV1 (1996)
0.19

Mercedes-Benz C111-III (1978)
0.195

Opel Calibra (1989)
0.26

Mercedes E230 (1996)
0.27

VW Passat (1997)
0.27

Lexus LS400 (1997)
0.27

BMW 318i (1998)
0.27
