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. Về cơ bản, khí động học là nghiên cứu về cách không khí tương tác với các vật chuyển động. Bởi vì không khí có khối lượng riêng, cho nên bất cứ thứ gì di chuyển qua nó sẽ gặp phải lực cản và cuối cùng sẽ mất năng lượng và tốc độ. Mặt khác, không khí di chuyển bên dưới vật thể có thể tạo ra lực đẩy (còn gọi là lực nâng) và điều này giữ cho máy bay bay lên cao. Các nếp gấp, hình dạng đối xứng và thiết kế cánh gọn gàng sẽ giảm thiểu lực cản, tối đa hóa lực nâng và đưa máy bay đến mục tiêu an toàn.
Khí động học ô tô đơn giản là nghiên cứu về tác động của luồng không khí chảy xung quanh xe. Luồng không khí càng mượt mà, lực cản càng thấp thì hiệu quả nhiên liệu càng cao và bạn đốt cháy ít nhiên liệu hơn ở một tốc độ cụ thể.
Lực cản khí động học đến từ nhiều nguồn khác nhau.’Ma sát bề mặt’ được tạo ra khi luồng không khí đi qua một bề mặt, và là một hiện tượng thực tế và mặc dù nó có thể không đáng kể bằng các yếu tố khác như sự hỗn loạn và chênh lệch áp suất, nhưng tất cả đều cộng lại thành lực cản khí động học.
Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất ô tô rất quan tâm đến việc phát triển hiệu quả khí động học cho xe của họ, bởi vì điều đó có nghĩa là họ có thể đạt được con số tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn và bán được nhiều xe hơn. Và điều này cũng rẻ hơn rất nhiều để các nhà sản xuất cải thiện hiệu quả bằng khí động học so với tiết kiệm trọng lượng hoặc các công nghệ động cơ đắt tiền.
Tại sao khí động học lại quan trọng đối chiếc xe của bạn
Ở tốc độ cao, lực cản và lực nâng do dòng chảy không khí này có thể làm cho ô tô hoạt động theo những cách thất thường – không hoàn toàn lý tưởng cho việc lái xe trên đường cao tốc. Tối ưu hóa khí động học của ô tô cũng sẽ:
- Giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu.
- Tối đa hóa sự ổn định của nó.
- Giảm âm thanh ồn bên trong xe.
- Đảm bảo rằng bụi bẩn trên đường không bị dính vào xe của bạn theo những cách kỳ lạ.
Tất nhiên, khí động học không phải là mục tiêu duy nhất của các nhà thiết kế xe hơi. Sự thoải mái của hành khách và quản lý nhiệt cho động cơ của xe (không khí giúp làm mát) là hai yếu tố quan trọng được xem xét đóng vai trò là đối trọng chống lại hiệu quả khí động học thuần túy. Gary Elfstrom, nhà khí động học tại ACE Climatic Wind Tunnel ở Oshawa, Ontario, cho biết: “Tất cả những yếu tố này phải được giải quyết cùng một lúc… Đó là sự cân bằng và khí động học là thứ gắn kết tất cả lại với nhau”.
Hệ số cản và ý nghĩa của nó
Cd là viết tắt của Coefficient of drag (hay Car Drag Coefficient) nghĩa là hệ số cản và đó là con số mà các nhà sản xuất ô tô công bố để cho bạn biết phương tiện của họ hiệu quả như thế nào. Đó là thước đo mức độ “trơn trượt” của xe khi di chuyển trong không khí.
Tuy nhiên, hệ số cản không thực sự cho bạn biết lực cản khí động học mà chiếc xe đó tạo ra – ít nhất là không trực tiếp.
Lực cản khí động học = Diện tích cản của xe (diện tích phía trước) x hệ số cản (Cd) x Mật độ không khí x Bình phương tốc độ
Diện tích cản của xe (diện tích phía trước): điều này chủ yếu phụ thuộc vào hạng và loại xe, kích thước, kiểu thiết kế… của xe.
Hai chiếc xe có thể có cùng giá trị Cd, nhưng chiếc saloon sang trọng sẽ tạo ra lực cản khí động học lớn hơn một chiếc xe mini.
Mật độ không khí: bạn không thể thay đổi điều này, tùy thuộc vào nơi bạn đi.
Bình phương tốc độ: đây là cái thú vị, nó thực sự có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động học của ô tô.
Tốc độ xe đốt cháy nhiên liệu
Hãy thử đẩy một chiếc xe và bạn sẽ nhanh chóng nhận ra rằng lực ma sát và lực cản lăn của lốp xe đốt cháy rất nhiều năng lượng. Và bạn sẽ thấy rằng việc đẩy chiếc xe với tốc độ 5km/h là một điều hết sức khó khăn. Vậy, khi chiếc xe chạy với tốc độ 50km/h, nó cần đốt cháy bao nhiêu nhiên liệu để sinh ra năng lượng đó.
Ở tốc độ đô thị, lực ma sát và lực cản lăn chịu trách nhiệm cho phần lớn nhiên liệu bị đốt cháy và lực cản khí động học không phải là một yếu tố lớn. Nhưng các lực cản này là tuyến tính.
Bạn sẽ thấy lực cản khí động học là khác nhau, nó tăng tỷ lệ với bình phương tốc độ. Điều này có nghĩa là ở tốc độ trên đường cao tốc, lực cản ma sát không còn nguyên nhân chính của tiêu hao nhiên liệu nữa – lực cản khí động học giờ đây sẽ chiếm hơn một nửa lượng nhiên liệu bạn đang sử dụng, hoặc thậm chí nhiều hơn. Bạn càng đi nhanh, bạn càng sử dụng nhiều nhiên liệu để đẩy xe của bạn trong dòng không khí.
Thử nghiệm khí động học như thế nào
Có rất nhiều phương pháp thử/kiểm tra khí động lực học ô tô, có thể sử dụng phần mềm mô phỏng mô hình thử nghiệm trên máy tính. Nhưng tất cả, các nhà sản xuất ô tô đều thử nghiệm theo một cách rất là xưa cũ: thử và sai. Về cơ bản, họ đưa những chiếc ô tô trong một đường hầm gió khổng lồ, thổi chúng bằng không khí mang màu sắc và quan sát điều gì xảy ra.
Elfstrom nói: “Khói cho bạn cái nhìn nhanh về bất kỳ vấn đề nào trên bề mặt xe đang tạo ra dòng chảy riêng biệt – và nó trông cũng rất ngầu”. “Bất cứ nơi nào có dòng chảy riêng biệt, điều gì đó có thể làm tăng lực cản.”
Không khí hoạt động khác nhau tùy thuộc vào điều kiện thời tiết, vì vậy ACE Wind Tunnel (Đường hầm gió ACE là một trong những đường hầm lớn nhất thế giới) cũng cung cấp các bài kiểm tra độ bền tạo ra các điều kiện khí hậu như mưa băng giá.
Điều gì tạo nên một chiếc xe khí động học?
Để tối đa hóa hiệu quả khí động học, hãy chọn một chiếc xe có hình dáng hợp lý, diện tích mặt trước thấp và các khe hở tối thiểu trên thân xe. Nhưng hãy nhớ rằng, nếu bạn chỉ đang cố gắng tiết kiệm tiền xăng và không phá vỡ rào cản âm thanh, thì ngoại thất khí động học không phải là sự cân nhắc duy nhất của bạn. Việc tối ưu hóa khí động học xe sẽ mâu thuẫn với nhiều yêu cầu kỹ thuật khác của xe.
Dưới đây là các phương pháp tối ưu hóa khí động lực học ô tô:
- Các cạnh được làm tròn ở phía trước xe. Bởi vì các góc và cạnh sắc nhọn sẽ làm tăng sự nhiễu loạn và lực cản, các cạnh nhẵn làm giảm nó.
- Các lỗ lưới tản nhiệt được tối ưu hóa để giảm nhiễu loạn cả bên ngoài xe và dưới mui xe – một số nhà sản xuất thậm chí đã thử nghiệm với các thanh lưới tản có thể điều chỉnh.
- Hình dạng bánh xe khí động học – mẫu xe ý tưởng bán tải Ford Atlas 2013 có cửa chớp bánh xe chủ động đóng lại ở tốc độ cao hơn để bịt kín các khoảng trống giữa các chấu (nan hoa) và giảm nhiễu động.
- Tạo các tấm hướng gió, làm lệch hướng dòng khí động phía trước cho lốp xe.
- Gương và giá gắn bên ngoài được tạo hình cẩn thận.
- Các kênh dẫn nước được tối ưu hóa về mặt khí động học trên trụ A.
- Đập khí (tấm ngăn khí Air dam) để giảm lực cản dưới gầm xe.
- Các viền bên để kiểm soát luồng không khí dưới gầm xe.
- Cánh hướng gió phía sau để giảm lực nâng.
- Góc cửa sổ phía sau được tính toán cẩn thận.
- Bộ khuếch tán phía sau để kiểm soát không khí thoát ra bên dưới xe.
- Tạo các máng bụng dưới xe để luồng không khí chảy êm dịu dưới gầm xe
Các nhà sản xuất cũng đã thử nghiệm các bộ điều khiển khí động học ‘tích cực’ hoạt động khi tốc độ tăng lên, bao gồm hạ thấp các đập ngăn khí, cửa sổ bật lên phía sau và hạ độ cao của xe.
