Đường hầm gió là gì: kỹ sư thử mô hình xe bằng sợi len và vệt khói

Đường hầm gió là một ống hoặc buồng lớn, trong đó quạt thổi một luồng gió đều và mạnh qua một vật đứng yên — xe, máy bay, tòa nhà hay mô hình thu nhỏ của chúng. Kỹ sư đo lực gió đẩy lên vật và quan sát dòng khí chảy quanh nó bằng khói, sợi len hoặc sơn. Nhờ đó họ sửa được hình dạng trước khi đóng chiếc xe thật. Em có thể làm một phiên bản đơn giản bằng thùng bìa và quạt bàn.

Ý tưởng cốt lõi: cho gió chạy thay xe

Muốn biết không khí tác động lên một chiếc xe đang chạy 100 km/h thế nào, cách khó là gắn dụng cụ đo lên xe và cho xe chạy thật. Gió ngoài trời thổi lung tung, mặt đường gồ ghề, mỗi lần chạy một khác. Cách dễ hơn nhiều: giữ xe đứng yên và thổi gió vào nó với tốc độ 100 km/h. Đối với không khí, hai trường hợp này như nhau, vì điều quan trọng chỉ là tốc độ của gió so với xe. Trong đường hầm, mọi thứ khác đều kiểm soát được: tốc độ gió, nhiệt độ, hướng gió, và có thể lặp lại y hệt bao nhiêu lần cũng được.

Anh em nhà Wright và chiếc hộp gió tự chế

Đường hầm gió đã có từ thế kỷ 19, nhưng câu chuyện nổi tiếng nhất thuộc về anh em Wilbur và Orville Wright, hai người thợ sửa xe đạp ở bang Ohio, nước Mỹ. Năm 1901, sau khi những chiếc tàu lượn của họ bay kém hơn hẳn so với các bảng số liệu của người đi trước, hai anh em quyết định tự đo. Họ đóng một đường hầm gió bằng gỗ dài khoảng 1,8 mét, chạy quạt bằng động cơ của xưởng, rồi thử khoảng 200 mẫu cánh nhỏ làm bằng kim loại mỏng.

Kết quả cho thấy nhiều số liệu cũ không đúng. Với số liệu tự đo, họ thiết kế lại cánh và cánh quạt. Tháng 12 năm 1903, máy bay có động cơ của họ cất cánh ở Kitty Hawk. Bài học đáng nhớ: khi số liệu có sẵn không khớp với thực tế, hãy tự làm thí nghiệm để kiểm tra.

Một đường hầm gió gồm những phần nào

Phần	Việc của nó
Quạt lớn	Tạo luồng gió, thường đặt ở phía sau để hút gió qua thay vì thổi thẳng, cho dòng khí êm hơn
Tổ ong nắn dòng	Một tấm có rất nhiều ống nhỏ song song, ép gió đi thẳng hàng, bỏ bớt xoáy
Đoạn thu hẹp	Ống thắt dần lại làm gió tăng tốc và đều hơn trước khi tới vật thử
Buồng thử	Nơi đặt vật, thường có vách kính để quan sát và chụp ảnh
Cân khí động	Bộ cảm biến giữ vật, đo lực cản, lực nâng hay lực ép mà gió gây ra
Đoạn mở rộng	Ống loe dần cho gió chậm lại trước khi tới quạt, tiết kiệm năng lượng

Đường hầm gió thử ô tô thường còn có sàn chạy: một băng chuyền lớn dưới bánh xe chạy cùng tốc độ với gió. Nếu sàn đứng yên trong khi gió thổi, lớp không khí sát sàn bị chậm lại, khác với ngoài đời khi mặt đường "đứng yên" còn xe lao tới. Với xe đua thấp sát đất, chi tiết này rất quan trọng.

Làm sao nhìn thấy được không khí

Không khí trong suốt, nên kỹ sư phải tìm cách "tô màu" cho nó:

• Vệt khói: một hàng ống nhỏ nhả khói mỏng vào luồng gió. Các sợi khói vẽ ra đường đi của không khí quanh vật: chỗ nào trơn tru thì sợi khói song song, chỗ nào dòng khí bứt khỏi bề mặt thì khói cuộn xoáy rối tung.
• Sợi len dán: dán nhiều đoạn len ngắn lên bề mặt xe. Ở nơi dòng khí bám êm, sợi len nằm im xuôi theo gió. Ở nơi dòng khí rối hoặc chảy ngược, sợi len rung loạn hoặc dựng ngược lên.
• Sơn dạng dầu loãng: phết lên bề mặt, gió thổi sẽ kéo sơn thành vệt theo hướng dòng khí sát bề mặt, để lại "bản đồ" khi tắt gió.

Mô hình nhỏ có giống xe thật không

Không phải lúc nào cũng có đường hầm đủ to cho xe thật, và mô hình thì rẻ, dễ sửa. Nhưng thu nhỏ có một cái bẫy: không khí không "thu nhỏ" theo. Một mô hình nhỏ bằng nửa xe thật, đặt trong gió cùng tốc độ, sẽ không có dòng khí giống hệt xe thật. Các nhà khoa học dùng những con số không có đơn vị, nổi tiếng nhất là số Reynolds, để biết khi nào mô hình và vật thật có dòng khí "giống nhau". Muốn mô hình nhỏ cho kết quả giống xe thật, thường phải thổi gió nhanh hơn, hoặc chấp nhận một mức sai lệch và hiệu chỉnh bằng tính toán.

Vì vậy nhiều đội đua và hãng xe dùng mô hình cỡ khoảng một nửa hoặc ba phần năm xe thật để thử hằng ngày, rồi kiểm tra lại bằng xe thật trên đường thử.

Máy tính có thay được đường hầm gió không

Ngày nay, kỹ sư còn dùng máy tính mô phỏng dòng khí, gọi là động lực học chất lưu tính toán (viết tắt CFD). Máy tính chia không gian quanh xe thành hàng triệu ô nhỏ và tính dòng khí chảy qua từng ô. Cách này cho thấy những chỗ mà khói và sợi len không với tới được, và thử được hàng trăm biến thể mà không phải làm mô hình.

Nhưng máy tính chỉ đúng khi mô hình toán của nó đúng. Vì thế các đội vẫn dùng cả ba: máy tính để thử nhanh nhiều ý tưởng, đường hầm gió để kiểm tra những ý tưởng tốt nhất, và đường thử thật để xác nhận lần cuối. Ở giải Công thức 1, luật còn giới hạn số giờ mỗi đội được dùng đường hầm gió và máy tính, để đội nhiều tiền không thắng chỉ nhờ thử nhiều hơn.

Thử làm: đường hầm gió mini bằng thùng bìa

Phiên bản này không đo được lực chính xác, nhưng cho em nhìn thấy dòng khí và so sánh các hình dạng. Phần cắt bìa bằng dao rọc giấy và lắp quạt nên để người lớn làm.

1. Thân hầm: một thùng bìa dài, ví dụ thùng đựng giấy A4, bỏ hai đầu. Khoét một cửa sổ ở mặt bên và dán màng bọc thực phẩm căng lên để nhìn vào.
2. Bộ nắn dòng: bó thật nhiều ống hút cắt ngắn bằng nhau (khoảng 5 cm) cho thật khít, dán vào một đầu thùng. Đây là "tổ ong" của em.
3. Quạt: đặt quạt bàn có lồng chắc chắn ở phía đầu có ống hút, cách khoảng 20 cm, chạy số nhỏ. Không thò tay vào lồng quạt.
4. Vật thử: gắn mô hình (khối xốp, xe đồ chơi, hộp nhỏ) lên một que đứng giữa buồng thử, cố định bằng đất nặn.
5. Sợi len: dán các đoạn chỉ len dài 2–3 cm lên mặt trên và mặt sau của vật thử bằng băng dính nhỏ.
6. Thêm sợi chỉ dò: buộc một sợi chỉ len dài vào đầu que xiên, đưa qua một lỗ nhỏ trên nóc thùng để "rà" quanh vật.

Thử nghiệm so sánh

• Đặt một khối hộp vuông cạnh, quan sát sợi len ở mặt sau: chúng có rung loạn không?
• Dán thêm một "đuôi" thon bằng giấy cuộn hình nón phía sau khối hộp. Sợi len ở đó có êm hơn không?
• Bo tròn mũi bằng đất nặn. Sợi chỉ dò ở mép trước có thay đổi không?

Ghi chép bằng hình vẽ hoặc chụp ảnh qua cửa sổ màng bọc. Một vùng sợi len rung loạn là dấu hiệu dòng khí bứt khỏi bề mặt — chỗ sinh ra phần lớn sức cản.

Lưu ý: không dùng nhang, nến hay bất cứ thứ gì có lửa để làm khói trong thùng bìa. Sợi len là đủ để nhìn thấy dòng khí một cách an toàn.

Câu hỏi thường gặp

Đường hầm gió là gì?

Đường hầm gió là một buồng hoặc ống có quạt lớn thổi luồng gió đều qua một vật đứng yên, như xe, máy bay hay mô hình nhà. Kỹ sư đo lực gió tác động lên vật và quan sát dòng khí để cải thiện hình dạng trước khi chế tạo thật.

Vì sao thử xe đứng yên trong gió lại giống xe chạy thật?

Vì với không khí, điều quan trọng chỉ là tốc độ của gió so với vật. Xe chạy 100 km/h trong không khí lặng và xe đứng yên trước luồng gió 100 km/h chịu tác động gần như như nhau. Các đường hầm hiện đại còn có sàn chạy dưới bánh xe để giống mặt đường thật hơn.

Anh em nhà Wright dùng đường hầm gió để làm gì?

Năm 1901, anh em Wright tự đóng một đường hầm gió nhỏ và thử khoảng 200 mẫu cánh, vì số liệu có sẵn khiến tàu lượn của họ bay kém. Số liệu tự đo giúp họ thiết kế lại cánh và cánh quạt, dẫn đến chuyến bay có động cơ năm 1903.

Làm đường hầm gió ở nhà cần những gì?

Cần một thùng bìa dài bỏ hai đầu, một bó ống hút làm bộ nắn dòng, một quạt bàn có lồng chắc chắn, màng bọc thực phẩm làm cửa sổ và các đoạn chỉ len dán lên vật thử. Phần cắt bìa và lắp quạt nên để người lớn làm, không dùng lửa để tạo khói.

CFD là gì và có thay thế đường hầm gió không?

CFD là động lực học chất lưu tính toán, tức dùng máy tính để mô phỏng dòng khí quanh vật. Nó giúp thử nhanh rất nhiều ý tưởng, nhưng vẫn cần đường hầm gió và thử thật để kiểm tra, vì kết quả máy tính chỉ đúng khi mô hình toán của nó đúng.