Vì sao xe đua thấp sát đất và gắn cánh gió như cánh máy bay lật ngược

Xe đua thể thao thấp sát đất và có cánh gió vì hai lý do: để không khí trượt qua ít bị cản, và quan trọng hơn, để không khí ép xe xuống mặt đường. Cánh gió trên xe đua chính là cánh máy bay lật ngược: thay vì nâng lên, nó đè xuống. Lực đè này giúp bánh xe bám chặt đường khi vào cua, nên xe vào cua nhanh mà không văng ra ngoài.

Vấn đề của mọi chiếc xe chạy nhanh: bị nhấc nhẹ lên

Hãy nhìn nghiêng một chiếc ô tô con: mặt dưới gần như phẳng, mặt trên cong vồng lên như mai rùa. Hình dạng này hơi giống một cánh máy bay. Khi xe chạy nhanh, không khí phía trên đi đường cong và áp suất ở đó giảm xuống, trong khi không khí lùa dưới gầm thì bị dồn lại. Kết quả là ở tốc độ cao, nhiều chiếc xe bình thường bị không khí nâng nhẹ lên — chưa đến mức bay, nhưng đủ để bánh xe bám đường kém đi một chút.

Với xe gia đình chạy đúng tốc độ cho phép, chuyện này không đáng lo. Nhưng xe đua chạy trong trường đua kín, vào cua ở tốc độ rất cao, và mỗi chút bám đường đều quý. Vì vậy các kỹ sư đua xe làm ngược lại: thiết kế xe sao cho không khí ép xuống. Lực này có tên là lực ép (tiếng Anh: downforce).

Vì sao cần bám đường khi vào cua

Khi xe chạy thẳng, nó muốn tiếp tục đi thẳng — đó là quán tính. Muốn xe rẽ, phải có một lực kéo xe vào phía trong khúc cua. Trên đường, lực duy nhất làm việc đó là ma sát giữa lốp và mặt đường.

Ma sát lại phụ thuộc vào việc lốp bị ấn xuống đường mạnh đến đâu. Ấn càng mạnh, lốp càng "cắn" đường, ma sát càng lớn. Cách bình thường để ấn mạnh hơn là làm xe nặng hơn — nhưng xe nặng thì khó tăng tốc, khó phanh. Lực ép khí động học giải được bài toán này: nó ấn xe xuống đường mà không thêm một gam khối lượng nào. Xe vẫn nhẹ khi tăng tốc nhưng lại "nặng" khi cần bám đường.

Lực ép tăng theo bình phương tốc độ, giống sức cản không khí. Đi chậm thì gần như không có, đi nhanh gấp đôi thì lực ép lớn gần gấp bốn. Đây là điều khiến xe đua làm được những khúc cua mà xe thường không thể.

Cánh gió làm việc thế nào

Một cánh gió có mặt cắt hình dạng đặc biệt, gọi là biên dạng cánh. Khi gió thổi qua, cánh làm lệch hướng dòng khí. Cánh máy bay đẩy dòng khí đi xuống, và theo định luật III Newton, không khí đẩy ngược cánh đi lên. Cánh gió xe đua đặt ngược lại: nó hắt dòng khí đi lên, nên không khí đẩy xe đi xuống.

Có một cách giải thích hay xuất hiện trong sách cũ: "không khí phía trên phải đi quãng đường dài hơn nên phải đi nhanh hơn để gặp lại không khí phía dưới ở cuối cánh". Ý "gặp lại cùng lúc" này không đúng — các thí nghiệm có khói cho thấy không khí phía mặt cong thường đi nhanh hơn nhiều và tới mép sau sớm hơn, chứ không chờ nhau. Cách hiểu đúng và dễ nhớ hơn: cánh làm lệch hướng dòng khí, và lực sinh ra theo chiều ngược lại. Chênh lệch áp suất giữa hai mặt cánh là một cách khác để mô tả cùng hiện tượng đó.

Góc nghiêng của cánh

Nghiêng cánh nhiều hơn thì lực ép tăng — nhưng sức cản cũng tăng theo. Trên trường đua có nhiều khúc cua chậm, đội đua chỉnh cánh dốc để bám đường. Trên trường đua có đoạn thẳng dài, họ chỉnh cánh phẳng hơn để xe lao nhanh. Không có cách chỉnh nào tốt cho mọi nơi, chỉ có cách chỉnh hợp với từng trường đua.

Vì sao xe đua thấp sát đất

Thân thấp giúp ba việc cùng lúc:

1. Diện tích mặt trước nhỏ, nên sức cản không khí nhỏ.
2. Trọng tâm thấp, nên khi vào cua xe ít nghiêng, ít có xu hướng lật, tải trọng chia đều hơn lên bốn bánh.
3. Tận dụng gầm xe. Khi khe hở giữa gầm và mặt đường rất hẹp, không khí bị ép đi nhanh qua khe đó, áp suất dưới gầm giảm xuống, và áp suất không khí phía trên đè xe xuống. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng mặt đất.

Hiệu ứng mặt đất được đội Lotus khai thác mạnh vào cuối thập niên 1970 trong giải Công thức 1. Gầm xe được tạo hình như cánh máy bay lật ngược, hai bên có tấm chắn gần chạm đất để giữ "vùng áp suất thấp" dưới gầm. Lực ép tăng vọt mà sức cản lại không tăng nhiều như khi gắn cánh to. Sau đó luật đua thay đổi nhiều lần để hạn chế cách làm này vì lý do an toàn: nếu xe bị nảy lên làm khe hở mở rộng đột ngột, lực ép mất đi gần như tức thời đúng lúc xe đang ở tốc độ cao.

Những thứ xe đua làm để điều khiển dòng khí

Bộ phận	Nằm ở đâu	Làm gì
Cánh gió trước	Mũi xe, sát mặt đường	Tạo lực ép cho bánh trước và chia dòng khí đi quanh bánh xe
Cánh gió sau	Đuôi xe, đặt cao	Tạo lực ép cho bánh sau, nơi truyền lực kéo
Sàn xe tạo hình	Mặt dưới thân xe	Tạo vùng áp suất thấp dưới gầm (hiệu ứng mặt đất)
Bộ khuếch tán	Phía sau gầm xe, hếch lên	Cho dòng khí dưới gầm thoát ra từ từ, giữ áp suất dưới gầm thấp
Vây và tấm dẫn gió nhỏ	Hai bên thân	Nắn dòng khí xoáy do bánh xe quay tạo ra

Một ghi chú về lịch sử: xe đua gắn cánh gió hướng lực xuống xuất hiện nhiều từ giữa thập niên 1960. Một trong những chiếc nổi tiếng sớm nhất là các mẫu xe Chaparral của kỹ sư người Mỹ Jim Hall, có cánh gió đặt cao trên khung dựng. Chỉ vài năm sau, cánh gió đã có mặt trên gần như mọi loại xe đua.

Có đúng xe đua chạy ngược trên trần được không

Em có thể nghe câu: "Xe Công thức 1 tạo đủ lực ép để chạy lộn ngược trên trần đường hầm". Ý tưởng này dựa trên tính toán rằng ở tốc độ đủ cao, lực ép khí động học có thể lớn hơn cả trọng lượng chiếc xe. Nhiều kỹ sư đồng ý rằng về lý thuyết điều đó có thể xảy ra. Nhưng chưa ai thử thật với một chiếc xe Công thức 1, và trong thực tế còn hàng loạt vấn đề: xe phải đạt tốc độ đó trước khi "lên trần", dầu máy và nhiên liệu sẽ chảy sai chỗ, và nếu chậm lại một chút là rơi. Vì vậy hãy coi đây là một bài toán vật lý thú vị, không phải chuyện đã xảy ra.

Thử làm: cảm nhận cánh gió bằng tay và giấy

Hoạt động 1: Tờ giấy bay lên khi thổi

Cầm một dải giấy dài khoảng 20 cm, rộng 4 cm, giữ một đầu ngay dưới môi dưới để dải giấy rủ xuống. Thổi mạnh qua mặt trên dải giấy. Dải giấy sẽ nâng lên. Dòng khí bám theo mặt cong của tờ giấy và bị lệch hướng, tạo ra lực kéo dải giấy lên.

Hoạt động 2: Cánh gió bìa trên xe đồ chơi

1. Lấy một xe đồ chơi nhỏ có bánh lăn tốt và một chiếc cân nhà bếp điện tử.
2. Gấp một mẩu bìa cứng thành cánh gió nhỏ hình chữ nhật, dán lên hai cột que kem rồi gắn vào đuôi xe.
3. Đặt xe lên cân, ghi số. Nhờ người lớn đặt máy sấy tóc ở chế độ gió nguội, thổi thẳng vào mũi xe từ khoảng cách 30–40 cm.
4. Xem số trên cân thay đổi thế nào khi cánh nghiêng hếch mũi lên, khi cánh nằm phẳng, và khi cánh nghiêng chúi xuống.

Nếu cân đủ nhạy, em sẽ thấy với một góc nghiêng phù hợp, số trên cân tăng lên một chút khi có gió — đó là lực ép. Đổi góc ngược lại, số có thể giảm. Thay đổi rất nhỏ, có khi chỉ vài gam, nên làm nhiều lần và ghi chép cẩn thận. Không để máy sấy chạy chế độ nóng lâu gần bìa và nhựa.

Bài học cho người thiết kế

Mỗi bộ phận trên xe đua đều là một sự đánh đổi: lực ép nhiều thì sức cản nhiều, xe thấp thì dễ chạm đất khi mặt đường gồ ghề. Kỹ sư giỏi không tìm "thiết kế tốt nhất" chung chung, mà tìm thiết kế hợp nhất với điều kiện cụ thể. Đây cũng là cách nghĩ của mọi nhà thiết kế, dù em đang làm xe mô hình, cây cầu bằng que kem hay một sân chơi.

Và một điều cần nói rõ: những gì xe đua làm chỉ có ý nghĩa trên trường đua kín có rào chắn, đội cứu hộ và luật lệ. Ngoài đường phố, xe đi chung với người đi bộ, xe đạp, trẻ em — không có chỗ cho tốc độ kiểu đường đua.

Câu hỏi thường gặp

Cánh gió trên xe đua để làm gì?

Cánh gió trên xe đua tạo ra lực ép, tức là dùng không khí để đè xe xuống mặt đường. Nhờ đó lốp bám đường chặt hơn khi vào cua và khi phanh, mà xe không phải nặng thêm. Nó hoạt động như cánh máy bay lật ngược.

Lực ép (downforce) khác lực nâng thế nào?

Cả hai sinh ra theo cùng một cách: một bề mặt làm lệch hướng dòng khí. Lực nâng hướng lên, giúp máy bay bay; lực ép hướng xuống, giúp xe bám đường. Chỉ khác ở chiều đặt cánh.

Vì sao xe đua lại thấp như vậy?

Thân thấp làm diện tích mặt trước nhỏ nên ít bị gió cản, hạ trọng tâm nên xe vững khi vào cua, và tạo khe hẹp dưới gầm để không khí chảy nhanh, giảm áp suất, ép xe xuống. Hiện tượng cuối gọi là hiệu ứng mặt đất.

Gắn cánh gió vào xe máy, ô tô thường có tác dụng không?

Ở tốc độ đi lại bình thường trong thành phố, lực ép từ một cánh gió nhỏ gần như bằng không vì lực ép tăng theo bình phương tốc độ. Cánh gió gắn thêm cho đẹp thường chỉ làm xe nặng hơn và cản gió hơn. Xe chở người đi đường cần đúng tốc độ cho phép, không cần lực ép kiểu đường đua.

Hiệu ứng mặt đất là gì?

Khi gầm xe ở rất gần mặt đường và được tạo hình phù hợp, không khí bị ép chạy nhanh qua khe hẹp dưới gầm, áp suất ở đó giảm xuống. Áp suất không khí phía trên lớn hơn sẽ đè xe xuống. Đội Lotus đã dùng mạnh cách này trong đua Công thức 1 cuối thập niên 1970.