Gaarasamac
Tài xế O-H
Bài viết hay nên em chia sẻ về cho anh em trên diễn đàn cùng học hỏi và nghiên cứu thêm ạ!
Khi xe di chuyển trên mặt đường, không khí ma sát với thân xe luôn tạo nên những lực cản khác nhau.
• Lực cản không khí (drag): Gồm 2 thành phần, áp suất phía trước (frontal pressure) và áp thấp phía sau (rear vacuum).
Áp suất phía trước đạt trị số cực đại khi tiết diện cản gió của thân xe tăng nhanh đột ngột ở vị trí kiếng trước. Phía sau xe, sự hiện diện của áp thấp (flow detachment) tạo nên hiện tượng xoáy lốc (turbulence) có khả năng tạo một lực nghịch chiều chuyển động của xe. Xoáy lốc tạo nên do 2 kiếng chiếu hậu ở cửa xe cũng góp phần không nhỏ vào việc cản trở chuyển động của xe.
• Lực nâng (lift) hay nén (downforce): Có thể cùng lúc xuất hiện ở nhiều vị trí khác nhau và tác dụng vào chuyển động của xe.
Cả hai loại lực này đều cần thiết cho tính năng ổn định của xe nếu chúng không vượt quá trị số cho phép. Xe đua thường có dạng thân tạo nên hợp lực là lực nén giúp xe bám sát mặt đường hơn, trong khi các loại xe du lịch khác lại có hợp lực là lực nâng để giúp xe chuyển động dễ dàng hơn.
Không khí bị nén ở phía trước xe dãn nở dần khi di chuyển về phía sau tạo nên áp thấp hay lực nâng xe dọc theo bề mặt của thân xe. Trị số lực nâng sẽ lớn nhất khi dòng không khí di chuyển đến phía sau xe vì tiết diện cản gió của thân xe ở vị trí này giảm nhanh đột ngột. Khi vượt quá trị số cho phép lực nâng này sẽ làm giảm khả năng bám đường của hai bánh xe sau.
Nếu khoảng trống gầm xe ở phía trước nhỏ hơn phía sau, khi xe di chuyển áp thấp sẽ được tạo nên ở gầm xe phía sau tạo nên lực nén kéo xe sát xuống mặt đường (ground effect). Lực này giúp cho xe an toàn hơn khi đổi hướng với tốc độ cao.
Dựa trên các phân tích khí động (aerodynamic) trên đây, hình dáng của thân xe là yếu tố quyết định trị số của lực cản chuyển động. Để có được lực cản tối thiểu, thân xe cần có những yếu tố sau:
• Tiết diện cản gió ở đầu xe nhỏ hay có dạng thiết kế lớn dần.
• Gầm xe thấp để giảm thiểu không gian luân chuyển của không khí hay sử dụng thêm bửng chắn gió (air dam hay front spoiler) ở gầm xe phía trước để giảm ma sát của không khí với các bộ phận nhô ra bên dưới gầm xe.
• Kiếng trước có góc nghiêng lớn để tránh đột ngột gia tăng tiết diện cản gió giúp giảm lực cản.
• Kiếng sau có góc nghiêng lớn để tránh đột ngột giảm thiểu tiết diện cản gió giúp giảm xoáy lốc.
• Đuôi xe có dạng nhỏ dần (fastback) để tránh tạo xoáy lốc không khí.
• Đuôi phụ (spoiler), ngoài tác dụng thẩm mỹ nó còn giúp giảm lực nâng ở vị trí này giúp xe chuyển động ổn định hơn bằng cách hướng dòng không khí dịch chuyển phía trên thân xe sang một nơi khác (spoil) để nó không thể gây xoáy lốc ở ngay phía sau xe.
• Thiết kế lưng bầu cho các kiếng chiếu hậu hoặc che kín các bộ phận nhô ra ở gầm xe để làm giảm ma sát không khí.
• Thiết kế thêm những cánh phía trước (front wing) và phía sau (rear wing) dưới gầm xe. Những cánh này có góc lệch ngược với cánh máy bay nên có khả năng tạo lực nén giúp xe bám đường tốt hơn.
Các phân tích trên đây cho thấy lực cản không khí được xác định như sau:
Fd: Lực cản không khí (air resistance force – N)
ρ: Mật độ không khí (density - kg/m3)
V: Vận tốc của xe (velocity – m/s)
Cd: Hệ số cản không khí (drag coefficient)
A: Tiết diện cản gió tối đa của xe (reference area – m2)
• Lực cản Fd khiến cho việc tăng tốc trở nên khó khăn vì nó tỉ lệ với bình phương vận tốc, khi vận tốc gia tăng với một trị số nhỏ thì lực cản lại gia tăng với một trị số rất lớn. Nói chung tốc độ tiết kiệm nhiên liệu nhất ở vào khoảng 60 - 65 mph (miles / hour).
• Mật độ không khí ρ thường có trị số nhỏ hơn ở vùng cao nguyên hay khi thời tiết tốt.
• Hệ số cản không khí Cd phụ thuộc nhiều vào hình dạng thân xe. Trị số của Cd thấp khi xe có dạng khí động tốt như vậy lực cản không khí cũng sẽ nhỏ hơn.
• Tiết diện cản gió tối đa của xe A giảm nhiều khi sử dụng xe nhỏ.
Trong thực tế, tính toán lực cản không khí cho xe hơi là điều rất rất khó vì thân xe là tổng hợp của nhiều dạng vật thể đơn giản với những hệ số cản không khí khác nhau. Do đó hầm khí động (wind tunnel) được sử dụng để xác định lực cản không khí của những vật thể chuyển động từ đơn giản đến phức tạp như hỏa tiễn, máy bay, tàu biển, tàu hỏa, xe hơi.
Hệ số cản không khí của một số vật thể đơn giản được ghi nhận như sau:
Hình giọt nước (streamlined body) có dạng khí động tốt nhất, Cd = 0.04.
Xe du lịch có trị số Cd trong khoảng từ 0.25 đến 0.45.
Sơ đồ một hầm khí động.
Các hầm khí động thường có những điểm chung như sau:
• Quạt gió là loại hút hoặc đẩy, có nhiệm vụ tạo ra dòng không khí với tốc độ cao chuyển động liên tục qua hầm khí động, tác động lên mọi vị trí trên bề mặt của vật thể thử nghiệm.
• Thân của hầm khí động có hình chuông (bell shape) từ lớn đến nhỏ dần để không khí có thể tăng tốc một cách ổn định từ quạt gió đến khoang thử nghiệm (test section). Sau đó tiết diện này lớn dần (diffuser) để không khí giảm dần tốc độ và áp suất trước khi thoát ra ngoài nhằm làm giảm tiếng ồn phát sinh trong quá trình thử nghiệm.
• Khoang thử nghiệm có thể làm nhỏ lại vừa đủ để chứa những mô hình, từ đó người ta có thể suy diễn những trị số đo được từ mô hình cho vật thật có kích thước lớn hơn. Vị trí này có nhiều thiết bị dùng đo tốc độ và áp suất không khí cũng như lực nâng và cản của dòng không khí đối với vật thử nghiệm.
• Khói được phun vào khoang thử nghiệm để có thể nhanh chóng xác định những vị trí trên bề mặt mô hình thử nghiệm có hiện tượng xoáy lốc của không khí. Những vị trí này cần phải được sửa chữa (reshape) để có được dạng khí động tốt hơn hay có ít lực cản hơn.
Các nhà chế tạo luôn có sáng kiến thay đổi kiểu dáng thân xe sao cho:
• Tiết diện cản gió tối đa A và hệ số cản không khí Cd là nhỏ nhất để giảm thiểu lực cản không khí, giúp xe gia tăng tốc độ tối đa và tiết kiệm nhiên liệu.
• Lực nén hay lực bám đường đạt trị số tối đa khi xe đổi hướng với tốc độ cao giúp xe chuyển động ổn định và gia tăng mức độ an toàn cho người sử dụng.
• Nhẹ và chắc chắn hơn bằng cách sử dụng vật liệu composite hay fiberglass.
Phương án tăng tốc tốt nhất là cải tiến hình dạng thân xe nhằm giảm lực cản không khí thay vì phải dùng một động cơ khác lớn hơn, mạnh hơn nhưng cũng nặng nề hơn để khắc phục lực này.
Khi xe di chuyển trên mặt đường, không khí ma sát với thân xe luôn tạo nên những lực cản khác nhau.
• Lực cản không khí (drag): Gồm 2 thành phần, áp suất phía trước (frontal pressure) và áp thấp phía sau (rear vacuum).
Áp suất phía trước đạt trị số cực đại khi tiết diện cản gió của thân xe tăng nhanh đột ngột ở vị trí kiếng trước. Phía sau xe, sự hiện diện của áp thấp (flow detachment) tạo nên hiện tượng xoáy lốc (turbulence) có khả năng tạo một lực nghịch chiều chuyển động của xe. Xoáy lốc tạo nên do 2 kiếng chiếu hậu ở cửa xe cũng góp phần không nhỏ vào việc cản trở chuyển động của xe.
• Lực nâng (lift) hay nén (downforce): Có thể cùng lúc xuất hiện ở nhiều vị trí khác nhau và tác dụng vào chuyển động của xe.
Cả hai loại lực này đều cần thiết cho tính năng ổn định của xe nếu chúng không vượt quá trị số cho phép. Xe đua thường có dạng thân tạo nên hợp lực là lực nén giúp xe bám sát mặt đường hơn, trong khi các loại xe du lịch khác lại có hợp lực là lực nâng để giúp xe chuyển động dễ dàng hơn.
Không khí bị nén ở phía trước xe dãn nở dần khi di chuyển về phía sau tạo nên áp thấp hay lực nâng xe dọc theo bề mặt của thân xe. Trị số lực nâng sẽ lớn nhất khi dòng không khí di chuyển đến phía sau xe vì tiết diện cản gió của thân xe ở vị trí này giảm nhanh đột ngột. Khi vượt quá trị số cho phép lực nâng này sẽ làm giảm khả năng bám đường của hai bánh xe sau.
Nếu khoảng trống gầm xe ở phía trước nhỏ hơn phía sau, khi xe di chuyển áp thấp sẽ được tạo nên ở gầm xe phía sau tạo nên lực nén kéo xe sát xuống mặt đường (ground effect). Lực này giúp cho xe an toàn hơn khi đổi hướng với tốc độ cao.
Dựa trên các phân tích khí động (aerodynamic) trên đây, hình dáng của thân xe là yếu tố quyết định trị số của lực cản chuyển động. Để có được lực cản tối thiểu, thân xe cần có những yếu tố sau:
• Tiết diện cản gió ở đầu xe nhỏ hay có dạng thiết kế lớn dần.
• Gầm xe thấp để giảm thiểu không gian luân chuyển của không khí hay sử dụng thêm bửng chắn gió (air dam hay front spoiler) ở gầm xe phía trước để giảm ma sát của không khí với các bộ phận nhô ra bên dưới gầm xe.
• Kiếng trước có góc nghiêng lớn để tránh đột ngột gia tăng tiết diện cản gió giúp giảm lực cản.
• Kiếng sau có góc nghiêng lớn để tránh đột ngột giảm thiểu tiết diện cản gió giúp giảm xoáy lốc.
• Đuôi xe có dạng nhỏ dần (fastback) để tránh tạo xoáy lốc không khí.
• Đuôi phụ (spoiler), ngoài tác dụng thẩm mỹ nó còn giúp giảm lực nâng ở vị trí này giúp xe chuyển động ổn định hơn bằng cách hướng dòng không khí dịch chuyển phía trên thân xe sang một nơi khác (spoil) để nó không thể gây xoáy lốc ở ngay phía sau xe.
• Thiết kế lưng bầu cho các kiếng chiếu hậu hoặc che kín các bộ phận nhô ra ở gầm xe để làm giảm ma sát không khí.
• Thiết kế thêm những cánh phía trước (front wing) và phía sau (rear wing) dưới gầm xe. Những cánh này có góc lệch ngược với cánh máy bay nên có khả năng tạo lực nén giúp xe bám đường tốt hơn.
Các phân tích trên đây cho thấy lực cản không khí được xác định như sau:
Fd: Lực cản không khí (air resistance force – N)
ρ: Mật độ không khí (density - kg/m3)
V: Vận tốc của xe (velocity – m/s)
Cd: Hệ số cản không khí (drag coefficient)
A: Tiết diện cản gió tối đa của xe (reference area – m2)
• Lực cản Fd khiến cho việc tăng tốc trở nên khó khăn vì nó tỉ lệ với bình phương vận tốc, khi vận tốc gia tăng với một trị số nhỏ thì lực cản lại gia tăng với một trị số rất lớn. Nói chung tốc độ tiết kiệm nhiên liệu nhất ở vào khoảng 60 - 65 mph (miles / hour).
• Mật độ không khí ρ thường có trị số nhỏ hơn ở vùng cao nguyên hay khi thời tiết tốt.
• Hệ số cản không khí Cd phụ thuộc nhiều vào hình dạng thân xe. Trị số của Cd thấp khi xe có dạng khí động tốt như vậy lực cản không khí cũng sẽ nhỏ hơn.
• Tiết diện cản gió tối đa của xe A giảm nhiều khi sử dụng xe nhỏ.
Trong thực tế, tính toán lực cản không khí cho xe hơi là điều rất rất khó vì thân xe là tổng hợp của nhiều dạng vật thể đơn giản với những hệ số cản không khí khác nhau. Do đó hầm khí động (wind tunnel) được sử dụng để xác định lực cản không khí của những vật thể chuyển động từ đơn giản đến phức tạp như hỏa tiễn, máy bay, tàu biển, tàu hỏa, xe hơi.
Hệ số cản không khí của một số vật thể đơn giản được ghi nhận như sau:
Hình giọt nước (streamlined body) có dạng khí động tốt nhất, Cd = 0.04.
Xe du lịch có trị số Cd trong khoảng từ 0.25 đến 0.45.
Sơ đồ một hầm khí động.
Các hầm khí động thường có những điểm chung như sau:
• Quạt gió là loại hút hoặc đẩy, có nhiệm vụ tạo ra dòng không khí với tốc độ cao chuyển động liên tục qua hầm khí động, tác động lên mọi vị trí trên bề mặt của vật thể thử nghiệm.
• Thân của hầm khí động có hình chuông (bell shape) từ lớn đến nhỏ dần để không khí có thể tăng tốc một cách ổn định từ quạt gió đến khoang thử nghiệm (test section). Sau đó tiết diện này lớn dần (diffuser) để không khí giảm dần tốc độ và áp suất trước khi thoát ra ngoài nhằm làm giảm tiếng ồn phát sinh trong quá trình thử nghiệm.
• Khoang thử nghiệm có thể làm nhỏ lại vừa đủ để chứa những mô hình, từ đó người ta có thể suy diễn những trị số đo được từ mô hình cho vật thật có kích thước lớn hơn. Vị trí này có nhiều thiết bị dùng đo tốc độ và áp suất không khí cũng như lực nâng và cản của dòng không khí đối với vật thử nghiệm.
• Khói được phun vào khoang thử nghiệm để có thể nhanh chóng xác định những vị trí trên bề mặt mô hình thử nghiệm có hiện tượng xoáy lốc của không khí. Những vị trí này cần phải được sửa chữa (reshape) để có được dạng khí động tốt hơn hay có ít lực cản hơn.
Các nhà chế tạo luôn có sáng kiến thay đổi kiểu dáng thân xe sao cho:
• Tiết diện cản gió tối đa A và hệ số cản không khí Cd là nhỏ nhất để giảm thiểu lực cản không khí, giúp xe gia tăng tốc độ tối đa và tiết kiệm nhiên liệu.
• Lực nén hay lực bám đường đạt trị số tối đa khi xe đổi hướng với tốc độ cao giúp xe chuyển động ổn định và gia tăng mức độ an toàn cho người sử dụng.
• Nhẹ và chắc chắn hơn bằng cách sử dụng vật liệu composite hay fiberglass.
Phương án tăng tốc tốt nhất là cải tiến hình dạng thân xe nhằm giảm lực cản không khí thay vì phải dùng một động cơ khác lớn hơn, mạnh hơn nhưng cũng nặng nề hơn để khắc phục lực này.
Nguồn: Hùng Nguyễn
