Ô tô khi di chuyển chịu những lực cản nào?

Khi di chuyển, nhất là ở tốc độ cao, ôtô chịu ảnh hưởng bởi nhiều loại lực cản khác nhau, gồm: lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió.

Lực khí động là gì?

Trước hết, ôtô muốn chuyển động được trên đường thì tối thiểu phải khắc phục được tổng tất cả các lực cản trong quá trình chuyển động của nó: lực cản của đường (lực cản dốc và lực cản lăn), lực cản tăng tốc (lực quán tính), lực cản ma sát và đặc biệt là lực cản không khí. Các lực cản đường, lực cản tăng tốc, lực cản ma sát dù ít hay nhiều đều phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của ôtô và các thành phần liên quan.

Lực cản không khí phụ thuộc rất lớn vào vận tốc chuyển động của ôtô

Tuy nhiên, lực cản không khí phụ thuộc rất lớn vào vận tốc chuyển động của ôtô. Chúng ta có thể tưởng tượng rằng chiếc ôtô của mình chuyển động trên đường khô, ráo và không có gió ở vận tốc 50km/h thì khi chuyển động ở vận tốc 100km/h, 150km/h hoặc 200km/h lực cản không khí tăng gấp 4, 9 hoặc 16 lần.

Ngoài ra, lực cản không khí cũng chịu ảnh hưởng rất lớn bởi hình dáng khí động và diện tích cản chính diện của xe, chẳng hạn với chiếc xe có hình dáng khí động tốt với xe có hình dáng khí động kém, lực cản không khí có thể tăng từ 2 đến 3 lần. Như vậy, nếu muốn tăng vận tốc chuyển động của ôtô mà không thay đổi hình dạng khí động đồng nghĩa với việc phải tăng công suất của động cơ lên tương ứng lần.

Hệ số cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng của bề mặt vỏ và các góc cạnh của ôtô

Lực khí động là lực sinh ra bởi dòng khí bị dồn nén chuyển động từ phía trước ra phía sau của vật thể (ôtô) hoặc lực tác động của dòng khí lên ôtô. Lực này tác động vào ôtô có phương bất kỳ phụ thuộc vào hướng gió và có độ lớn phụ thuộc vào diện tích cản chính diện của ôtô, hệ số cản khí động và bình phương của vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và ôtô.

Hệ số cản khí động phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng khí động, độ bóng của bề mặt vỏ và các góc cạnh của ôtô. Lực khí động ảnh hưởng lớn đến chất lượng động lực học, an toàn và độ ồn của ôtô trong quá trình chuyển động trên đường.

Những biện pháp cải thiện tính năng khí động học

Để cải thiện tính năng khí động học, giảm thiểu hệ số cản Cd, người ta thường dùng các biện pháp sau đây:

Cánh đuôi: Vào đầu những năm 60, các kỹ sư của Ferrari đã khám phá ra rằng, bằng cách gắn thêm một tấm cản (chúng ta gọi đơn giản là CÁNH) vào đuôi phía sau, lực nâng có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí phát sinh lực nén. Trong khi đó, lực cản chỉ tăng một lượng rất nhỏ.

Cánh có tác dụng hướng phần lớn luồng không khí trên mui xe thoát thẳng ra phía sau mà không quẩn trở lại, vì thế, làm giảm lực nâng. Nếu tăng góc độ của cánh thì có thể làm tăng lực nén thậm chí tới 100kg. Khi đó, chỉ có một luồng không khí rất nhỏ chạy ra phía sau và quẩn dưới đuôi cánh. Như vậy cánh đã làm giảm đáng kể sự nhiễu loạn không khí xuất hiện ở chiếc xe không có dạng fastback, và đã loại trừ được lực nâng, xe chỉ còn chịu lực cản.

Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió lắp phía dưới cản trước và cánh hướng gió lắp dọc hông xe

Cánh gầm: Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió lắp phía dưới cản trước và cánh hướng gió lắp dọc hông xe. Cánh gầm lắp phía dưới mũi xe có tác dụng làm biến đổi luồng không khí lưu động phía dưới gầm xe. Chúng ta thường gọi cánh gầm lắp đặt ở gờ đáy của cản trước là “cản gió trước”. Và những tấm chắn dọc hông xe là “tấm chắn gió ngang”. Để hiểu tác dụng của chúng, trước hết chúng ta hãy phân tích luồng không khí ở mặt dưới sàn xe.

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

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 nên trơn nhẵn để tránh được sự nhiễu loạn và lực nâng.

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

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 muốn. 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.

Qua những yếu tố đó ta thấy, những xe hơi có tối ưu khí động học thì sẽ có rất nhiều lợi thế trên thị trường. Nó là một yếu tố quan trọng hiện đang được các nhà thiết kế quan tâm và nghiên cứu và tiếp tục phát triển.

Theo Cartimes