Máy bay cất cánh bằng cách tạo ra lực đẩy lớn, kết hợp với luồng gió đi qua hai cánh, tạo chênh lệch áp suất giữa mặt trên và dưới cánh, tạo ra lực nâng và đẩy máy bay bay lên. Các cánh tà nhỏ trên hai cánh máy bay được hạ xuống khi cất cánh để tạo lực nâng lớn nhất. Ngược lại khi hạ cánh, các cánh này sẽ nâng lên, tạo lực ép xuống giúp máy bay hạ cánh.
Nguyên tắc này được sử dụng để tạo ra cánh gió trên ôtô, gồm cả cánh hướng gió phía trước và phía sau. Trong khi cánh gió trước thường lắp cố định, thì cánh gió sau có hai dạng, cố định hoặc có thể điều chỉnh điện, tùy vào dải tốc độ và xe chạy. Tức là, tác dụng của cánh gió không phải giúp xe chạy nhanh hơn, mà giúp tạo ra lực ép xuống mặt đường lớn hơn, để xe ổn định, nhất là trong đường đua.
Cánh gió: spoiler và wing
Cả spoiler và wing trong tiếng Việt thường được gọi chung là cánh gió, nên dễ tạo ra sự nhầm lẫn. Thực tế, spoiler và wing là hai chi tiết cùng ở phía đuôi xe nhưng mang nhiệm vụ khác nhau. Nếu spoiler (cánh lướt gió) có tác dụng chia dòng khí, giúp không khí trượt khỏi xe một cách mượt mà, thì wing (cánh ép gió) lại giúp tận dụng dòng khí đó để tạo lực ép chiếc xe xuống mặt đường, tương tự cách hoạt động của cánh máy bay.
Xe gắn cả spoiler và wing. Ảnh: Classic.de
Spoiler có nhiệm vụ lướt gió, tức là hướng luồng không khí trườn xuống đuôi xe phải đi lên phía trên và đẩy ra xa đuôi xe, tránh nhiễu loạn không khí ở đuôi xe. Vì vậy, spoiler thường gắn dính liền vào đuôi xe, không có khoảng hở, để giảm lực cản (Drag Force) và tăng hiệu quả trong việc dẫn không khí ở lực nâng (Lift Force) và lực hông (Side Force). Spoiler thường có hình dạng nhỏ, gắn trực tiếp mép đuôi xe, cốp hoặc cửa kính phía sau. Nhìn tổng thể, spoiler không tách rời với thân xe.
Spoiler chỉ phát huy tác dụng khi xe chạy ở tốc độ cao, vì ở tốc độ thấp lực cản nhỏ, bộ phận này không phát huy tác dụng. Cánh lướt gió kết hợp các chi tiết ở cản trước hoặc khung gầm để thay đổi hướng đi của luồng không khí. Khi lực cản giảm, hiệu quả sử dụng nhiên liệu cũng tăng lên.
Xe thể thao với thiết kế hình giọt nước là loại xe phù hợp để gắn spoiler. Chi tiết này sẽ không hiệu quả khi gắn trên các xe SUV, có thiết kế hình hộp như Mercedes G-Class, Ford Bronco, Land Rover Defender, vì hệ số cản gió của những xe này rất lớn, hiệu quả khí động học thấp. Chúng không được sinh ra để chạy tốc độ cao.
Các loại luồng không khí khác nhau dẫn đến yêu cầu về cánh lướt gió hoạt động và có các đặt điểm vật lý khác nhau. Ví dụ như cánh lướt gió trước (Front Spoiler hay Air dam), thường gắn ở mép cản trước, với nhiệm vụ kiểm soát động lực liên quan đến không khí phía trước xe. Điều này có thể giảm hệ số cản và lực nâng ở thân xe. Thậm chí trọng tâm chuyển hướng luồng khí vào khoang động cơ nhằm mục đích làm mát hay tản nhiệt phanh trước.
Một chiếc spoiler trên xe 911. Ảnh: Minh Quân
Một số khác như cánh gió gắn bệ đỡ (Pedestal Spoiler) có bệ đỡ ngắn, giúp tạo thêm lực ép xuống bằng cách phá vỡ lực cản khí động học. Cánh gió gắn đèn (Lighted Spoiler) giúp cải thiện tầm nhìn và tăng độ an toàn của xe. Cánh gió nóc (Roof Spoiler) thường đặt ở giữa nóc và cửa kính phía sau.
Cánh lướt gió cũng xuất hiện trên xe bán tải, thường gắn ở cửa thùng hay nóc sau, hay kết hợp cùng nắp thùng, để đẩy không khí đi từ trước ra phía sau mà không luẩn quẩn ở thùng xe.
Wing (cánh ép gió) có thiết kế như một cánh máy bay bị đảo ngược, tách khỏi bề mặt của xe giúp không khí lưu thông trên và dưới cánh với tốc độ khác nhau, tạo ra áp suất khác nhau và từ đó sinh ra lực ép xuống cánh gió (downforce). Lực ép này giúp xe bám chặt vào mặt đường, nhưng đồng thời có thể khiến mất đi khoảng 15% tốc độ tối đa. Như vậy có thể thấy wing có cách hoạt động trái ngược với spoiler. Trong khi một thứ giúp không khi trượt đi, tạo lực nâng, thì một thứ lại khiến không khí tạo lực ép, tăng lực cản.
Vậy wing sử dụng khi nào? Wing vẫn dùng cho xe thể thao, hiệu suất cao, xe đua nhưng đặc biệt cần thiết khi vào cua ở tốc độ cao. Lúc này, xe cần phải bám đường để tránh mất cân bằng, gây ra tình trạng văng đuôi (oversteer) hoặc bị đẩy ngang ra ngoài (understeer).
Thông thường lực ép xuống lên tới hàng nghìn kg trên xe F1. Tay đua Romain Grosjean từng tuyên bố chiếc xe của anh nặng 738 kg nhưng tạo ra lực ép lên tới 5.904 kg tại mùa giải Suzuka vào năm 2018.
Ở trên các mẫu xe đường trường, McLaren Senna là mẫu xe có lực xuống cao nhất hiện nay lên tới 800 kg ở tốc độ 225 km/h nhờ vào cánh gió sau cố định cỡ lớn. Vị trí thứ hai là của chiếc Mercedes-AMG Project One với lực ép 675 kg thông qua cánh gió chủ động.
Mục tiêu của xe thể thao là giảm trọng lượng nhiều nhất có thể. Nếu như không sử dụng cánh gió, cách tăng lực bám cho xe là tăng trọng lượng và bố trí lại tỉ lệ trọng lượng. Nhưng việc tăng trọng lượng dẫn tới động cơ phải làm việc nhiều hơn để đẩy một chiếc xe đi, làm tăng mức tiêu thụ nhiên liệu, thậm chí không giúp ích nhiều trong việc tăng lực bám đường.
Cánh gió (wing) bằng sợi carbon trên xe Senna . Ảnh: Minh Quân
Ngoài cánh gió cố định, cánh gió chủ động là công nghệ hiện đại thường thấy trên các mẫu xe thể thao ngày nay. Phổ biến nhất là cánh gió sau có thể thu lại hoặc giấu vào phần đuôi xe, sau đó mở lên khi xe vượt qua một mốc tốc độ cụ thể. Tất cả được hoạt động nhờ một động cơ điện được điều khiển tự động bởi thiết bị điện tử hay một chíp xử lý riêng, thiết bị sẽ dựa vào tốc độ của xe hoặc cài đặt sẵn để đóng/mở cánh gió sao cho phù hợp. Thông thường, người lái có thể đóng/mở cánh gió theo cách thủ công, nhưng có thể gây nguy hiểm ở tốc độ cao nếu không mở cánh gió.
Cánh gió chủ động mang lại mặt hiệu quả tích cực hơn so với cánh gió cố định. Về thẩm mỹ, giúp xe trông gọn gàng hơn khi xe đỗ hoặc chạy ở tốc độ thấp. Ngoài ra giúp các hãng xe giải quyết bài toán cải thiện tính khí động học ở tốc độ cao mà không cần thay đổi diện mạo tổng thể của chiếc xe. Thậm chí làm giảm khả năng va quệt với các mẫu xe khác ở trên đường. Nếu so sánh ở tốc độ thấp, cánh gió cố định chắc chắn sẽ tạo ra lực cản, nhưng không cải thiện khả năng xử lý của xe do ít luồng gió thổi qua.
Một số mẫu xe đặc biệt như Zenvo TSR-S gây ấn tượng với cánh gió với cơ chế hướng tâm (Centripetal Wing). Hãng xe Đan Mạch đã bổ sung hai bộ truyền động thủy lực và một vài bản lề ở cánh gió sau để hỗ trợ người lái. Điều này giúp cánh gió nghiêng tới 20 độ, có thể di chuyển lực từ bên trái sang bên phải làm giảm lực ép xuống tổng thể 3% và tăng độ bám đường khi vào cua thông qua chính vô-lăng.
Kết hợp cả cánh gió và cánh lướt gió
Một số mẫu xe sử dụng cả hai, tạo ra cụm cánh gió. Nếu như cánh gió đặt cố định ở sau đuôi xe, thì cánh lướt gió có thể là bất kỳ phần nào của thân xe với mục đích loại bỏ luồng không khí không mong muốn. Bởi cánh gió và cánh lướt gió hoạt động độc lập với nhau, cung cấp cả lực xuống và lực cản.
Chất liệu
Chất liệu làm nên cụm cánh gió cũng đa dạng, chủ yếu làm bằng vật liệu nhẹ dựa trên polyme. Hầu hết các nhà hãng xe đều sử dụng nhựa ABS để đúc kèm các chất phụ gia khác nhau, nhằm tạo độ cứng cho cánh lướt gió, tuy nhiên nhược điểm chính là nhựa dễ bị gãy và không có độ mềm. Ngoài ra sợi thủy tinh cũng được sử dụng do giá thành vật liệu thấp.
Cánh gió Zenvo TSR-S có thể thay đổi hướng thông qua vô-lăng. Ảnh: Top Gear
Sillicon-polyme hữu cơ cũng là vật liệu mà nhiều hãng xe đang sử dụng, bởi tính dẻo phi thường, chịu nhiệt và tuổi thọ sản phẩm cao. Cuối cùng là sợi carbon có tính chất nhẹ, bền nhưng giá cao, cần sử dụng số lượng lớn lao động thủ công để đan sợi, quy mô sản xuất không rộng rãi nên thường chỉ thấy trên các mẫu xe thể thao đắt tiền.
Nhược điểm
Trên các mẫu xe dung tích nhỏ hoặc không phải hiệu suất cao, việc lắp thêm cụm cánh gió dường như không có nhiều tác dụng, mục đích duy nhất là để trang trí thẩm mỹ.
Dễ dàng bị hỏng cũng là nhược điểm bởi cụm cánh gió thường làm bằng vật liệu nhẹ. Ngoài ra gây khó lắp đặt bởi ngay từ đầu một số xe được tạo ra không để lắp cụm cánh gió.
Thậm chí việc lắp thêm cụm cánh gió sẽ tác động tiêu cực nhiều hơn tích cực như làm nặng xe, giảm khả năng khí động học, tăng mức tiêu hao nhiên liệu. Ngoài ra ở một số thị trường như Việt Nam, việc lắp thêm cụm cánh gió ở một số mẫu xe sẽ không có được phép đăng kiểm.
Minh Quân