Đặc tính khí động học của xe đua F1

Đây là một trong những yếu tố kỹ thuật quan trọng nhất của xe F1. Khi chạy, chiếc xe khuấy động không khí xung quanh, trên và dưới thân của nó. Các nghiên cứu khí động học giúp khống chế những hiệu ứng này, triệt tiêu các lực cản để chiếc xe lướt đi nhanh và an toàn hơn.

Máy tính mô phỏng lực khí động trên các module.

Chiếc F1 không phải là một khối kín trơn tru như ôtô thông thường, do đó không khí sẽ bị cuộn xoáy rất mạnh khi xe chạy, ví dụ rõ nhất là 4 bánh xe F1 lộ hẳn ra ngoài, tạo ra lực cản lớn. Do vậy, để đạt được hiệu quả khí động tối ưu phải giải những bài toán rất khó, 3 yếu tố chính mà các kỹ sư phải tính là lực ép xuống (downforce), lực cản và độ cân bằng.

Lực ép xuống do các các chuyên gia chủ ý tạo ra, nó nén chiếc xe xuống làm tăng độ ma sát giữa lốp và mặt đường. Lực này trợ giúp khả năng tăng tốc, độ bám đường và hiệu quả phanh, do vậy nó quyết định 2 yếu tố chính là an toàn và thời gian của tay đua.

Các mảng màu mô phỏng tùng phần tháo rời trên xe.

Phần lớn lực ép xuống được tạo ra bởi cánh gió trước và sau, gầm và bộ phận khuếch tán ở đuôi xe. Các chi tiết này được thiết kế dựa trên nguyên tắc Bécnuli: Khi có một dòng không khí (hoặc chất lỏng) chạy qua một bề mặt lồi, áp suất trên bề mặt này tỷ lệ nghịch với độ cong của nó và tốc độ dòng chảy. Đây cũng chính là nguyên lý tạo ra lực nâng trên cánh máy bay. Ở các xe đua F1, các cánh gió và bộ khuếch tán được thiết kế tương tự cánh máy bay nhưng mặt cong không ngửa lên trên mà lại quay xuống dưới, tạo ra lực ép chiếc xe xuống mặt đường đua. Lực này được điều chỉnh bằng cánh thay đổi độ cong hay góc nghiêng của các cánh gió so với hướng gió thổi tới.

Việc điều chỉnh lực ép xuống giúp chiếc xe thích ứng với các đường đua khác nhau. Ở những chặng có ít khúc ngoặt gấp, nhiều đoạn thẳng như Monza (Italy) hay Hockenheim (Đức), chiếc xe cần ít lực ép xuống hơn so với các đường đua phức tạp, nhiều lượn tay áo như Monaco hay Hungary.

Mô phỏng luồng không khí trượt trên cánh đuôi xe F1.

Chiến thuật của tay đua cũng khiến các kỹ sư phải cân nhắc khi đặt góc nghiêng cánh gió. Nếu anh ta chọn cách chạy với ít nhiên liệu, xe sẽ nhẹ và khỏe hơn những chiếc đổ đầy bình xăng. Trong trường hợp này cánh gió cần tạo nhiều lực ép xuống hơn để tay đua có thể phanh muộn và vào cua với tốc độ cao hơn. Đây là cách tạo lợi thế khi cần vượt những xe phía trước, thường áp dụng cho những xe có thứ hạng xuất phát thấp.

Yếu tố khí động thứ hai là lực cản, bao gồm 2 thành phần chính: sức cản do hình dạng xe tạo ra và ma sát giữa không khí với vỏ xe. Những tác động loại này làm giảm tốc độ, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và cản trở việc điều khiển. Các kỹ sư làm giảm lực cản bằng cách thiết kế xe với những khối thon về phía trước, những đường cong mềm mại, loại bỏ các góc gấp đột ngột và làm trơn láng bề mặt các chi tiết.

Khi lực ép xuống tăng thì lực cản cũng tăng, do vậy trước mỗi chặng đua, các tay đua và nhóm chuyên gia thường phải tìm ra tỉ lệ thích hợp nhất giữa 2 lực này, để áp dụng với chính đường đua đó.

Cánh mũi trong khi phanh, mô phỏng bởi máy tính.

Độ cân bằng của xe là vấn đề cuối cùng mà các kỹ sư khí động học cần giải quyết. Khi phanh hoặc tăng tốc, độ cao của xe so với mặt đường thay đổi. Cụ thể, khi phanh mũi xe bị chúi xuống, tăng góc nghiêng giữa cánh trước và dòng không khí, lực ép xuống và lực cản tăng lên theo. Đồng thời cánh sau bị nâng lên, tạo ra các tác động ngược lại.

Ngoài những vấn đề trên, các kỹ sư cũng phải giải quyết nhiều bài toán hóc búa liên quan đến khí động lực, chẳng hạn như hướng luồng không khí đi vào các bộ tản nhiệt ở 2 bên hông xe dễ dàng, giúp làm mát động cơ hiệu quả hơn.

Mô hình chiếc F1 bằng nhựa để đưa vào ống khí động.

Các nghiên cứu về khí động học được tiến hành trong các phòng thí nghiệm có các buồng gió lớn đủ để đặt các mô hình xe F1 to bằng một nửa kích thước thật. Ngoài ra còn có chương trình máy tính đặc biệt mô phỏng và tính toán được các lực khí động tác dụng lên từng bộ phận nhỏ mà không cần dùng đến buồng gió, giảm chi phí và thời gian nghiên cứu. Các chi tiết phụ được thiết kế và thử nghiệm trên máy tính, sau đó lắp lên thân chính và đưa vào ống khí động, trong đó các luồng không khí có tốc độ và hướng khác nhau được tạo ra nhằm mô phỏng các tình huống thực trên đường đua. Thiết bị cảm ứng được gắn trên tất cả các bộ phận của xe để đo các lực khí động, việc tổng hợp các số đo sẽ là cơ sở để đưa ra thiết kế hợp lý.

Ở giai đoạn cuối cùng, chiếc F1 thực được chế tạo theo đúng như mô hình và chạy thử trên các đường đua. Các chuyên gia sẽ thu thập thêm các dữ liệu và tiến hành nốt các hiệu chỉnh cần thiết, trước khi nó được phép tham gia các cuộc đua chính thức.

Đ.H. (theo FormulaOne)