19 Dec 2017

Động lực học trên xe hơi

Trên lý thuyết, một đĩa tròn phẳng có hệ số cản không khí Cd bằng 1, nhưng sau khi thay đổi hình dạng mép viền của đĩa, hệ số cản sẽ tăng lên vào khoản 1,2. Hình dạng có hiệu suất khí động tốt nhất là hình dạng của một giọt nước đang rơi, hệ số cản Cd của nó là 0,05. Tuy nhiên, người ta không thể thiết kế một chiếc xe có hình dạng như thế. Một kiểu xe thông thường có hệ số cản vào khoản 0,3.

Lực cản gió của xe tỷ lệ với hệ số cản không khí, diện tích cản chính diện và bình phương vận tốc của xe. Bạn có thể nhận thấy rằng, một chiếc xe chạy với vận tốc 200 km/h phải chịu lực cản gấp 4 lần một chiếc xe như thế chạy với vận tốc 100 km/h. Bạn cũng có thể thấy rõ sự ảnh hưởng của lực cản đến tốc độ tối đa của xe. Nếu chúng ta muốn nâng tốc độ tối đa của chiếc Ferrari Testarossa từ 290 km/h lên 320 km/h như chiếc Lamborghini Diablo mà không thay đổi hình dáng của nó, chúng ta cần phải nâng công suất của động cơ từ 390 mã lực lên 535 mã lực! Nhưng tốc độ cực đại cao như vậy hoàn toàn có thể đạt được mà không cần nâng cao công suất động cơ nếu chúng ta chi thêm nhiều tiền bạc và thời gian vào việc nghiên cứu khí động học, giảm hệ số Cd từ 0.36 xuống còn 0,29 cũng mang lại kết quả tương tự như nâng công suất từ 390 mã lực lên 535 mã lực.

Thông thường, trong các phòng thí nghiệm, để nghiên cứu tính khí động học của ô tô, người ta tạo ra một mô hình xe giống với chiếc xe ngoài thực tế, đặt mô hình này vào một hầm có dạng ống (hầm gió), rồi thổi một luồng khí vào trong hầm; luồng khí chuyển động qua mô hình tĩnh, tương tự với một chiếc xe chuyển động trong không khí ở bên ngoài. Trên mô hình có gắn các thiết bị, cảm biến thu nhận tín hiệu, nhờ vào lý thuyết tương tự, người ta tính được các thông số khí động học của chiếc xe trên thực tế.

Kiểu thiết kế đuôi trơn

Vào những năm 60, các kỹ sư của các đội đua bắt đầu nắm được những điểm đáng lưu ý của khí động học. Họ nhận thấy rằng, nếu giảm độ nghiêng của phần đuôi xe xuống còn 20 độ hoặc ít hơn, thì dòng không khí sẽ lượn theo lưng mui một cách rất suôn sẻ và lực cản được giảm đi nhiều. Họ đã gọi kiểu thiết kế này là “Fastback” (đuôi trơn). Và kết quả, rất nhiều xe đua, chẳng hạn Porche 935/78 (hình bên) đã tạo nên một cái đuôi dài, thấp rất thái quá ở phía sau.

Với kiểu xe thiết kế theo dạng 3 hộp, dòng khí thoát khỏi xe ở phía cuối mui theo một đường thẳng suốt. Trong khi đó, góc cắt gấp đột ngột của kính chắn hậu tạo nên một vùng áp suất thấp, vùng này cuốn những dòng khí quay ngược về để bù đắp lại, vì thế, nó tạo nên dòng chảy rối của khí. Dòng chảy rối của khí luôn tác động tiêu cực đến (tăng) hệ số cản không khí của xe.

Tuy nhiên, kiểu thiết kế này vẫn còn khả dĩ hơn một số kiểu thiết kế khác ở thời kỳ này. Nếu góc nghiêng của kính chắn hậu trong khoản từ 30 đến 35 độ, dòng khí chuyển động sẽ rất hỗn độn, nó dễ dàng phá vỡ tính ổn định của xe khi chạy ở tốc độ cao. Trước đây, các hãng sản xuất không có nhiều hiểu biết về vấn đề này và họ đã tạo ra những chiếc xe như vậy.

 

 

Trên lý thuyết, một đĩa tròn phẳng có hệ số cản không khí Cd bằng 1, nhưng sau khi thay đổi hình dạng mép viền của đĩa, hệ số cản sẽ tăng lên vào khoản 1,2. Hình dạng có hiệu suất khí động tốt nhất là hình dạng của một giọt nước đang rơi, hệ số cản Cd của nó là 0,05. Tuy nhiên, người ta không thể thiết kế một chiếc xe có hình dạng như thế. Một kiểu xe thông thường có hệ số cản vào khoản 0,3.

Lực cản gió của xe tỷ lệ với hệ số cản không khí, diện tích cản chính diện và bình phương vận tốc của xe. Bạn có thể nhận thấy rằng, một chiếc xe chạy với vận tốc 200 km/h phải chịu lực cản gấp 4 lần một chiếc xe như thế chạy với vận tốc 100 km/h. Bạn cũng có thể thấy rõ sự ảnh hưởng của lực cản đến tốc độ tối đa của xe. Nếu chúng ta muốn nâng tốc độ tối đa của chiếc Ferrari Testarossa từ 290 km/h lên 320 km/h như chiếc Lamborghini Diablo mà không thay đổi hình dáng của nó, chúng ta cần phải nâng công suất của động cơ từ 390 mã lực lên 535 mã lực! Nhưng tốc độ cực đại cao như vậy hoàn toàn có thể đạt được mà không cần nâng cao công suất động cơ nếu chúng ta chi thêm nhiều tiền bạc và thời gian vào việc nghiên cứu khí động học, giảm hệ số Cd từ 0.36 xuống còn 0,29 cũng mang lại kết quả tương tự như nâng công suất từ 390 mã lực lên 535 mã lực.

Thông thường, trong các phòng thí nghiệm, để nghiên cứu tính khí động học của ô tô, người ta tạo ra một mô hình xe giống với chiếc xe ngoài thực tế, đặt mô hình này vào một hầm có dạng ống (hầm gió), rồi thổi một luồng khí vào trong hầm; luồng khí chuyển động qua mô hình tĩnh, tương tự với một chiếc xe chuyển động trong không khí ở bên ngoài. Trên mô hình có gắn các thiết bị, cảm biến thu nhận tín hiệu, nhờ vào lý thuyết tương tự, người ta tính được các thông số khí động học của chiếc xe trên thực tế.

Kiểu thiết kế đuôi trơn

Vào những năm 60, các kỹ sư của các đội đua bắt đầu nắm được những điểm đáng lưu ý của khí động học. Họ nhận thấy rằng, nếu giảm độ nghiêng của phần đuôi xe xuống còn 20 độ hoặc ít hơn, thì dòng không khí sẽ lượn theo lưng mui một cách rất suôn sẻ và lực cản được giảm đi nhiều. Họ đã gọi kiểu thiết kế này là “Fastback” (đuôi trơn). Và kết quả, rất nhiều xe đua, chẳng hạn Porche 935/78 (hình bên) đã tạo nên một cái đuôi dài, thấp rất thái quá ở phía sau.

Với kiểu xe thiết kế theo dạng 3 hộp, dòng khí thoát khỏi xe ở phía cuối mui theo một đường thẳng suốt. Trong khi đó, góc cắt gấp đột ngột của kính chắn hậu tạo nên một vùng áp suất thấp, vùng này cuốn những dòng khí quay ngược về để bù đắp lại, vì thế, nó tạo nên dòng chảy rối của khí. Dòng chảy rối của khí luôn tác động tiêu cực đến (tăng) hệ số cản không khí của xe.

Tuy nhiên, kiểu thiết kế này vẫn còn khả dĩ hơn một số kiểu thiết kế khác ở thời kỳ này. Nếu góc nghiêng của kính chắn hậu trong khoản từ 30 đến 35 độ, dòng khí chuyển động sẽ rất hỗn độn, nó dễ dàng phá vỡ tính ổn định của xe khi chạy ở tốc độ cao. Trước đây, các hãng sản xuất không có nhiều hiểu biết về vấn đề này và họ đã tạo ra những chiếc xe như vậy.