Sức mạnh của gió

Một buổi chiều tháng Sáu trời nắng đẹp, và bạn quyết định mang chiếc xe đạp của mình ra dạo quanh một vòng thành phố. Tới ven bờ hồ điều hòa, bạn dừng xe tại quán nước mía quen thuộc, uống một ly thật mát lạnh trước khi trở về nhà. Nhưng bỗng trời bắt đầu tối sầm lại, mây đen nhanh chóng kéo tới, và trời bắt đầu đổ cơn mưa giông chuyển mùa. Thật may, bạn là người cẩn thận và đã mang theo mình chiếc áo mưa tiện lợi. Bạn trả tiền nước, mang áo mưa vào người, và bắt đầu khởi hành chặng về.

Nhanh chóng, bạn bắt đầu phát hiện ra một vài vấn đề. Thứ nhất, gió làm chiếc áo mưa bị thổi phồng lên. Bạn cảm nhận một lực rất lớn đẩy mình về phía sau, và đầu gối và cơ đùi thì bắt đầu mỏi nhanh hơn vì mất sức. Thứ hai, những chiếc xe máy phía trước thay nhau bắn lên người bạn những tia nước bẩn từ mặt đường. Và cuối cùng, điều tệ nhất là những chiếc xe ô tô tạt nhanh qua bên mạn trái; chúng làm cho bạn ướt sũng vì xối nước mà chẳng hề nghe thấy tiếng chửi bới của bạn trong cơn mưa. Bạn về tới nhà trong hình ảnh của một chú chuột mệt mỏi, ướt át, bẩn thỉu. Bạn vội tắm rửa và ăn tối. Trong bữa tối, bạn kể cho cả nhà nghe về chuyến đi dạo chiều với tâm trạng bực bội, và mọi người thì được bữa cười phá lên. Thằng anh của bạn, học chuyên Lí, vỗ vai bạn xoa dịu: "Đen gì, cái đấy người ta gọi là khí động lực học đấy em".

Khí động lực học bắt nguồn từ việc nghiên cứu chế tạo máy bay và sau này được đưa vào áp dụng cho xe ô tô. Về cơ bản, nó nghiên cứu chuyển động của dòng chất khí và những chất được khí mang theo (như đất, bụi, nước mưa...) lên một chiếc xe đang di chuyển. Dù nghe có vẻ nhẹ nhàng, loại chuyển động này cực kì quan trọng vì nó tác động trực tiếp tới những yếu tố then chốt của một chiếc xe: hiệu suất, cảm giác lái, tiêu hao nhiên liệu, phát thải khí, và tiện nghi của người lái. Để dễ hình dung hơn, chúng ta cùng quay lại với ví dụ về chuyến xe đạp trong cơn mưa.

Đầu tiên, chiếc áo mưa tiện lợi khi mặc lên người đã làm tăng diện tích trực diện (frontal area, A) của bạn. Điều này làm tăng lực cản (drag force, Fd) mà gió tác động lên bạn theo hướng ngược với chiều chuyển động. Bạn cần tạo ra một lực mạnh hơn lên pedal xe để thắng được lực cản tăng lên này. Ngoài diện tích trực diện, một yếu tố khác cũng tác động lên lực cản của gió là hệ số cản gió (drag coefficient, Cd). Hệ số này chỉ phụ thuộc vào hình dạng bên ngoài của vật thể; đối với người đi xe đạp, hệ số này vào khoảng 1.1.

Những điều này đều đúng với xe ô tô. Ngày nay, hệ số cản gió trung bình của một chiếc xe rơi vào khoảng 0.4 đối với xe Mỹ và khoảng 0.3 đối với xe châu Âu, do châu Âu áp dụng các điều kiện phát thải khắt khe hơn. Với chiều cao thấp và thiết kế đặc biệt hơn, những chiếc siêu xe thể thao hoàn toàn đạt được hệ số cản gió Cd và diện tích trực diện A thấp, qua đó không mất quá nhiều công suất để thắng được lực cản của gió. Khi chiếc xe di chuyển, lực cản này cũng tăng lên tỷ lệ với bình phương vận tốc tương đối của nó so với gió, và công suất tiêu hao Pd thì tăng tỷ lệ với lập phương của vận tốc này. Vậy, khi so sánh độ tối ưu của hai chiếc xe với nhau trên phương diện cản gió, chúng ta cần xem xét cả ba khía cạnh đã nêu.

Trong đó là lực cản gió là khối lượng riêng của không khí vận tốc tương đối của xe so với không khí là diện tích trực diện của xe và là hệ số cản gió.

Hai vấn đề còn lại về chuyến xe đạp khiến bạn khó chịu khi bị bắn nước từ mặt đường liên quan tới dòng chảy của luồng khi đi qua một chiếc xe đang di chuyển. Chính dòng khí này là tác nhân mang theo những hạt nước từ mặt đường lên không trung. Thường thì dòng khí bị xáo trộn ở hai vị trí chính trên xe: một là ở các đường thiết kế gấp khúc, không liền mạch, và hai là ở đuôi xe.

Trong khi xe chạy, khu vực bánh xe và vòm bánh xe tạo ra nhiều chuyển động khiến cho dòng khí chảy qua đây bị nhiễu loạn mạnh. Do đó, nước và bụi bẩn trên mặt đường chịu áp lực lớn và bắn lên không trung. Tùy từng khu vực nhỏ hơn ở vòm bánh xe mà hình dạng của nhiễu loạn sẽ khác nhau. Nếu tinh ý, chúng ta có thể thấy ở phần nửa dưới bánh xe, nước bị bắn lên thành tia, nhưng ở phần nửa trên bánh xe, các giọt nước trong không khí tập hợp tạo thành xoáy lốc.

Đuôi xe là nơi dòng khí đi qua phần đầu, thân, và gầm xe thoát đi, và là nơi dòng khí bị nhiễu loạn mạnh. Có ba lý do chính tạo ra nhiễu loạn này. Thứ nhất, các dòng khí độc lập chạy qua các bề mặt trên, dưới, hai bên xe sẽ tập hợp lại ở đây. Nếu đuôi xe không được "chăm sóc" tỉ mỉ, các dòng khí này sẽ không "sáp nhập" suôn sẻ mà sẽ va chạm với nhau tạo ra hỗn loạn. Thứ hai, ở đuôi xe, dòng khí bị tách khỏi bề mặt xe và không còn đường dẫn để "bám" vào, chúng thường có khuynh hướng tạo thành xoáy lốc. Thứ ba, do di chuyển trên những đoạn đường có độ dài khác nhau, theo nguyên lý Bernoulli, các dòng khí thoát ra ở đây có áp suất khác nhau, cũng là nguyên nhân dẫn đến sự xáo trộn.

Nên nhớ rằng, những tinh chỉnh trong thiết kế đuôi xe dù không làm thay đổi diện tích trực diện A nhưng vẫn gián tiếp tác động lên hệ số cản gió Cd, và do đó vẫn giúp cải thiện tính khí động lực học. Mục đích chính của những tinh chỉnh này trong thiết kế là giúp điều hướng dòng khí tốt hơn và giảm nhiễu loạn ở đuôi xe, qua đó khiến cho dòng khí từ phần đầu xe được truyền tới "mượt" hơn và ít bị cản trở.

Tuy nhiên, cánh gió ở đuôi xe lại là một ngoại lệ. Chúng được sử dụng với mục đích tăng lực ép xuống mặt đường (downforce) để giữ cân bằng cho xe khi vào cua ở tốc độ cao, nhưng ngược lại làm tăng hệ số cản Cd. Ở nhiều mẫu xe thể thao, bài toán cân đong đo đếm giữa cản gió và cân bằng xe này được hãng xe tính toán kỹ lưỡng nhằm đạt được mục tiêu tối ưu nhất của mình.

Về lý thuyết, khí động lực học là một khái niệm rất rộng và thú vị. Nó đóng vai trò gần như tiên quyết đối với ngành hàng không, vũ trụ; nhưng với ngành công nghiệp ô tô, vai trò của những nhà khí động lực học (aerodynamicist) trong quá trình phát triển xe hơi vẫn còn có nhiều vướng mắc. Thực tế thì, trong giai đoạn sơ khởi của một chiếc xe, hãng xe đã định vị chiếc xe cho một thị trường và đối tượng khách hàng nhất định, và do đó kích thước (hay diện tích trực diện) và thiết kế bên ngoài của chiếc xe đã được định đoạt từ rất sớm. Công việc của các nhà khí động lực học gần như bị bó hẹp ở một số khu vực rất hạn chế trên chiếc xe.

Sớm nhận thấy vai trò tối quan trọng của khí động lực học, trong suốt quá trình phát triển của mình, Porsche đã và đang luôn có những sự đầu tư nhất định. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết phân hệ này ở Porsche trong phần IV. Đường hầm gió và CFD. Cũng trong phần tới, chúng ta sẽ "mổ xẻ" một trong những biểu tượng của Porsche với động cơ tăng áp của mình – chiếc Porsche 911 Turbo 3.3 1982 – trên phương diện khí động lực học của nó.