Giải thích đơn giản: Cánh trước xe F1

Cánh trước của xe F1 đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra downforce, nhưng qua nhiều năm chúng đã thay đổi với nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Những thay đổi về quy định khí động học năm 2022 đã thay đổi đáng kể hình dáng của cánh trước, cũng như cách chúng được sử dụng để xe chạy nhanh quanh đường đua.

Cánh trước của xe F1 là bộ phận quan trọng trên xe tạo ra downforce và dẫn hướng luồng không khí bên dưới, bên trên và xung quanh xe.

Mặc dù những thay đổi trong bộ quy tắc năm 2022 đã đơn giản hóa cánh trước của F1 tới một mức độ nào đó, nhưng chúng vẫn tạo ra rất nhiều downforce và là một trong những bộ phận quan trọng nhất của xe.

1. Cánh trước hoạt động như thế nào?

Cánh gió trước của xe F1 giúp tạo ra downforce, đồng thời phân phối và tác động đến luồng không khí bên trên, bên dưới và xung quanh xe. Chúng tạo downforce bằng cách tạo ra một vùng có áp suất cao phía trên cánh và áp suất thấp bên dưới nó. Ngoài ra còn có thể thông qua hiệu ứng hút, hay còn được gọi là hiệu ứng mặt đất.

Chúng ta hãy xem xét một cách chi tiết hơn để hiểu chính xác cách thức hoạt động của cánh trước.

2. Cánh trước tạo ra downforce như thế nào?

Cách đầu tiên cũng là cách phổ biến nhất là tạo ra sự chênh lệch áp suất bên trên và bên dưới cánh. Để hiểu rõ hơn, chúng ta cần nói về ba điều: nguyên lý Bernoulli, hiệu ứng Venturi và phương trình liên tục.

2.1. Nguyên lý Bernoulli

Nguyên lý Bernoulli, nói một cách đơn giản là khi bạn tăng tốc độ của chất lỏng thì áp suất của nó sẽ giảm. Không khí được phân loại như một chất lỏng, vì vậy nếu bạn tăng tốc độ không khí, bạn có thể giảm áp suất của nó. Chúng ta có thể thấy điều này đang diễn ra thông qua hiệu ứng Venturi.

2.2. Hiệu ứng Venturi

Hiệu ứng Venturi là sự giảm áp suất quan sát được khi cho chất lỏng (như không khí) qua một điểm thắt (thường được biểu thị bằng một đường ống, theo sơ đồ bên dưới).

Từ nguyên lý Bernoulli ở trên, hiện tượng này xảy ra là do không khí tăng tốc khi qua chỗ thắt, làm giảm áp suất của nó. Nhưng tại sao nó lại tăng tốc?

2.3. Phương trình liên tục

Phương trình liên tục giải thích rằng lượng chất lỏng bạn đưa vào một đầu phải chảy ra ở đầu kia. Nói một cách phức tạp hơn, tích của diện tích mặt cắt ngang và vận tốc của chất lỏng tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường ống (hoặc hệ thống khép kín khác) là không đổi.

Nói cách khác, tốc độ của chất lỏng nhân với diện tích mặt cắt ngang của đường ống là không đổi tại mỗi điểm. Nhưng tại sao điều này lại quan trọng đối với cánh gió trước?

Chúng ta có thể nghĩ hành trình mà không khí trải qua khi nó chạm vào cánh trước là một quãng đường dài hoặc một quãng đường ngắn. Do hình dạng của cánh mà không khí đi qua phần phía trên sẽ di chuyển một quãng đường ngắn hơn không khí đi bên dưới.

Phương trình liên tục cho chúng ta biết rằng lượng không khí đi vào phía trước cần bằng với lượng không khí thoát ra ở phía sau.

Để thực hiện điều này, không khí đi theo đường dài hơn (bên dưới cánh) phải tăng tốc. Và từ nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩa là áp suất của nó sẽ giảm. Từ đó tạo ra sự chênh lệch giữa áp suất cao ở phía trên và áp suất thấp ở dưới. Hiện tượng này sẽ “đẩy” cánh về phía mặt đất, tạo ra downforce.

Nhưng hiệu ứng Venturi và hiệu ứng mặt đất phát huy tác dụng ở đâu?

3. Sử dụng hiệu ứng mặt đất

Khi bề mặt khí động học càng gần mặt đất thì nó tạo ra càng nhiều lực nâng (do đó có ‘hiệu ứng mặt đất’). Nếu ở máy bay thì lực nâng này sẽ đẩy máy bay lên không trung.

Còn ở trên xe F1, cánh gió bị ‘đảo ngược’ có nghĩa là nó không tạo ra nhiều lực nâng hơn khi càng gần mặt đất, nhưng nó tạo ra nhiều downforce hơn (đôi khi được gọi là lực nâng âm).

Cánh gió làm được điều này là do phần cánh gần mặt đất hoạt động giống như một điểm thắt trong đường ống. Đây là khi hiệu ứng Venturi hoạt động và áp suất giảm do không khí phải tăng tốc nhanh hơn để đi qua chỗ thắt. Áp suất thấp hơn này có tác dụng ‘hút’ và ‘kéo’ xe đến gần mặt đất hơn, từ đó làm tăng downforce.

4. Các vai trò khác của cánh trước

Không chỉ có cánh trước tạo ra downforce mà sàn xe cũng là một khu vực cực kỳ quan trọng. Các đường hầm Venturi được “khắc” vào sàn xe để tận dụng hiệu ứng mặt đất tốt hơn. Tuy nhiên, cánh trước vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát lượng không khí lưu thông vào phần này của xe.

Việc nâng cánh trước làm giảm hiệu quả của cánh trong việc tạo ra downforce thông qua hiệu ứng mặt đất, nhưng nó cho phép sử dụng nhiều luồng không khí bên dưới xe để dẫn ra sau, từ đó để tạo ra downforce.

Vậy nên có thể thấy, cần có sự cân bằng và có nhiều vai trò khác nhau được thực hiện bởi cánh trước trên xe F1. Bây giờ chúng ta hãy xem xét một bộ phận quan trọng khác của cánh trước – tấm chắn cánh gió.

5. Tấm chắn cánh gió phía trước có tác dụng gì trên xe F1?

Các tấm chắn cánh trước trên xe F1 ngăn luồng không khí thoát ra khỏi hai bên cánh và lọt vào trong đó.

Nếu không khí này lọt xuống bên dưới cánh, nó sẽ hạn chế hiệu quả trong việc tạo ra downforce và tạo ra các xoáy lốc không khí không thể kiểm soát được. Nó có thể làm gián đoạn các thành phần khí động học ở phía sau.

Mặc dù chúng có vẻ nhỏ và không đáng kể so với phần còn lại của cánh gió, nhưng chỉ một hư hỏng nhỏ nhất ở tấm chắn cũng có thể khiến hiệu suất của một chiếc xe F1 bị giảm đi đáng kể.

Lưu ý: Lượng downforce bị mất sẽ khác nhau tùy vào từng xe và tùy thuộc vào mức độ hư hỏng. Chúng ta đã thấy Charles Leclerc thi đấu cực kỳ xuất sắc tại GP Anh 2022 mặc dù anh ấy đã mất hoàn toàn một trong những tấm chắn.

6. Tấm chắn cánh trước hiện tại

Tấm chắn cánh gió trước hiện tại trông rất khác so với các thế hệ trước. Các tấm chắn mới được đơn giản hóa lại nhằm mục đích chuyển hướng không khí về phía các cánh gió nhỏ trên lốp và ngang vỏ bánh xe, điều này sẽ làm chệch hướng không khí ra khỏi xe phía sau.

Tôi sẽ nói nhiều hơn về những thay đổi ở cánh trước do những thay đổi về quy định khí động học năm 2022 ở bên dưới. Nhưng điều đáng nói ở đây là các thiết kế tấm chắn hiện tại đang khiến các nhà khí động học F1 đau đầu, vì chúng không có khả năng tạo ra các xoáy lốc hữu ích như những chiếc xe trước đó.

Những xoáy lốc này được sử dụng để giữ không khí hỗn loạn thoát ra khỏi lốp trước. Các quy tắc mới đã làm giảm xoáy lốc cả về số lượng cũng như hiệu quả của chúng. Đặc biệt là họ còn loại bỏ tấm chân - vốn là một máy tạo xoáy rất hữu ích ở bên ngoài tấm chắn.

Nhưng trước khi đi vào chi tiết hơn về tấm chân và những thay đổi của bộ quy tắc năm 2022, chúng ta hãy xem cánh trước của F1 hoạt động như thế nào trong quá khứ.

7. Cánh Gió Trước Của Những Chiếc F1 Trong Quá Khứ

Các thế hệ xe F1 trước đây có cánh trước phức tạp với nhiều bộ phận, tấm và cánh nhỏ khác nhau. Hình dạng của những cánh này tạo ra downforce giống như cách các cánh trước được đơn giản hóa hiện nay, nhưng những cánh gió phức tạp đóng vai trò quan trọng hơn trong việc dẫn luồng không khí đi qua xe.

Để giúp dẫn luồng không khí qua xe hiệu quả hơn, một yếu tố khí động học gọi là xoáy lốc đã được sử dụng. Đây là những vòng xoắn không khí có năng lượng cao điều khiển luồng không khí xung quanh chúng.

Trong trường hợp các xoáy xuất phát từ cánh trước, mục tiêu là giữ không khí hỗn loạn tránh xa các bộ phận khí động học quan trọng khác ở phía sau. Điều này được thực hiện bằng cách tạo ra hiện tượng “rửa trôi”, giúp bịt kín gầm xe.

Lưu ý: Trong hầu hết các trường hợp, xoáy lốc tự gây ra lực cản. Tuy nhiên, nó giúp giảm lực cản ở những nơi khác, cuối cùng mang lại lợi thế về hiệu suất tổng thể cho xe.

Các xoáy lốc không khí được tạo ra bằng cách sử dụng các cánh điều hướng dưới biên dạng cánh, nhằm cho phép góc tấn lớn hơn mà không làm gián đoạn dòng khí trên cánh. Chúng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho lớp ranh giới của gầm xe và tăng tốc dòng không khí.

8. Khả năng làm mát xe

Việc tạo dòng xoáy lốc cũng mang lại luồng không khí vào bên trong xe tốt hơn thông qua hiệu ứng phân luồng. Để làm mát động cơ xe và các bộ phận bên trong khác, cần có nhiều luồng không khí đi qua bộ tản nhiệt thông qua các hốc lấy gió làm mát thân xe.

Việc sử dụng xoáy lốc cho phép các đội dẫn không khí xung quanh các bộ phận khác nhau ở phía trước xe và đi vào các cửa hút gió để làm mát hiệu quả.

Lưu ý rằng bản thân các xoáy lốc không được sử dụng để làm mát, và các luồng không khí dạng xoắn ốc cũng không đi vào cửa hút gió của hốc lấy gió mà được dẫn động một phần bởi các xoáy này.

Nhưng có một xoáy lốc đặc biệt mà bạn có thể đã nghe qua trong các thế hệ cánh trước ở Công thức 1 – cơn lốc Y250.

9. Vòng xoáy lốc Y250 là gì?

Vòng xoáy lốc Y250 được tạo ra ở hai bên đường tâm của xe cách 250 mm trên các thế hệ xe F1 trước đó. Không khí trong vòng xoáy này có năng lượng cực cao và việc điều khiển nó xung quanh xe từ cánh trước đã giúp dẫn luồng không khí vào cửa hút làm mát.

Dòng xoáy lốc được tạo ra do sự chênh lệch áp suất giữa phần trung tính ở giữa cách đường tâm và phần còn lại của cánh trước 250 mm.

Vòng xoáy lốc Y250 có thể hút không khí ở mép sàn, qua đó tạo ra hiệu ứng hút giúp cải thiện hiệu quả khí động học ở khu vực này.

Điều này có lợi cho cửa nạp của hốc lấy gió nói riêng và bản thân gầm xe nói chung. Cả hai khu vực đều được hưởng lợi từ luồng không khí tốt hơn, vì lực hút này có thể cung cấp không khí năng lượng cao cho gầm xe (hữu ích cho việc tạo ra downforce).

Vòng xoáy lốc Y250 đồng thời giữ bánh trước cách xa xe, và quan trọng là cách xa sàn xe. Nó cũng hoạt động giống như một vòng bao khí động học ở mép sàn, ngăn không khí lọt vào gầm xe ở hai bên. Do đó, nó làm tăng đáng kể hiệu quả của gầm xe về mặt tạo ra downforce.

Nhưng xoáy lốc Y250 đã biến mất sau những thay đổi về quy định năm 2022, vì sẽ không còn khoảng cách nào giữa đỉnh mũi xe và các bộ phận cánh trước.

10. Vấn đề về không khí bẩn

Mặc dù những xoáy lốc này giúp chiếc xe tạo ra downforce và dẫn không khí đến các hốc lấy gió để làm mát bên trong. Tuy nhiên, nó lại tạo ra cơn ác mộng cho những chiếc xe phía sau khi để lại luồng không khí hỗn loạn, áp suất thấp để chúng chạy qua, phần lớn là do hiện tượng “rửa trôi” được tạo ra.

Những chiếc xe F1 thường được cho là “đục một lỗ trên không”, để lại luồng không khí hỗn loạn với áp suất thấp và năng lượng thấp phía sau, khiến những chiếc xe phía sau không thể tạo ra nhiều downforce.

Không khí hỗn loạn không những không tốt trong việc tạo ra downforce mà còn không tốt cho việc làm mát xe. Điều đó khiến việc bám đuổi chiếc xe phía trước trong những năm trước trở nên khó khăn. Đó là bởi vì chiếc xe phía sau không những không thể tạo ra nhiều downforce ở các góc cua.

11. Cánh trước của F1 thay đổi như thế nào vào năm 2022

Sự khác biệt rõ ràng nhất khi so sánh cánh gió trước hiện tại với trước đây là hình dạng của các bộ phận của nó.

So với các cánh gió trước trước đây khi chúng có thể tạo ra tới 6 cơn xoáy lốc khác nhau, các quy tắc mới đã giảm con số này xuống chỉ còn hai. Đó là xoáy ở đầu cánh và xoáy lốc cánh chúi.

Một thay đổi lớn khác là loại bỏ các tấm sàn. Mục đích của chúng là ngăn không khí xung quanh có áp suất cao hơn lọt vào dưới cánh trước ở hai bên.

Điều này có nghĩa là có một lượng không khí lọt vào dưới cánh trước, và các cánh trước không thể tạo ra dòng khí thoát ra ngoài như trước đây do thiếu công cụ tạo xoáy lốc.

Do đó, các đội đã phải chấp nhận điều chỉnh thiết kế của mình cho phù hợp với phần còn lại của triết lí khí động học của họ. Đây là lý do tại sao chúng ta thấy rất nhiều điểm khác biệt giữa cánh gió trước trên xe khi nhìn kỹ vào chúng.

12. Sự khác biệt ở cánh trước giữa các đội

Bây giờ chúng ta hãy xem xét một số điểm khác biệt chính mà chúng ta đã thấy ở những chiếc xe khác nhau.

Bắt đầu mùa giải 2022, Mercedes đã có các chi tiết lớn hơn ở bên ngoài cánh trước và hướng vào bên trong, vì gần với đỉnh mũi xe hơn nên có những đường cắt lớn. Điều này cho phép nhiều không khí hơn đi vào đường hầm Venturi của xe để tạo ra downforce.

Mặt khác, Ferrari có bộ phận cánh trước đều hơn cho phép ít không khí qua sàn xe hơn. Điều này cho phép cánh gió trước tạo ra nhiều downforce, giúp phần đầu xe bám đường tốt hơn khi qua các góc cua tốc độ cao.

12.1. Phần đính kèm cánh trước

Một khu vực khác mà các đội có thể thực hiện các cách tiếp cận khác nhau là nơi cánh trước gắn vào mũi xe. Một số đội chọn gắn cánh trước của họ vào mặt phẳng chính của cánh trước (bộ phận thấp nhất).

Các đội khác chọn gắn mũi vào mặt phẳng thứ hai (ngay phía trên bộ phận thấp nhất), để lại một khoảng trống giữa mặt phẳng thấp nhất và mặt phẳng thứ hai ở cánh trước. Làm như vậy sẽ khiến phần dưới gần mặt đất hơn, từ đó làm giảm luồng không khí bên dưới cánh.

Điều này làm tăng tốc độ của luồng không khí dưới cánh, giúp tạo ra downforce phần đầu xe.

12.2. Chiều cao của cánh trước

Aston Martin đã thu hút sự chú ý của rất nhiều người khi lần đầu tiên trình làng chiếc xe ở mùa giải 2022 của mình.

Cụ thể là do cánh trước của họ được chế tạo cao hơn nhiều so với những gì chúng ta thường thấy trên một chiếc xe Công thức 1, khiến phần sàn bên dưới xe tương đối lộ ra ngoài. McLaren sau đó đã cho ra mắt chiếc xe của mình và cánh trước của họ thấp hơn nhiều so với Aston Martin.

Trước đây, đặt cánh trước càng thấp so với mặt đất thì càng tốt vì nó tận dụng tối đa hiệu ứng mặt đất. Tuy nhiên, những chiếc xe hiện tại có thể sử dụng nhiều đường dẫn bên dưới khác nhau để tạo ra downforce, và việc nâng cánh trước lên sẽ có lợi vì bạn sẽ có nhiều không khí vào sàn xe hơn.

13. Tổng kết

Cánh trước của xe F1 là bộ phận khí động học quan trọng trên xe. Chúng được sử dụng để tạo ra downforce và cũng đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng luồng không khí bên dưới và xung quanh xe. Chúng đã thay đổi rất nhiều trong những năm qua, và những thay đổi về quy tắc năm 2022 đã giúp đơn giản hóa chúng so với những năm trước.