Khí động học: đằng sau những chiếc xe “đuôi dài”

Sự quan tâm đối với tính khí động học đang gia tăng đáng kể, vậy nên những mẫu xe “đuôi dài” ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực đua xe. Hai ví dụ điển hình có thể kể tới là McLaren F1 GTR Longtail và Porsche 917 LH.

Phần đuôi dài được sử dụng nhằm thay đổi hiệu năng khí động của một mẫu xe đua bằng cách vận dụng những lợi thế về cơ khí của gói thiết kế khí động theo hai cách:

• Việc đặt cánh gió sau cách xa trục sau tăng cường hiệu ứng đòn bẩy. Trong một hệ thống mà trục trước đóng vai trò điểm tựa, thiết kế đuôi dài giúp tạo ra lực ép lớn hơn đối với trục sau, tăng mức tải lên bánh xe. Đánh đổi lại, khi lực ép xuống đặt tại trục sau tăng lên, lực này tại trục trước sẽ giảm đi nhằm cân bằng momen.
• Hiệu ứng thứ hai của thiết kế này là việc tăng tổng chiều dài đồng nghĩa với diện tích gầm lớn hơn. Việc tăng áp suất âm đồng thời cho phép thiết kế những bộ khuếch tán hiệu quả hơn. Từ đó, lực ép xuống mặt đường tiếp tục tăng lên.

Thiết kế này thường được kết hợp với bộ chia gió phía trước, tạo ra hiệu ứng tương tự đối với trục trước. Thiết kế “đuôi dài” nhằm tạo ra tâm áp (center of pressure) lùi về phía sau.

Theo quan điểm động lực học, thông thường tâm áp nên gần với khối tâm (center of mass) để đảm bảo sự cân bằng cho hệ thống khung gầm khi tốc độ tăng cao. Với những mẫu xe động cơ đặt giữa như Porsche 917 LH và McLaren F1 GTR Longtail, khối tâm có xu hướng lùi về phía sau, vậy nên khả năng tạo ra lực ép xuống lớn tại đúng vị trí trên thân xe là cần thiết.

Sử dụng hiệu ứng đòn bẩy, ta thấy bộ chia gió trước, cánh gió sau và hệ thống khí động dưới thân xe (underbody aero) đều tạo ra momen chúc ngóc (pitching moment) đối với khối lượng treo (sprung mass).

Bởi xe là hệ cân bằng về momen, ta có phương trình:

Tương đương với:

Khi tăng lên, đòn bẩy tiến gần tới trạng thái cân bằng (giá trị bằng 1). Ngược lại, khi giảm nhỏ, momen tạo ra sẽ càng lớn và hiệu ứng đòn bẩy của cánh gió sau tác động lên bánh sau sẽ tăng tương ứng.

Thiết kế “đuôi dài” là một ứng dụng thú vị của lực và momen, vậy nên nó đã nhanh chóng trở nên phổ biến. Ngày nay, nhiều quy định được đặt ra nhằm hạn chế chiều dài cả trước và sau của hai trục, từ đó đặt dấu chấm hết đối với thiết kế đuôi dài. Tuy nhiên, không thể phủ nhận rằng đây là một thiết kế vô cùng độc đáo, thứ đã gợi cho chúng ta rất nhiều cảm hứng thiết kế cho tương lai.