Ngày nay, cụm từ "khí động học" đã không còn xa lạ gì đối với những người sử dụng xe hơi. Chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp thuật ngữ này trên các mặt báo, chương trình liên quan đến ô tô, như: chiều dài của Hyundai Accent 2018 được tăng lên trong khi chiều cao giảm 10 mm để cải thiện tính khí động học, hiệu quả khí động học của i30 2017 được Hyundai cải thiện triệt để để đem lại hệ số cản gió Cd 0.30… Vậy khí động học là gì?
Trên phương diện ngữ nghĩa, khí động học được hiểu nôm na là "hoạt động của không khí". Còn trên phương diện vật lý, khí động học là nghiên cứu về dòng chảy của chất khí để đưa ra các giải pháp liên quan đến vấn đề lực và các mô-men lực lên hệ thống dòng chảy. Một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất của khí động học là áp dụng vào thiết kế máy bay. Vậy xe hơi có liên quan gì ở đây?
Như chúng ta đã biết, động cơ và những bộ phận cấu thành bên trong là những yếu tố giúp chiếc xe có được hiệu suất làm việc cao nhất. Bên cạnh đó, một yếu tố ngoại cảnh khác có vai trò ảnh hưởng không kém chính là không khí.
Khi di chuyển, xe hơi chịu tác động của nhiều loại lực khác nhau, gồm: lực quán tính, lực ma sát với mặt đường, lực cản lăn và lực cản gió. Trong đó, lực cản gió là ảnh hưởng phức tạp nhất. Nếu bạn đang "nhẹ" trên ga, tác động của lực này sẽ chẳng hề hấn gì. Nhưng khi đồng hồ tốc độ được đẩy lên cao thì lại là cả một dấu hỏi lớn. Làm thế nào để chiếc xe vẫn ổn định khi di chuyển ở tốc độ cao? Làm thế nào để giảm tiêu hao nhiên liệu?.. Những câu hỏi này đều "dẫn" các kỹ sư ô tô tới một "đích đến" duy nhất - cải thiện tính khí động học.
Khi di chuyển, xe hơi chịu tác động của nhiều loại lực khác nhau, gồm: lực quán tính, lực ma sát với mặt đường, lực cản lăn và lực cản gió. Trong đó, lực cản gió là ảnh hưởng phức tạp nhất. Nếu bạn đang "nhẹ" trên ga, tác động của lực này sẽ chẳng hề hấn gì. Nhưng khi đồng hồ tốc độ được đẩy lên cao thì lại là cả một dấu hỏi lớn. Làm thế nào để chiếc xe vẫn ổn định khi di chuyển ở tốc độ cao? Làm thế nào để giảm tiêu hao nhiên liệu?.. Những câu hỏi này đều "dẫn" các kỹ sư ô tô tới một "đích đến" duy nhất - cải thiện tính khí động học.
Hầm gió (Wind Tunnels) - "Cha đẻ" của khí động học
Hầm gió là nơi để nghiên cứu những tác động của dòng chảy không khí trong việc chế tạo máy bay. Chiếc hầm đầu tiên được thiết kế và đi vào hoạt động năm 1871 bởi Hiệp hội Hàng không Anh. Từ đây, những điều cơ bản nhất về khí động học đã "lần lượt" được khám phá. Tuy nhiên, phải mất gần 1 thế kỷ sau thì ngành công nghiệp 4 bánh mới áp dụng hầm gió vào những thử nghiệm xe hơi.
Trong một đường hầm gió, mẫu xe thử nghiệm được "neo" xuống, sau đó một luồng không khí được thổi vào nhằm mô phỏng các điều kiện mà xe sẽ gặp khi tiến về phía trước. Mô hình này sẽ được các kỹ sư quan sát dưới nhiều góc độ khác nhau, từ đó hình dung được "hình dáng" hoạt động của xe sẽ thế nào trong gió. Trong khi đó, hệ thống máy tính sẽ thực hiện công việc đo lượng lực mà xe gây lên trên 4 bánh được "neo" khi có gió thổi qua. Kết thúc thử nghiệm, máy tính sẽ đưa ra hệ số cản Cd. Đại lượng này cho biết mức độ ảnh hưởng của hình dạng chiếc xe đối với sức cản không khí khi xe chạy. Hệ số càng nhỏ thì lực cản càng thấp, đồng nghĩa với việc xe sẽ đạt hiệu suất tốt hơn. Những mẫu xe phổ thông hiện tại thường có hệ số cản vào khoảng 0.30.
Hầm gió là nơi để nghiên cứu những tác động của dòng chảy không khí trong việc chế tạo máy bay. Chiếc hầm đầu tiên được thiết kế và đi vào hoạt động năm 1871 bởi Hiệp hội Hàng không Anh. Từ đây, những điều cơ bản nhất về khí động học đã "lần lượt" được khám phá. Tuy nhiên, phải mất gần 1 thế kỷ sau thì ngành công nghiệp 4 bánh mới áp dụng hầm gió vào những thử nghiệm xe hơi.
Trong một đường hầm gió, mẫu xe thử nghiệm được "neo" xuống, sau đó một luồng không khí được thổi vào nhằm mô phỏng các điều kiện mà xe sẽ gặp khi tiến về phía trước. Mô hình này sẽ được các kỹ sư quan sát dưới nhiều góc độ khác nhau, từ đó hình dung được "hình dáng" hoạt động của xe sẽ thế nào trong gió. Trong khi đó, hệ thống máy tính sẽ thực hiện công việc đo lượng lực mà xe gây lên trên 4 bánh được "neo" khi có gió thổi qua. Kết thúc thử nghiệm, máy tính sẽ đưa ra hệ số cản Cd. Đại lượng này cho biết mức độ ảnh hưởng của hình dạng chiếc xe đối với sức cản không khí khi xe chạy. Hệ số càng nhỏ thì lực cản càng thấp, đồng nghĩa với việc xe sẽ đạt hiệu suất tốt hơn. Những mẫu xe phổ thông hiện tại thường có hệ số cản vào khoảng 0.30.
Thiết kế xe - "Khắc tinh" của lực cản gió
Như đã giải thích ở trên, hình dáng của xe ảnh hưởng rất lớn đến hệ số cản. Chính vì thế, để nâng cao tốc độ tối đa của một mẫu xe, thay vì tăng công suất lên, các kỹ sư sẽ nghiên cứu hình dạng khí động học của xe để có thể làm giảm hệ số cản Cd.
Họ sẽ hạ thấp phần đầu xe xuống, thiết kế phẳng lại để giảm bớt luồng không khí bên dưới, kính chắn gió "liền mạch" với thân xe và kính 2 bên được điều chỉnh với những đường gân dập nổi nhất, đảm bảo dòng chảy khí sẽ không bị gián đoạn. Bên cạnh đó, những "tiểu tiết" như gương, tay nắm cửa cũng được "chăm chút" để tối ưu hóa hiệu quả.
Tuy nhiên, nếu thiết kế của xe lại quá chú trọng vào hệ số cản thì rất dễ làm mất đi vẻ đẹp của nó - thứ sẽ "hút" khách hàng. Điều này đã từng xảy ra trên chiếc Tattra 1938 với hệ số cản gió Cd 0.212 - một trong những mẫu xe tiên phong cho thiết kế khí động học.
Như đã giải thích ở trên, hình dáng của xe ảnh hưởng rất lớn đến hệ số cản. Chính vì thế, để nâng cao tốc độ tối đa của một mẫu xe, thay vì tăng công suất lên, các kỹ sư sẽ nghiên cứu hình dạng khí động học của xe để có thể làm giảm hệ số cản Cd.
Họ sẽ hạ thấp phần đầu xe xuống, thiết kế phẳng lại để giảm bớt luồng không khí bên dưới, kính chắn gió "liền mạch" với thân xe và kính 2 bên được điều chỉnh với những đường gân dập nổi nhất, đảm bảo dòng chảy khí sẽ không bị gián đoạn. Bên cạnh đó, những "tiểu tiết" như gương, tay nắm cửa cũng được "chăm chút" để tối ưu hóa hiệu quả.
Tuy nhiên, nếu thiết kế của xe lại quá chú trọng vào hệ số cản thì rất dễ làm mất đi vẻ đẹp của nó - thứ sẽ "hút" khách hàng. Điều này đã từng xảy ra trên chiếc Tattra 1938 với hệ số cản gió Cd 0.212 - một trong những mẫu xe tiên phong cho thiết kế khí động học.
Khí động học áp dụng trên xe điện
Nửa thập kỷ trở lại đây, xe điện ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm. Bên cạnh những mẫu xe hybrid hiện hành, các "ông lớn" trong ngành công nghiệp ô tô liên tục giới thiệu những mẫu xe mới chạy hoàn toàn bằng điện, có thể kể đến như Toyota, Lexus, BMW, Mercedes-Benz, Jaguar...
Một đại diện đến từ Hàn Quốc là Hyundai cũng không nằm ngoài cuộc chơi. Mới đây, hãng xe này vừa chính thức giới thiệu chiếc Ioniq 2018 tại thị trường Mỹ, cạnh tranh trực tiếp với Toyota Prius. Hyundai Ioniq là mẫu xe đầu tiên trên thế giới có cả 3 phiên bản: hybrid, plug-in hybrid và chạy điện trên cùng một khung gầm. Không những thế, chiếc xe này còn sở hữu ngoại hình "gần gũi" với khách hàng hơn so với những đối thủ khác.
Nửa thập kỷ trở lại đây, xe điện ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm. Bên cạnh những mẫu xe hybrid hiện hành, các "ông lớn" trong ngành công nghiệp ô tô liên tục giới thiệu những mẫu xe mới chạy hoàn toàn bằng điện, có thể kể đến như Toyota, Lexus, BMW, Mercedes-Benz, Jaguar...
Một đại diện đến từ Hàn Quốc là Hyundai cũng không nằm ngoài cuộc chơi. Mới đây, hãng xe này vừa chính thức giới thiệu chiếc Ioniq 2018 tại thị trường Mỹ, cạnh tranh trực tiếp với Toyota Prius. Hyundai Ioniq là mẫu xe đầu tiên trên thế giới có cả 3 phiên bản: hybrid, plug-in hybrid và chạy điện trên cùng một khung gầm. Không những thế, chiếc xe này còn sở hữu ngoại hình "gần gũi" với khách hàng hơn so với những đối thủ khác.
Với Ioniq, các kỹ sư Hyundai đã rất thành công trong việc cân bằng 2 yếu tố: thiết kế của một chiếc xe truyền thống và hiệu quả làm việc của một chiếc xe tương lai. Tất cả những chi tiết bề mặt, đường nét bên ngoài của Ioniq đều được thiết kế để tăng tính khí động học nhiều và nhiều hơn nữa, kết hợp với các giải pháp thông minh khác, giúp chiếc xe sở hữu một hệ số cản gió Cd ấn tượng hàng đầu thế giới: 0.24.
Cánh gầm trước và sau của Ioniq tạo ra lực giảm tốc cho việc xử lý tối ưu hóa ở tốc độ cao hơn, đồng thời giảm thiểu tác động của lực kéo. Mái xe được vuốt xuống liền mạch với đuôi gió phía sau, cùng với gương và cửa "gồ ghề" không những giảm thiểu tiếng ồn của gió mà còn mang lại một dáng vẻ vừa thể thao vừa khí động học cho xe.
Chưa hết, Hyundai còn "giấu" một cảm biến radar điều khiển hành trình thông minh và các cánh gió hoạt động phía sau lưới tản nhiệt. Các cánh gió này sẽ tự động đóng mở để giảm lực kéo và tăng tính khí động học khi xe di chuyển ở tốc độ cao. Các hốc gió chứa đèn LED chạy ban ngày cũng được điều chỉnh để luồng không khí hoạt động, giảm sự nhiễu loạn xung quanh bánh trước. Các bánh xe hợp kim tiêu chuẩn cũng được thiết kế dạng xoát để tăng hiệu suất khí động học, đi kèm lốp khán lăn cực thấp.
Kết quả, Hyundai Ioniq có thời gian tăng tốc từ 0-100 km/h trong 9,9 giây, tốc độ tối đa đạt 166 km/h. Phạm vi chạy điện tối đa 280 km và tất nhiên, hoàn toàn không có khí thải!
Cánh gầm trước và sau của Ioniq tạo ra lực giảm tốc cho việc xử lý tối ưu hóa ở tốc độ cao hơn, đồng thời giảm thiểu tác động của lực kéo. Mái xe được vuốt xuống liền mạch với đuôi gió phía sau, cùng với gương và cửa "gồ ghề" không những giảm thiểu tiếng ồn của gió mà còn mang lại một dáng vẻ vừa thể thao vừa khí động học cho xe.
Chưa hết, Hyundai còn "giấu" một cảm biến radar điều khiển hành trình thông minh và các cánh gió hoạt động phía sau lưới tản nhiệt. Các cánh gió này sẽ tự động đóng mở để giảm lực kéo và tăng tính khí động học khi xe di chuyển ở tốc độ cao. Các hốc gió chứa đèn LED chạy ban ngày cũng được điều chỉnh để luồng không khí hoạt động, giảm sự nhiễu loạn xung quanh bánh trước. Các bánh xe hợp kim tiêu chuẩn cũng được thiết kế dạng xoát để tăng hiệu suất khí động học, đi kèm lốp khán lăn cực thấp.
Kết quả, Hyundai Ioniq có thời gian tăng tốc từ 0-100 km/h trong 9,9 giây, tốc độ tối đa đạt 166 km/h. Phạm vi chạy điện tối đa 280 km và tất nhiên, hoàn toàn không có khí thải!
: