Thật khó chịu khi nghĩ về điều này, nhưng hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn lái ô tô của mình vào một bức tường gạch với tốc độ 65 dặm một giờ (104,6 km một giờ). Kim loại sẽ xoắn và rách. Kính sẽ vỡ. Túi khí sẽ bung ra để bảo vệ bạn. Nhưng ngay cả với tất cả những tiến bộ về an toàn mà chúng ta có trên những chiếc ô tô hiện đại của mình, đây có thể sẽ là một tai nạn khó tránh khỏi. Đơn giản là một chiếc ô tô không được thiết kế để đi xuyên qua một bức tường gạch.
Nhưng có một loại "tường" khác mà ô tô được thiết kế để di chuyển và đã có từ lâu - bức tường không khí đẩy xe ở tốc độ cao.
Hầu hết chúng ta không nghĩ đến không khí hoặc gió như một bức tường. Ở tốc độ thấp và vào những ngày ngoài trời không có nhiều gió, thật khó để nhận thấy cách không khí tương tác với các phương tiện của chúng ta. Nhưng ở tốc độ cao và vào những ngày gió đặc biệt, sức cản của không khí (các lực tác động lên một vật thể chuyển động bởi không khí - còn được định nghĩa là lực cản ) có tác động to lớn đến cách một chiếc ô tô tăng tốc, xử lý và đạt được mức tiêu hao nhiên liệu.
Đây là nơi khoa học về khí động học phát huy tác dụng. Khí động lực học là nghiên cứu về lực và kết quả chuyển động của các vật thể trong không khí [nguồn:NASA]. Trong vài thập kỷ, ô tô đã được thiết kế với tính khí động học và các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra nhiều cải tiến giúp việc cắt xuyên qua "bức tường" không khí đó dễ dàng hơn và ít ảnh hưởng đến việc lái xe hàng ngày.
Về cơ bản, có một chiếc xe được thiết kế với luồng không khí có nghĩa là nó sẽ ít gặp khó khăn hơn khi tăng tốc và có thể đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn vì động cơ không phải làm việc gần như khó khăn để đẩy xe qua bức tường không khí.
Các kỹ sư đã phát triển một số cách để làm điều này. Ví dụ, các thiết kế và hình dạng tròn trịa hơn ở bên ngoài xe được chế tạo để dẫn không khí theo cách sao cho nó chảy quanh xe với lực cản ít nhất có thể. Một số xe hiệu suất cao thậm chí còn có các bộ phận chuyển động không khí êm ái qua mặt dưới của xe. Nhiều người cũng bao gồm một đoạn giới thiệu - còn được gọi là cánh sau - giữ cho không khí không nâng bánh xe lên và làm cho xe không ổn định ở tốc độ cao. Mặc dù, như bạn sẽ đọc ở phần sau, hầu hết những thứ hư hỏng mà bạn thấy trên ô tô chỉ đơn giản là để trang trí hơn bất cứ thứ gì khác.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét tính chất vật lý của khí động học và lực cản không khí, lịch sử của việc ô tô đã được thiết kế như thế nào với những yếu tố này và làm thế nào với xu hướng hướng tới ô tô "xanh hơn", khí động học giờ đây trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.
Nội dung
Trước khi chúng ta xem xét cách thức khí động học được áp dụng cho ô tô, đây là một khóa học bồi dưỡng nhỏ về vật lý để bạn có thể hiểu ý tưởng cơ bản.
Khi một vật thể di chuyển trong bầu khí quyển, nó sẽ thay thế không khí bao quanh nó. Vật thể cũng chịu tác dụng của trọng lực và lực cản. Kéo được tạo ra khi một vật rắn di chuyển trong môi trường chất lỏng như nước hoặc không khí. Lực kéo tăng theo vận tốc - đối tượng di chuyển càng nhanh thì lực kéo càng nhiều.
Chúng tôi đo chuyển động của một đối tượng bằng cách sử dụng các yếu tố được mô tả trong định luật Newton. Chúng bao gồm khối lượng, vận tốc, trọng lượng, ngoại lực và gia tốc.
Kéo có ảnh hưởng trực tiếp đến gia tốc. Gia tốc (a) của một vật là trọng lượng (W) trừ lực cản (D) chia cho khối lượng của nó (m). Hãy nhớ rằng, trọng lượng là khối lượng của một vật nhân với lực hấp dẫn tác dụng lên nó. Trọng lượng của bạn sẽ thay đổi trên mặt trăng vì trọng lực nhỏ hơn, nhưng khối lượng của bạn vẫn như cũ. Nói một cách đơn giản hơn:
a =(W - D) / m
(nguồn:NASA)
Khi một vật tăng tốc, vận tốc và lực cản của nó tăng lên, cuối cùng đến điểm mà lực cản trở thành trọng lượng - trong trường hợp đó không thể xảy ra thêm gia tốc nữa. Giả sử đối tượng của chúng ta trong phương trình này là một chiếc ô tô. Điều này có nghĩa là khi ô tô di chuyển ngày càng nhanh, thì càng nhiều không khí đẩy vào nó, hạn chế mức độ có thể tăng tốc của ô tô và giới hạn nó ở một tốc độ nhất định.
Làm thế nào để tất cả những điều này áp dụng cho thiết kế xe hơi? Chà, nó rất hữu ích để tìm ra một con số quan trọng - hệ số cản. Đây là một trong những yếu tố chính xác định mức độ dễ dàng của một vật thể di chuyển trong không khí. Hệ số cản (Cd) bằng lực cản (D), chia cho đại lượng của mật độ (r), nhân với một nửa vận tốc (V) nhân với diện tích (A). Để làm cho nó dễ đọc hơn:
Cd =D / (A * .5 * r * V ^ 2)
[nguồn:NASA]
Vì vậy, trên thực tế, một nhà thiết kế xe hơi nhắm tới hệ số cản bao nhiêu nếu họ đang chế tạo một chiếc xe với mục đích khí động học? Tìm hiểu trên trang tiếp theo.
Chúng ta vừa biết rằng hệ số cản (Cd) là một hình đo lực cản của không khí lên một vật thể, chẳng hạn như ô tô. Bây giờ, hãy tưởng tượng lực của không khí đẩy lên ô tô khi nó di chuyển trên đường. Ở tốc độ 70 dặm một giờ (112,7 km một giờ), lực tác động lên xe gấp bốn lần so với tốc độ 35 dặm một giờ (56,3 km một giờ) [nguồn:Elliott-Sink].
Khả năng khí động học của ô tô được đo bằng hệ số cản của ô tô. Về cơ bản, Cd càng thấp, ô tô càng có tính khí động học cao hơn và nó có thể di chuyển dễ dàng hơn qua bức tường không khí đẩy vào nó.
Hãy xem xét một vài số Cd. Bạn còn nhớ những chiếc xe Volvo cũ hình hộp của những năm 1970 và 80? Một chiếc sedan Volvo 960 cũ đạt được Cd là 0,36. Những chiếc Volvos mới hơn có kiểu dáng đẹp và cong hơn nhiều, và một chiếc sedan S80 đạt Cd là .28 [nguồn:Elliott-Sink]. Điều này chứng tỏ một điều mà bạn có thể đã đoán được - các hình dạng mượt mà, sắp xếp hợp lý hơn mang tính khí động học hơn so với hình hộp. Chính xác tại sao lại như vậy?
Chúng ta hãy nhìn vào thứ khí động học nhất trong tự nhiên - một giọt nước mắt. Hình giọt nước nhẵn và tròn ở tất cả các bên và nhỏ dần ở phía trên. Không khí lưu thông xung quanh nó một cách trơn tru khi nó rơi xuống đất. Điều này cũng tương tự với ô tô - các bề mặt nhẵn, tròn cho phép không khí lưu thông trên xe, giảm "lực đẩy" của không khí vào thân xe.
Ngày nay, hầu hết các ô tô đều đạt Cd khoảng 0,30. SUV, có xu hướng hình hộp hơn ô tô vì chúng lớn hơn, chứa được nhiều người hơn và thường cần lưới tản nhiệt lớn hơn để giúp làm mát động cơ, có Cd trong khoảng từ 0,30 đến 0,40 hoặc hơn. Xe bán tải - một thiết kế hình hộp có mục đích - thường có kích thước khoảng 0,40 [nguồn:Siuru].
Nhiều người đã đặt câu hỏi về vẻ ngoài "độc nhất vô nhị" của Toyota Prius hybrid, nhưng nó lại có hình dáng khí động học cực kỳ cao là có lý do chính đáng. Trong số các đặc tính hiệu quả khác, Cd của nó là .26 giúp nó đạt được số dặm rất cao. Trên thực tế, giảm Cd của một chiếc xe chỉ 0,01 có thể dẫn đến mức tăng tiết kiệm nhiên liệu 0,2 dặm / gallon (0,09 km / lít) [nguồn:Siuru].
Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét lịch sử của thiết kế khí động học.
Trong khi các nhà khoa học ít nhiều đã biết về những gì cần thiết để tạo ra các hình dạng khí động học từ lâu, nhưng phải mất một thời gian, những nguyên tắc đó mới được áp dụng vào thiết kế ô tô.
Không có gì về khí động học trên những chiếc xe đầu tiên. Hãy nhìn vào Model T danh tiếng của Ford - nó trông giống một chiếc xe ngựa hơn trừ những con ngựa - thực sự là một thiết kế rất hình hộp. Nhiều chiếc xe đời đầu này không cần phải lo lắng về tính khí động học vì chúng tương đối chậm. Tuy nhiên, một số xe đua đầu những năm 1900 đã kết hợp các tính năng khí động học và thon gọn ở mức độ này hay mức độ khác.
Năm 1921, nhà phát minh người Đức Edmund Rumpler đã tạo ra Rumpler-Tropfenauto, dịch ra có nghĩa là "xe hơi rơi". Dựa trên hình dạng khí động học nhất trong tự nhiên, hình giọt nước, nó có Cd chỉ .27, nhưng vẻ ngoài độc đáo của nó chưa bao giờ gây chú ý với công chúng. Chỉ có khoảng 100 chiếc được sản xuất [nguồn:Price].
Về phía Mỹ, một trong những bước tiến lớn nhất về thiết kế khí động học là vào những năm 1930 với Chrysler Airflow. Lấy cảm hứng từ những chú chim đang bay, Airflow là một trong những chiếc xe đầu tiên được thiết kế với tính năng khí động học. Mặc dù nó sử dụng một số kỹ thuật xây dựng độc đáo và có sự phân bổ trọng lượng gần như 50-50 (phân bổ trọng lượng bằng nhau giữa trục trước và trục sau để cải thiện khả năng xử lý), một công chúng yêu thích Great Depression chưa bao giờ yêu vẻ ngoài khác thường của nó và chiếc xe đã được coi là một thất bại. Tuy nhiên, thiết kế tinh gọn của nó đã đi trước thời đại rất nhiều.
Khi những năm 1950 và 60 xuất hiện, một số tiến bộ lớn nhất trong khí động học ô tô đến từ đường đua. Ban đầu, các kỹ sư đã thử nghiệm các thiết kế khác nhau, họ biết rằng hình dạng sắp xếp hợp lý có thể giúp xe của họ đi nhanh hơn và xử lý tốt hơn ở tốc độ cao. Điều đó cuối cùng đã phát triển thành một ngành khoa học rất chính xác về việc chế tạo ra chiếc xe đua khí động học nhất có thể. Những tấm chắn gió phía trước và phía sau, những chiếc mũi hình xẻng và bộ phụ kiện hàng không ngày càng trở nên phổ biến hơn để giữ cho không khí lưu thông trên đầu xe và tạo ra lực đẩy cần thiết lên bánh trước và bánh sau [nguồn:Formula 1 Network].
Về phía người tiêu dùng, các công ty như Lotus, Citroën và Porsche đã phát triển một số thiết kế rất hợp lý, nhưng những thiết kế này chủ yếu được áp dụng cho xe thể thao hiệu suất cao chứ không phải phương tiện hàng ngày cho người lái xe phổ thông. Điều đó bắt đầu thay đổi vào những năm 1980 với Audi 100, một chiếc sedan chở khách với Cd chưa từng nghe thấy là .30. Ngày nay, gần như tất cả các ô tô đều được thiết kế có tính đến khí động học theo một cách nào đó [nguồn:Edgar].
Điều gì đã giúp thay đổi đó xảy ra? Câu trả lời:Đường hầm gió. Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá cách đường hầm gió trở nên quan trọng đối với thiết kế ô tô.
Để đo hiệu quả khí động học của ô tô trong thời gian thực, các kỹ sư đã mượn một công cụ từ ngành công nghiệp máy bay - đường hầm gió.
Về bản chất, đường hầm gió là một ống lớn với các quạt tạo ra luồng không khí thổi qua một vật thể bên trong. Đây có thể là ô tô, máy bay hoặc bất kỳ thứ gì khác mà các kỹ sư cần đo sức cản của không khí. Từ một căn phòng phía sau đường hầm, các kỹ sư nghiên cứu cách không khí tương tác với vật thể, cách các dòng không khí di chuyển qua các bề mặt khác nhau.
Xe hơi hoặc máy bay bên trong không bao giờ di chuyển, nhưng các quạt tạo gió ở các tốc độ khác nhau để mô phỏng các điều kiện trong thế giới thực. Đôi khi một chiếc xe thật thậm chí sẽ không được sử dụng - các nhà thiết kế thường dựa vào các mô hình tỷ lệ chính xác của xe để đo sức cản của gió. Khi gió di chuyển qua ô tô trong đường hầm, máy tính được sử dụng để tính toán hệ số cản (Cd).
Đường hầm gió thực sự không có gì mới. Chúng đã xuất hiện từ cuối những năm 1800 để đo luồng không khí qua nhiều lần thử máy bay ban đầu. Ngay cả Anh em nhà Wright cũng có một chiếc. Sau Thế chiến thứ hai, các kỹ sư xe đua đang tìm kiếm lợi thế trong cuộc thi bắt đầu sử dụng chúng để đánh giá hiệu quả của thiết bị khí động học trên ô tô của họ. Công nghệ đó sau đó đã được sử dụng trên xe du lịch và xe tải.
Tuy nhiên, những năm gần đây, những đường hầm gió lớn trị giá hàng triệu USD ngày càng ít được sử dụng. Mô phỏng máy tính đang bắt đầu thay thế các đường hầm gió như là cách tốt nhất để đo khí động học của ô tô hoặc máy bay. Trong nhiều trường hợp, các đường hầm gió chủ yếu chỉ được sử dụng để đảm bảo các mô phỏng trên máy tính là chính xác [nguồn:Day].
Nhiều người cho rằng lắp thêm cánh lướt gió phía sau xe là một cách tuyệt vời để khiến nó trở nên khí động học hơn. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các loại tiện ích bổ sung khí động học khác nhau cho xe và xem xét vai trò của chúng đối với hiệu suất và cung cấp mức tiêu hao nhiên liệu tốt hơn.
Có nhiều yếu tố liên quan đến khí động học hơn là chỉ lực cản - còn có các yếu tố khác được gọi là lực nâng và lực xuống. Nâng lên là lực chống lại trọng lượng của một vật và nâng nó lên không khí và giữ nó ở đó. Lực lượng giảm ngược lại với lực nâng - lực ép một vật theo hướng của mặt đất [nguồn:NASA].
Bạn có thể nghĩ rằng hệ số cản trên một chiếc xe đua Công thức Một sẽ rất thấp - một chiếc xe siêu khí động học nhanh hơn, phải không? Không phải trong trường hợp này. Một chiếc xe F1 điển hình có Cd khoảng 0,70.
Tại sao loại xe đua này có thể lái với tốc độ hơn 200 dặm một giờ (321,9 km một giờ), nhưng lại không mang tính khí động học như bạn có thể đoán? Đó là bởi vì những chiếc xe Công thức Một được chế tạo để tạo ra càng nhiều lực đẩy càng tốt. Ở tốc độ chúng đang di chuyển và với trọng lượng cực nhẹ, những chiếc xe này thực sự bắt đầu trải nghiệm lực nâng ở một số tốc độ - vật lý buộc chúng phải cất cánh như một chiếc máy bay. Rõ ràng, ô tô không nhằm mục đích bay trong không khí, và nếu một chiếc ô tô bay trên không, nó có thể đồng nghĩa với một vụ tai nạn kinh hoàng. Vì lý do này, lực xuống phải được tăng tối đa để giữ xe trên mặt đất ở tốc độ cao và điều này có nghĩa là cần phải có Cd cao.
Xe Công thức Một đạt được điều này bằng cách sử dụng cánh hoặc cánh quạt gắn ở phía trước và phía sau của xe. Các cánh này phân luồng dòng chảy thành các dòng không khí ép xe xuống đất - hay còn gọi là lực ép xuống. Điều này tối đa hóa tốc độ vào cua, nhưng nó phải được cân bằng cẩn thận với lực nâng để cho phép chiếc xe có tốc độ đường thẳng thích hợp [nguồn:Smith].
Rất nhiều ô tô được sản xuất bao gồm các tiện ích bổ sung khí động học để tạo ra lực xuống. Trong khi siêu xe Nissan GT-R đã bị chỉ trích phần nào trên báo chí ô tô về ngoại hình của nó, toàn bộ thân xe được thiết kế để dẫn khí qua xe và trở lại thông qua cánh gió phía sau hình bầu dục, tạo ra nhiều lực xuống. 599 GTB Fiorano của Ferrari có trụ B bay được thiết kế để dẫn không khí về phía sau - những điều này giúp giảm lực cản [nguồn:Classic Driver].
Nhưng bạn sẽ thấy rất nhiều thứ hư hỏng trên những chiếc ô tô hàng ngày, như xe sedan của Honda và Toyota. Những thứ đó có thực sự mang lại lợi ích khí động học cho xe hơi không? Trong một số trường hợp, nó có thể thêm một chút ổn định tốc độ cao. Ví dụ, chiếc Audi TT ban đầu không có cánh lướt gió trên boong phía sau, nhưng Audi đã thêm một cánh gió sau khi thân xe tròn của nó được phát hiện tạo ra quá nhiều lực nâng và có thể là một yếu tố dẫn đến một vài vụ đắm xe [nguồn:Edgar].
Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, việc lắp một cánh lướt gió lớn ở phía sau một chiếc ô tô thông thường sẽ không giúp ích gì cho hiệu suất, tốc độ hoặc khả năng xử lý toàn bộ - nếu có. Trong một số trường hợp, nó thậm chí có thể tạo ra nhiều người dưới quyền hoặc miễn cưỡng ép góc. Tuy nhiên, nếu bạn nghĩ rằng cánh lướt gió khổng lồ trông tuyệt vời trên cốp xe Honda Civic của bạn, đừng để bất kỳ ai nói cho bạn biết.
Để biết thêm thông tin về khí động học ô tô và các chủ đề liên quan khác, hãy chuyển sang trang tiếp theo và nhấp vào các liên kết.
Cách hệ thống HVAC ô tô hoạt động
Điều hòa nhiệt độ hoạt động như thế nào?
Cách sạc AC trên ô tô
Phanh hơi hoạt động như thế nào? Tất cả những gì bạn cần biết