Cánh dầm là một trong những khu vực quan trọng trong bộ quy tắc của F1 vào năm 2022. Đây là một thiết bị khí động học được dùng để giải quyết vấn đề dòng khí nhiễu loạn (dirty air), nhưng chính xác thì cánh dầm trên xe F1 là gì?
Cánh dầm trên xe F1 là một cánh nhỏ ở phía sau xe, nằm dưới bộ cánh đuôi. Chúng được thiết kế để đẩy dòng khí nhiễu loạn lên cao và đi qua phía trên đầu xe phía sau, nhằm giảm thiểu tác động của dòng khí này đối với xe phía sau. Nhờ đó, những chiếc xe dễ dàng bám đuổi nhau và có nhiều tình huống vượt xe hơn trong suốt cuộc đua.
Ngoài ra, cánh dầm cũng rất quan trọng trong việc hỗ trợ tăng downforce phía sau xe và cho phép bộ khuếch tán thực hiện đúng chức năng của nó. Dưới đây là phần phân tích chi tiết hơn về cánh dầm và tại sao nó lại quan trọng đến vậy.
Cánh dầm có tác dụng gì trên xe F1?
Như đã nói, cánh dầm trên xe F1 được thiết kế để giúp xe tạo ra nhiều downforce hơn, đồng thời làm chệch hướng luồng không khí nhiễu loạn tác dụng lên xe phía sau. Cánh dầm nằm bên dưới cánh đuôi, ở hai bên ống xả, và hoạt động gần giống như một phần mở rộng của bộ khuếch tán.
Không khí khi chảy qua cánh dầm sẽ tạo ra một lượng downforce nhất định, tuy nhiên phần lớn downforce lại được sinh ra nhờ cơ chế mở rộng bộ khuếch tán nói trên. Cụ thể, cánh dầm tạo ra một vùng áp suất thấp ở ngay phía trên bộ khuếch tán, giúp "hút" nhiều không khí hơn ra khỏi gầm xe. Thông qua hiệu ứng mặt đất, mức downforce phía sau xe được tăng lên, đồng thời bộ khuếch tán hoạt động hiệu quả hơn.
Làm chệch hướng luồng khí nhiễu loạn
Dòng khí chảy từ cánh trước qua các hốc lấy gió làm mát thân xe, sau khi qua cánh dầm thì bị điều hướng đi lên và vồng qua những chiếc xe phía sau.
Tuy nhiên, đây không phải là một giải pháp hoàn hảo vì xe phía trước vẫn tạo ra một luồng khí outwash (dòng không khí nhiễu loạn không hướng lên mà hướng ra hai bên). Ngoài ra, dòng khí được điều hướng lên trời sau đó vẫn quay trở lại mặt đất.
Vùng nhiễu loạn khí động (wake) ở sau xe phía trước có hình dạng giọt nước, tương tự vệt sóng trên mặt nước mà một chiếc thuyền khi di chuyển để lại. Điều này có nghĩa là vẫn có một phần dòng khí nhiễu loạn thoát ra từ cánh dầm của xe phía trước sẽ tác động lên xe phía sau.
Tuy nhiên, cánh dầm vẫn giúp làm giảm lượng không khí nhiễu loạn, giảm cản trở cho các bộ phận tạo downforce của xe, từ đó giúp việc bám đuổi nhau dễ dàng hơn và mang lại nhiều cơ hội vượt hơn.
Cánh dầm hỗ trợ downforce như thế nào?
Cánh dầm là một thiết bị khí động học rất quan trọng. Cùng với việc hướng một phần không khí nhiễu loạn lên bên trên xe phía sau, nó còn khiến toàn bộ phần đuôi xe (phía trước) hoạt động một cách đồng bộ. Giống như một cánh gió thông thường, cánh dầm tạo ra áp suất cao ở phía trên và áp suất thấp ở phía dưới nó.
Khu vực áp suất thấp (mà cánh dầm tạo ra) nằm ngay trên khu vực nơi bộ khuếch tán đưa không khí (có áp suất thấp) từ gầm xe thoát ra khỏi đuôi xe (nơi có áp suất cao hơn). Vì không khí có áp suất cao luôn hướng về nơi có áp suất thấp nên điều này làm cho góc tấn công của bộ khuếch tán tăng lên, khiến luồng khí tăng tốc và hướng lên trên nhiều hơn.
Cả hai hiệu ứng này đều khiến cho bộ khuếch tán "hút" nhiều không khí hơn từ dưới sàn xe.
Cánh dầm được sử dụng lần đầu tiên ở F1 khi nào?
Cánh dầm với chức năng hiện tại được phát triển lần đầu tiên ở mùa giải F1 năm 1985 bởi kỹ sư Rory Byrne trên chiếc Toleman TG185. Mục đích của nó là lấy lại phần downforce đã bị mất do lệnh cấm sử dụng cánh kép phía sau xe. Khi đó ý tưởng cánh dầm không thu hút được sự chú ý từ các đội còn lại.
Tuy nhiên, sau khi những chiếc xe với hiệu ứng mặt đất bị cấm, và khi những thành viên tham gia F1 bắt đầu hiểu rõ hơn về cách tối đa hóa lượng downforce bằng cách sử dụng sàn phẳng và bộ khuếch tán, nhiều đội bắt đầu triển khai thiết kế cánh dầm vào xe của họ để giúp tạo ra downforce phía sau. Việc này giúp xe chạy nhanh hơn tại các góc cua.
Vào năm 2014, cánh dầm đã bị cấm tại F1. Quyết định này được ban hành nhằm giảm downforce phía sau xe và cải thiện quá trình đua. Thay vào đó, các đội có thể sử dụng hai dầm dọc để hỗ trợ cánh đuôi.
Sau đó, cánh chữ T lần đầu được xuất hiện vào năm 2017, nhưng cánh này khác hơn so với cánh dầm.
Cánh dầm giúp xử lý dòng khí nhiễu loạn như thế nào?
Dòng khí nhiễu loạn trong F1 là dòng không khí hỗn loạn thoát ra khỏi thân xe và các thiết bị khí động học trên xe F1. Để tạo ra downforce lớn, các cánh gió và các bộ phận khác nhau của thân xe tương tác và làm gián đoạn luồng không khí, tạo ra vùng không khí hỗn loạn, áp suất thấp phía sau xe.
Để hiểu dòng khí nhiễu loạn nghĩa là gì, bạn cần hiểu downforce được tạo ra như thế nào. Mà để hiểu được điều này, chúng ta cần thảo luận về phương trình Bernoulli và hiệu ứng Venturi.
Nói một cách đơn giản, phương trình Bernoulli (được đặt theo tên của Daniel Bernoulli) cho rằng dọc theo một dòng chảy với tốc độ ngày càng tăng thì áp suất tĩnh sẽ giảm. Vì vậy, luồng không khí càng nhanh thì áp suất càng giảm.
Điều này đã được chứng minh vào năm 1797 bởi Giovanni Battista Venturi. Ông sử dụng một đường ống một đầu bị làm hẹp và một đầu rộng hơn, ông nhận thấy vận tốc dòng chảy của chất lỏng đi qua đường ống tỷ lệ nghịch với tiết diện thay đổi của đường ống. Nói cách khác, thu hẹp đường ống sẽ làm tăng tốc độ lưu chất đi qua nó.
Venturi cũng có thể chứng minh bằng thực nghiệm rằng áp suất tĩnh tại các phần hẹp hơn thì thấp hơn so với các phần rộng hơn. Do đó, ông đã chứng minh thỏa được phương trình Bernoulli rằng áp suất giảm khi tốc độ của chất lỏng tăng.
Đồng thời, ông đã chứng minh cái mà ngày nay được gọi là hiệu ứng Venturi và hiện tượng chênh áp Venturi (vòi phun Venturi), hiện tại vẫn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.
Cuối cùng là phương trình liên tục (continuity equation). Về cơ bản, phương trình liên tục cho chúng ta biết rằng cùng một lượng chất lỏng (xem không khí là chất lỏng) chảy vào tiết diện hội tụ (tới chỗ thắt lại) sẽ chảy ra ở phía còn lại. Để làm được điều này, nó phải di chuyển nhanh hơn.
Nhưng điều này có liên quan gì đến một chiếc xe F1?
Áp dụng vào F1
Nếu bạn nhìn vào phần dưới của một chiếc xe F1, nó thực sự có hình dạng giống như một loại "vòi phun Venturi". Không khí đi vào một chỗ co thắt, làm tăng tốc và giảm áp suất của nó. Ở phía sau xe, nơi bộ khuếch tán mở rộng sàn xe một cách hiệu quả, không khí sẽ thoát ra ngoài.
Một vùng áp suất thấp được tạo ra dưới gầm xe, trong khi áp suất phía trên xe vẫn cao hơn. Điều này tương tự như cách hoạt động của cốc hút (giác hút chân không). Khi bạn ấn giác hút xuống một bề mặt, bạn sẽ tạo ra một vùng áp suất thấp bên dưới nó và áp suất khí quyển xung quanh nó cao hơn, “đẩy” cốc hút vào bề mặt.
Nhưng xe F1 không chỉ tạo ra downforce thông qua sàn xe của chúng. Nếu bạn nhìn vào cánh gió trên xe, bạn sẽ nhận thấy rằng mặt dưới của cánh dài hơn mặt trên (do hình dạng đặc biệt của nó).
Theo phương trình liên tục, không khí ở phía dưới phải di chuyển nhanh hơn nên áp suất không khí ở phía dưới thấp hơn trong khi áp suất không khí ở phía trên cao hơn. Sự chênh lệch áp suất này giúp xe bám xuống đất - đó là cái mà chúng ta gọi là downforce.
Nhưng làm thế nào điều này tạo ra không khí nhiễu loạn? Và cánh dầm giúp ích gì cho việc này?
Không khí nhiễu loạn được tạo ra như thế nào?
Thông qua những tương tác qua lại và việc tạo ra sự chênh lệch áp suất, các bộ phận khác nhau trên xe F1 (như sàn xe và cánh gió) khi hoạt động kết hợp có thể làm gián đoạn luồng không khí.
Khi không khí di chuyển qua một thiết bị khí động học, nó sẽ mất năng lượng và chuyển động chậm lại. Dòng chảy vận tốc thấp này dẫn đến sự hình thành sự nhiễu loạn. Và khi luồng không khí di chuyển về phía sau xe, nó đã biến thành một khối không khí nóng và hỗn loạn không ổn định.
Luồng không khí hỗn loạn, ít năng lượng phía sau xe F1 không tạo ra downforce tốt như luồng không khí "sạch" (clean air). Để tạo ra lượng downforce tối đa, một chiếc xe F1 cần dòng không khí sạch lưu thông khắp xe và theo một hướng. Dòng không khí hỗn loạn làm giảm hiệu quả của các bộ phận tạo downforce trên chiếc xe bám đuôi (khi tiếp xúc với luồng không khí nhiễu loạn của xe phía trước).
Tại sao không khí nhiễu loạn lại có hại cho xe F1?
Không khí nhiễu loạn thoát ra từ xe phía trước có thể ảnh hưởng đến xe chạy phía sau ở khoảng cách tới 3 hoặc 4 giây. Khi xe phía sau nằm trong phạm vi này, chúng bắt đầu mất downforce và độ bám đường, khiến chúng chạy chậm hơn xe phía trước. Các tay đua rõ ràng cần phải nhanh hơn xe phía trước để có thể vượt, nhưng không khí nhiễu loạn sẽ cản trở khả năng thực hiện điều đó.
Vì vậy, mục tiêu của cánh dầm là hướng phần lớn không khí nhiễu loạn mà xe tạo ra (chủ yếu thông qua các cánh và các bộ phận tạo downforce trên thân xe khác) đi lên và đi qua xe phía sau.
Làm mát xe trong điều kiện không khí nhiễu loạn
Một tác dụng phụ khác của không khí nhiễu loạn là xe phía sau sẽ gặp khó trong việc giữ nhiệt độ ở mức thấp. Cụ thể, xe F1 được chế tạo để hút luồng không khí tới nhằm làm mát phanh và động cơ. Nhưng với không khí nóng và hỗn loạn thoát ra từ xe phía trước, xe phía sau có thể gặp khó khăn để có đủ không khí mát vào hốc lấy gió làm mát thân xe và các khe hút gió khác, gây ra vấn đề quá nhiệt.
Cánh dầm có thể giúp giảm thiểu vấn đề này bằng cách làm giảm lượng không khí nhiễu loạn thoát ra từ phía đuôi xe. Tuy nhiên, vì nằm ở hai bên ống xả, cánh dầm không thể giúp hạn chế luồng khí nóng thoát ra khỏi ống xả của xe phía trước. Vì vậy, đây không phải là một giải pháp hoàn hảo nhưng vẫn là một bước đi đúng hướng để những chiếc xe có thể tiếp cận gần nhau hơn.
Lời kết
Tóm lại, cánh dầm trên xe F1 giúp xe tạo ra nhiều downforce hơn, đồng thời cũng làm chệch hướng không khí nhiễu loạn do xe phía trước tạo ra lên phía trên xe phía sau. Điều này làm giảm lượng không khí nhiễu loạn mà xe bám đuôi phải chịu tác dụng, từ đó giúp các xe bám sát nhau tốt hơn, tăng tính cạnh tranh cho giải đấu.