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 trong những năm gần đây đã thay đổi đáng kể hình dáng của cánh trước, cũng như cách chúng được sử dụng trên xe.
Cánh trước tạo ra downforce và dẫn hướng luồng không khí chảy qua 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 tương đối nhiều, bộ phận này vẫn tạo ra rất nhiều downforce và là một trong những bộ phận quan trọng nhất của xe.
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 các tấm cánh và áp suất thấp bên dưới. 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.
Cánh trước tạo ra downforce như thế nào?
Cách đầu tiên (và 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.
Nguyên lý Bernoulli
Nói một cách đơn giản, nguyên lý Bernoulli cho rằng khi bạn tăng tốc độ của chất lưu (fluid) thì áp suất của nó sẽ giảm. Không khí được phân loại như một loại chất lưu, vì vậy nếu tăng tốc độ không khí, bạn có thể giảm áp suất của nó. Chúng ta có thể thấy điều này diễn ra thông qua hiệu ứng Venturi.
Hiệu ứng Venturi
Hiệu ứng Venturi là sự giảm áp suất quan sát được khi cho chất lưu (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?
Phương trình liên tục
Phương trình liên tục giải thích rằng lượng chất lưu 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 lưu 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 lưu 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 tưởng tượng ra hai hành trình mà luồng không khí di chuyển qua khi nó tiếp cận cánh trước: một quãng đường dài và một quãng đường ngắn. Do hình dạng của cánh mà quãng đường qua phần phía trên cánh sẽ ngắn hơn so với quãng đường qua phần bên dưới.
Phương trình liên tục cho chúng ta biết rằng lượng không khí đi vào phía trước cánh phải bằng với lượng không khí thoát ra ở phía sau (của cánh trước).
Để giữ được tính chất này, phần không khí đi quãng 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 xuất hiện sự chênh lệch giữa áp suất cao ở phía trên và áp suất thấp ở dưới bề mặt cánh. Hiện tượng này sẽ "đẩy" cánh về phía mặt đất theo phương thẳng đứng, nghĩa là tạo ra downforce.
Nhưng hiệu ứng Venturi và hiệu ứng mặt đất (ground effect) phát huy tác dụng ở đâu?
Sử dụng hiệu ứng mặt đất
Khi một bề mặt khí động học nằm càng gần mặt đất thì nó tạo ra càng nhiều lực nâng. Trên máy bay, lực nâng này sẽ đẩy máy bay lên không trung.
Còn đối với xe F1, thiết kế cánh gió kiểu ngược lại đồng nghĩa với việc nó tạo ra nhiều downforce hơn. Đôi khi lực này còn được gọi là lực nâng âm (negative lift).
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 "điêu 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.
Nếu cánh trước được nâng cao lên, hiệu quả của cánh trong việc tạo ra downforce sẽ giảm đi. Tuy nhiên, điều này lại cho phép nhiều không khí hơn được dẫn hướng xuống gầm xe và thoát ra sau bộ khuếch tán, từ đó cũng tạo ra downforce. Chính vì vậy, các đội đua cần tạo ra sự cân bằng cho vai trò của cánh trước.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét một bộ phận quan trọng khác của cánh trước - tấm ốp đầu cánh (end plate).
Tấm ốp đầu cánh phía trước có tác dụng gì trên xe F1?
Các tấm ốp đầu cánh trước trên xe F1 ngăn luồng không khí thoát ra khỏi hai bên cánh và lọt vào khu vực bên dưới.
Nếu luồng khí này lọt xuống bên dưới cánh, nó sẽ làm giảm hiệu quả trong việc tạo ra downforce, đồng thời tạo ra các xoáy lốc không khí không thể kiểm soát được. Những xoáy lốc này có thể làm gián đoạn các thành phần khí động học ở phía sau xe.
Mặc dù các tấm ốp đầu cánh có vẻ nhỏ và không đáng kể so với phần còn lại của cánh gió, chỉ một hư hỏng nhỏ nhất ở chi tiết này cũng có thể khiến hiệu suất của xe bị giảm đi đáng kể.
Cánh trước của những chiếc xe F1 trong quá khứ
Các thế hệ xe F1 trước đây có cánh trước phức tạp với nhiều phần tử cánh, tấm ốp và cánh con. Hình dạng của những phiên bản cánh này cũng tạo ra downforce theo cách gần như tương tự thiết kế hiện nay. Tuy nhiên, vì độ phức tạp cao hơn, những bộ cánh cũ đóng vai trò quan trọng hơn trong việc dẫn luồng không khí đi qua toàn bộ 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, có thể tạo tác động đến luồng không khí xung quanh chúng.
Các xoáy lốc sau khi rời khỏi cánh trước được sử dụng để tác động đến các luồng khí nhiễu loạn, khiến chúng không thể tiếp cận tới các bộ phận khí động học quan trọng khác ở phía sau của xe. Sự "thao túng" này được thực hiện bằng cách dùng xoáy lốc để tạo ra hiện tượng "outwash", giúp làm kín gầm xe.
Lưu ý rằng xoáy lốc từ cánh trước thường tạo ra lực cản. Tuy nhiên, nó lại giúp giảm lực cản ở những khu vực khác, nên cuối cùng vẫn mang lại hiệu suất tổng thể cho xe.
Khả năng làm mát xe
Các xoáy lốc cũng giúp đưa không khí vào bên trong xe tốt hơn thông qua hiệu ứng phân luồng (channeling effect). Để làm mát động cơ và các bộ phận bên trong khác, rất nhiều không khí phải được đưa vào qua bộ tản nhiệt thông qua các hốc lấy gió làm mát thân xe.
Lưu ý rằng bản thân các xoáy lốc không được sử dụng để làm mát. Thứ đi vào sidepod không phải là xoáy lốc mà là luồng không khí được điều hướng một phần bởi các xoáy lốc.
Và có một dạng xoáy lốc đặc biệt mà bạn có thể đã nghe qua - xoáy lốc Y250.
Xoáy lốc Y250 là gì?
Ở thế hệ xe F1 trước năm 2022, xoáy lốc Y250 hình thành ở vị trí hai bên cánh trước, nằm cách trục đối xứng (phương thẳng đứng) của xe một đoạn 250mm. Không khí trong xoáy lốc này có năng lượng cực cao, và các đội đã tận dụng triệt để để dẫn luồng không khí vào sidepod.
Dạng xoáy lốc đặc biệt này được tạo ra do sự chênh lệch áp suất giữa phần bị "khoét" ở khu vực mũi xe và phần còn lại của cánh trước.
Xoáy lốc Y250 giữ cho luồng không khí nhiễu loạn (wake) từ hai bánh trước cách xa khỏi thân xe, và quan trọng là cách xa khỏi sàn xe. Nó cũng hoạt động giống như một vòng bao khí động học ở mép sàn, ngăn không cho không khí lọt vào gầm xe từ hai bên. Do đó, xoáy lốc Y250 làm tăng đáng kể hiệu quả của gầm xe trong việc tạo ra downforce.
Xoáy lốc Y250 biến mất sau những thay đổi về quy định vào năm 2022.
Vấn đề về không khí nhiễu loạn
Mặc dù những xoáy lốc nói trên giúp xe tạo ra downforce và dẫn không khí đến các sidepod, tuy nhiên chúng lại tạo ra "cơn ác mộng" cho những chiếc xe phía sau. Lý do là chúng để lại luồng không khí nhiễu loạn (dirty air) có áp suất thấp cho xe sau, phần lớn là do hiện tượng outwash.
Dirty air khiến cho những chiếc xe phía sau vừa không thể tạo ra nhiều downforce, vừa không thể làm mát một cách hiệu quả. Điều này khiến cho việc bám đuổi xe trước trở nên khó khăn.
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 đi qua bên dưới và xung quanh xe.
Cánh trước đã thay đổi rất nhiều trong những năm qua, và những thay đổi về quy tắc năm 2022 đã giúp đơn giản hóa thiết kế của chúng so với những năm trước.