Trong nhiều thập kỷ gần đây của F1, các đội đua chủ yếu tạo downforce bằng hệ thống cánh gió và các bề mặt khí động học phức tạp trên thân xe, giúp xe bám đường ổn định khi vào cua. Tuy nhiên, cách tiếp cận này lại tạo ra luồng khí bẩn (dirty air) phía sau xe, khiến các tay đua gặp nhiều khó khăn khi bám sát đối thủ phía trước. Các số liệu do Formula 1 đưa ra cho thấy, downforce giảm 35% khi bám theo xe phía trước ở khoảng cách 20 mét, và tăng lên 47% ở khoảng cách 10 mét.
Từ nguyên nhân trên, các cuộc đua F1 trong nhiều năm đã trở nên kém hấp dẫn, bởi việc vượt xe là một thách thức quá lớn. Để giải quyết vấn đề này và khôi phục tính cạnh tranh, FIA đã quyết định rằng xe F1 cần tạo ra luồng khí phía sau "sạch" và ít nhiễu loạn hơn. Điều đó cho phép xe phía sau tiếp cận gần hơn, từ đó gia tăng cơ hội vượt xe.
Để giảm luồng khí bẩn và hạn chế nhiễu loạn phía sau, dòng khí thoát ra khỏi xe buộc phải được kiểm soát theo một cách khác. Tuy nhiên, khi các giải pháp khí động học thay đổi, vấn đề mới lập tức xuất hiện: downforce suy giảm. Khi đó, bài toán cốt lõi được đặt ra là bù đắp phần downforce bị thiếu hụt bằng cơ chế nào?
Ban đầu, các giải pháp như cải tiến bộ khuếch tán (diffuser) và điều chỉnh hệ thống cánh gió đã được xem xét. Tuy nhiên, hiệu quả đạt được vẫn chưa đủ. Sau cùng, FIA đi đến quyết định đưa hiệu ứng mặt đất (ground effect) trở lại. Đây là một nguyên lý khí động học đã được nghiên cứu và áp dụng trong F1 suốt nhiều thập kỷ, đặc biệt phát huy rõ rệt từ cuối những năm 1970, với mục tiêu cốt lõi là tạo ra đủ downforce để giữ chiếc xe bám chặt mặt đường khi vận hành ở tốc độ cao.
Để hiện thực hóa hiệu ứng mặt đất, các kỹ sư buộc phải sử dụng đường hầm Venturi – cấu trúc then chốt giúp tạo downforce trực tiếp từ gầm xe. Vậy đường hầm Venturi thực chất là gì? Và vì sao một công nghệ từng bị loại bỏ trong quá khứ lại được FIA đưa trở lại F1 hiện đại?
Hiệu ứng Venturi là gì?
Hiệu ứng Venturi đã được biết đến rộng rãi kể từ khi được Giovanni Battista Venturi mô tả vào thế kỷ 18. Nguyên lý này cho rằng, khi chất lưu chảy qua một đoạn bị thu hẹp trong hệ thống kín, vận tốc dòng chảy sẽ tăng lên và áp suất sẽ giảm xuống. Trong thực tế, cấu trúc đó được gọi "là ống Venturi" hoặc "đường hầm Venturi". Trong số nhiều ứng dụng cơ khí, bộ chế hòa khí là một ví dụ điển hình - tận dụng sự chênh lệch áp suất để hút và trộn nhiên liệu với không khí.
Trong F1, hiệu ứng Venturi được ứng dụng vì tạo ra nhiều downforce mà không sinh nhiều lực cản. Nhờ đó, xe có nhiều độ bám khi vào cua mà không phải đánh đổi tốc độ trên các đoạn thẳng. Điều này khác hoàn toàn với các cánh gió thông thường, dù tạo downforce nhưng cũng làm giảm tốc độ bởi tạo ra nhiều lực cản.
Sự xuất hiện của hiệu ứng Venturi tại F1
Quay ngược lịch sử trở lại những năm 1970, F1 bước vào một giai đoạn biến đổi sâu sắc. Động cơ tăng áp bắt đầu phát triển mạnh, lần đầu được Renault giới thiệu năm 1977. Cùng lúc, khái niệm "wing car" ra đời - sử dụng cấu hình gầm xe dạng cánh ngược, kết hợp với các tấm ốp sườn để tạo ra downforce lớn. Đây là một giải pháp kỹ thuật được Colin Chapman giới thiệu lần đầu trên chiếc Lotus 78 - cũng trong năm 1977.
Từ thời điểm đó, các kỹ sư xác định đường hầm Venturi là một giải pháp khí động học trọng tâm cần được khai thác. Trong giai đoạn "wing car" từ năm 1977 đến 1982, phần lớn downforce của xe F1 được tạo ra từ các đường hầm Venturi hình thành bên dưới sidepod. Các đường hầm này được tạo nên nhờ biên dạng cánh ngược (inverted wing profile) tích hợp trong sidepod và được bố trí rất sát mặt đường. Hai bên đường hầm Venturi được làm kín bởi thành bên của sidepod, đồng thời duy trì khoảng hở tối thiểu với mặt đường nhờ các tấm chắn di động (sliding skirts).
Nhờ thiết kế này, hiệu ứng mặt đất được khai thác ở mức cao. Lượng downforce lớn tạo ra từ các đường hầm Venturi giúp giảm đáng kể vai trò của cánh trước và cánh sau. Khi đó, các cánh gió chủ yếu được sử dụng để tinh chỉnh cân bằng khí động học giữa trục trước và trục sau, phù hợp với đặc điểm từng đường đua.
Nhược điểm của hiệu ứng Venturi - Khi chiếc xe dần mất kiểm soát
Tuy nhiên, những nhược điểm chí mạng nhất của hiệu ứng Venturi cũng dần xuất hiện. Đầu tiên là sự mất ổn định khí động học đột ngột. Để duy trì vùng áp suất thấp cực đại dưới gầm xe, các đội đua buộc phải sử dụng hệ thống "ốp sườn" (side skirts) chạm sát mặt đường để ngăn không khí tràn vào.
Tuy nhiên, cơ chế này cực kỳ mong manh. Chỉ cần xe đi qua gờ giảm tốc hoặc mặt đường không bằng phẳng là đủ khiến các tấm chắn bên bị hở dù trong thời gian rất ngắn, áp suất dưới gầm xe sẽ nhanh chóng cân bằng. Khi đó, downforce sinh ra từ hiệu ứng mặt đất gần như biến mất tức thì. Ở tốc độ cao, sự suy giảm đột ngột này khiến xe mất độ bám, dẫn đến mất ổn định nghiêm trọng và nguy cơ tai nạn mà người lái gần như không thể kiểm soát.
Bên cạnh đó, việc khai thác đường hầm Venturi ở mức độ cao còn dẫn tới hiện tượng "lướt cá heo" (porpoising) và nhiều hệ lụy khác về mặt cơ học. Khi downforce từ gầm xe quá lớn, xe bị hút sát mặt đường, làm dòng khí dưới gầm bị nghẽn và hiệu ứng mặt đất suy giảm đột ngột. Điều này lại khiến xe bật lên, sau đó lại nhanh chóng bị hút xuống, tạo thành một chu kỳ dao động liên tục.
Để hạn chế hiện tượng này và duy trì khe hở gầm ổn định, các kỹ sư buộc phải sử dụng hệ thống treo có độ cứng rất cao. Hệ quả là khả năng hấp thụ dao động của xe gần như bị triệt tiêu, khiến rung động từ mặt đường truyền trực tiếp lên cơ thể tay đua. Tất cả gây ra sự đau đớn và kiệt sức nhanh chóng dưới áp lực của lực quán tính (G-force) khổng lồ khi vào cua.
Cuối cùng, sự kết hợp giữa hiệu suất tốc độ tăng vọt và công nghệ an toàn chưa hoàn thiện đã bộc lộ những giới hạn nguy hiểm. Chính vì vậy FIA đã phải ban hành lệnh cấm hiệu ứng mặt đất và đường hầm Venturi vào năm 1983.
Sự kỳ vọng cho lần trở lại của đường hầm Venturi
Như trình bày ở trên, lần tái xuất của đường hầm Venturi từ F1 2022 là giải quyết triệt để bài toán khí bẩn (dirty air) vốn đã kìm hãm khả năng cạnh tranh vị trí trên đường đua trong suốt nhiều năm. Bằng cách chuyển trọng tâm tạo downforce thông qua các đường hầm Venturi được thiết kế lại, luồng khí thải ra được hướng lên cao thay vì thổi thẳng vào xe sau. Thay đổi này giúp xe bám đuôi giữ được khoảng 86% hiệu suất khí động học, từ đó tạo điều kiện cho những màn so kè sát nút và gia tăng số lượng các pha vượt mặt.
Khác với sự nguy hiểm của thập niên 70, việc tái áp dụng hiệu ứng Venturi đi kèm với những tiêu chuẩn an toàn khắt khe hơn, đặc biệt là sự loại bỏ hoàn toàn các "ốp sườn" (side skirts) vật lý. Thay vì dùng các tấm chắn cơ học dễ hỏng hóc để làm kín gầm xe, các đội đua ngày nay phải sử dụng tấm ốp khí động học (aerodynamic skirt) được tạo ra từ các luồng khí xoáy (vortex) ở rìa sàn xe.
Song song với đó, nhằm tối ưu dòng khí đi vào gầm xe, khu vực phía trước sàn hiện được trang bị tối đa bốn vách ngăn thẳng đứng (floor fences) mỗi bên. Các vách ngăn này có nhiệm vụ định hướng luồng khí và tạo ra các xoáy khí (vortex), qua đó đẩy luồng khí bẩn sinh ra từ bánh trước ra ngoài, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực tới gầm xe. Việc kiểm soát dòng khí tại khu vực này mang tính then chốt, bởi nó tác động trực tiếp đến hiệu suất tổng thể của hệ thống khí động học dưới gầm. Các số liệu đo đạc thực tế cho thấy, xe F1 thế hệ 2022 chỉ mất khoảng 4% downforce khi bám đuôi ở khoảng cách 20 mét và khoảng 18% khi rút ngắn xuống 10 mét.
Cách làm này giúp ngăn chặn tình trạng mất downforce đột ngột khi xe đi qua gờ giảm tốc hoặc va chạm. Nếu trong trường hợp sự kín khí bị phá vỡ, lực bám sẽ giảm từ từ thay vì biến mất tức thì. Qua đó, giúp tay đua có đủ thời gian phản xạ và giữ kiểm soát chiếc xe.
Mặc dù hiện tượng "lướt cá heo" (porpoising) quay trở lại như một hệ quả khó tránh của hiệu ứng mặt đất. Tuy nhiên, F1 hiện nay đã sở hữu những công nghệ kiểm soát mà quá khứ chưa từng có. Thông qua việc tối ưu khí động học sàn xe, thiết kế hệ thống treo và kiểm soát khoảng hở gầm, các đội đua có thể giảm đáng kể dao động dọc của xe.
Tổng kết
Hành trình của hiệu ứng Venturi là một vòng tuần hoàn công nghệ đáng chú ý: từ tiến bộ công nghệ bị cực đoan hóa dẫn tới nhiều rủi ro trong thập niên 1970, đến sự trở lại có kiểm soát ở kỷ nguyên F1 hiện đại. Sau gần 40 năm, Venturi tái xuất với sàn xe tinh vi, không còn phụ thuộc vào các cơ cấu cơ học cứng nhắc. Thay vào đó, chính dòng khí đảm nhiệm vai trò niêm phong gầm xe, tạo ra downforce ổn định và an toàn hơn.
Quan trọng hơn, Venturi góp phần khôi phục khả năng bám đuổi sát sao và vượt xe. Bằng cách kiểm soát luồng khí nhiễu động phía sau, F1 hiện đã trở lại giá trị cốt lõi của môn thể thao: cuộc cạnh tranh giữa kỹ năng của các tay đua.