Khí động học lần đầu tiên được nhìn nhận nghiêm túc như một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất của xe đua là vào thập niên 1960, mặc dù các thiết kế xe dạng "thuôn gọn" và "mang yếu tố khí động học" đã được sử dụng từ trước đó.
Sự xuất hiện của các cánh gió gắn trực tiếp lên xe là bước đi đầu tiên mở ra một kỷ nguyên mới, nơi khí động học trở nên cực kỳ quan trọng và cuối cùng biến thành yếu tố thống trị trong việc thiết kế xe đua ở thể thức đua trên trường đua (circuit-racing), đồng thời cũng là một nhân tố ngày càng có trọng số lớn ở các thể loại đua xe khác như đua xe đường trường (rallying).
Tại các thể thức đua, dù việc thiết kế xe phải tuân thủ những quy định kỹ thuật nghiêm ngặt, đây là trách nhiệm riêng của từng đội đua hoặc nhà sản xuất. Hiện nay, khí động học cũng đã trở thành trọng tâm hàng đầu trong công tác phát triển xuyên suốt mùa giải. Lý do là bởi ở đại đa số các phân khúc đua xe, những cải tiến về mặt khí động học có thể mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc rút ngắn thời gian hoàn thành một vòng đua - lớn hơn bất kỳ mảng phát triển nào khác.
Lực cản (drag) và downforce
Có hai yếu tố thiết yếu cấu thành nên tính khí động học của một chiếc xe đua:
- Lực cản (drag): Một lực tác dụng theo hướng ngược lại với chiều chuyển động của một vật thể. Trong trường hợp này, vật thể chính là chiếc xe, còn chất lưu chính là không khí.
- Downforce: Một lực tác dụng theo hướng thẳng đứng xuống dưới lên một vật thể.
Chính vì vậy, mục tiêu của các chuyên gia khí động học là giảm thiểu lực cản, giúp chiếc xe lướt qua không khí một cách thanh thoát và nhanh hơn, đồng thời sử dụng các thiết bị khí động học như cánh gió để sản sinh ra downforce.
Các dòng xe F1 và WEC (giải vô địch sức bền thế giới) ngày nay tạo ra downforce cực kỳ khổng lồ và khi chạy ở tốc độ cao, lượng downforce sản sinh ra này thậm chí có thể vượt quá cả trọng lượng thực tế của chiếc xe. Một chiếc xe F1 khi đạt tốc độ tối đa có thể tạo ra downforce gấp bốn lần trọng lượng của chính nó.
Các lực khí động học sinh ra tỷ lệ thuận với vận tốc, mặc dù bản thân hệ số lực cản và hệ số downforce không phụ thuộc vào tốc độ. Khi vận tốc của xe tăng lên gấp đôi, các lực khí động học tác dụng lên xe sẽ tăng lên gấp bốn lần (tăng theo hàm bình phương).
Việc cân bằng giữa lực cản và downforce là một bài toán đánh đổi đối với các nhà thiết kế. So với một chiếc xe thương mại phổ thông, một chiếc xe đua trên thực tế lại có hệ số lực cản tương đối cao, điều này phần lớn là do kích thước khổng lồ của các cánh gió.
Nếu tay đua buông chân ga trên một chiếc xe F1 thế hệ hiện tại - thứ vốn đang được thiết lập cấu hình để chạy trên một đường đua đòi hỏi high-downforce (downforce cao) như trường đua Hungaroring ở Hungary, chiếc xe sẽ tạo ra một lực giảm tốc lên tới hơn 1G mà chưa cần chạm vào bàn đạp phanh.
Thiết kế khí động học không đơn thuần chỉ xoay quanh việc giảm thiểu lực cản để tối ưu hóa tốc độ trên đoạn đường thẳng, hay tối đa hóa downforce nhằm đạt được vận tốc vào cua cao hơn. Một mục tiêu tối quan trọng khác là phải hướng tới sự ổn định khí động học nhằm đảm bảo downforce sinh ra một cách đồng nhất và liên tục.
Tình trạng bất ổn định về khí động học có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng trong khả năng phản hồi / điều khiển của xe, khiến tay đua đánh mất sự tự tin vào cỗ máy của mình và đây chính là nguyên nhân trực tiếp kéo dài thời gian hoàn thành vòng đua.
Cách cánh gió được sử dụng để tạo ra downforce
Các cánh gió trên một chiếc xe đua hoạt động theo cách thức hoàn toàn tương tự như cánh máy bay, ngoại trừ việc trên xe ô tô, các cánh gió được lắp đặt lật ngược lại, nhằm tạo ra downforce thay vì lực nâng (lift).
Downforce được tạo ra khi có một vùng không khí áp suất cao ở phía trên một bề mặt và vùng không khí áp suất thấp ở phía dưới bề mặt đó.
Hình dáng của cánh gió xe đua (về bản chất là một cánh khí động học (aerofoil) bị lật ngược) tạo ra downforce vì luồng không khí lưu thông bên dưới cánh phải di chuyển một quãng đường dài hơn so với luồng không khí lưu thông qua đỉnh cánh.
Nguyên lý Bernoulli đã chỉ ra rằng sự gia tăng vận tốc của một chất lưu sẽ tương ứng với sự sụt giảm áp suất của nó. Do đó, khi một vùng áp suất thấp được hình thành dưới cánh và một vùng áp suất cao ở trên cánh, downforce sẽ được sinh ra.
Tại sao hiện tượng "thất tốc" khí động học lại xảy ra?
Tuy nhiên, có một yếu tố phức tạp hơn. Khi không khí đi qua cánh gió, dòng khí có xu hướng tách khỏi bề mặt phía dưới của cánh, làm gia tăng lực cản (drag) tác dụng lên cánh gió.
Hiện tượng tách dòng (flow separation) xảy ra khi dòng chảy mượt mà của chất lưu (không khí hoặc nước) bị gián đoạn. Lúc này, chất lưu có thể bắt đầu chảy ngược hoặc hình thành các vùng xoáy. Thông thường, hiện tượng này xuất hiện khi áp suất tăng lên, khiến dòng khí không còn bám theo bề mặt mà tách ra khỏi nó.
Khi điều đó xảy ra, cánh gió rơi vào trạng thái thất tốc khí động học (stall) - hay mất hiệu quả khí động học, dẫn đến sự sụt giảm đột ngột của cả downforce lẫn lực cản (drag).
Nếu cánh gió bị thất tốc một cách bất ngờ, điều này có thể gây ra tác động tiêu cực đột ngột lên khả năng kiểm soát của chiếc xe khi vào cua. Hệ thống giảm lực cản (DRS) trong giai đoạn 2011-2025 cũng chủ động tạo ra hiện tượng thất tốc luồng không khí, nhưng đây là kịch bản đã được tính toán từ trước. Trong trường hợp này, DRS được sử dụng như một công cụ hỗ trợ vượt mặt tại một số khu vực quy định sẵn trên đường đua ở các thể thức Formula 3, Formula 2 và Formula 1.
Góc đặt của cánh sau càng lớn, cánh gió sẽ tạo ra downforce càng nhiều. Tuy nhiên, lợi ích này đi kèm với nguy cơ lớn hơn về hiện tượng tách dòng khí (flow separation) và dẫn đến trạng thái thất tốc khí động học (stalling).
Để giảm bớt xu hướng thất tốc của cánh gió, luồng không khí lưu thông qua mặt dưới của cánh phải được tăng tốc. Điều này có thể đạt được bằng cách chia kết cấu cánh thành hai phần tử (element) riêng biệt, với một khe hở (slot) ở giữa chúng.
Với cách bố trí này, luồng không khí áp suất cao lưu thông qua đỉnh của phần tử chính có thể lọt qua khe hở, giúp tăng tốc luồng không khí đang lưu thông ở mặt dưới của cánh gió. Theo nguyên tắc chung, việc sử dụng nhiều khe hở và phần tử cánh gió nhiều hơn cho phép phần tử cánh chính được đặt ở góc dốc hơn, từ đó sản sinh ra nhiều downforce hơn.
Trong nhiều thể thức đua xe, số lượng các phần tử cánh gió bị giới hạn nghiêm ngặt bởi các quy định kỹ thuật.
Bộ khuếch tán (Diffuser) là gì và nó hoạt động như thế nào?
Một lần nữa, tùy thuộc vào từng thể thức đua, nhiều thiết bị khí động học khác ngoài cánh gió có thể được sử dụng trên xe đua. Do các bộ phận khác nhau này luôn tương tác qua lại với nhau, điều đó đồng nghĩa với việc chúng phải được thiết kế để vận hành như một hệ thống đồng bộ, thay vì hoạt động tách biệt.
Xét về mặt hiệu suất, rất khó để thiết kế các cánh gió trước và sau tăng thêm downforce mà lại không làm tăng thêm lực cản không khí.
Bộ phận khí động học đạt hiệu suất cao nhất trên hầu hết các mẫu xe đua chính là bộ khuếch tán phía sau (rear diffuser) - bộ phận có thể được thiết kế để tạo ra mức downforce khổng lồ với lực cản tối thiểu.
Bộ khuếch tán tạo ra downforce bằng cách áp dụng nguyên lý Venturi. Về bản chất, nguyên lý này sử dụng một ống dẫn có một đoạn thắt nút dọc theo chiều dài của nó để tăng tốc luồng không khí và làm sụt giảm áp suất của dòng khí đó.
Trong bối cảnh của một chiếc xe đua, không khí sẽ đi vào ống dẫn này từ phía trước của sàn xe, khu vực dưới gầm sàn đóng vai trò là đoạn thắt nút (cấu hình sàn xe sẽ thay đổi tùy thuộc vào các quy định kỹ thuật liên quan) và bộ khuếch tán chính là cửa thoát khí.
Bằng cách thiết kế tỉ mỉ sàn xe, bộ khuếch tán và cả cánh gió trước (bộ phận kiểm soát luồng khí lưu thông qua các bề mặt phía sau của xe), luồng không khí dưới gầm xe có thể được tăng tốc, làm hạ áp suất của nó và từ đó sản sinh ra downforce.
Nhiều thiết bị khí động học khác cũng có thể được lắp đặt, nhưng như đã đề cập trước đó, tất cả chúng phải được thiết kế để hoạt động một cách hài hòa - vừa giảm lực cản, vừa tạo ra downforce, đồng thời giúp tối ưu hóa khả năng phản hồi / điều khiển (handling) để cho phép tay đua đẩy chiếc xe tới giới hạn hiệu năng cao nhất của nó.
Việc thiết lập cấu hình khí động học (aerodynamic set-up) ngày nay đóng vai trò quan trọng không kém gì thiết lập cơ học (mechanical set-up), và trên thực tế, nó được cho là còn quan trọng hơn ở một số thể thức đua. Nhưng đối với mọi thể thức, việc đạt được hiệu suất khí động học tối ưu và sự ổn định đồng nhất chính là chìa khóa tuyệt đối quyết định khả năng vận hành của chiếc xe.