Cấu tạo khí động học của Ôtô

Chắc rằng trong chúng ta, ai cũng đã có dịp ngắm nhìn những chiếc xe đủ kiểu dáng, đủ màu sắc. Nhưng có lẽ ít ai hiểu rõ, khi chuyển động, nhất là ở tốc độ cao, ôtô đã chịu tác động của những lực nào.Hiệu suất khí động học của xe được xác định bởi hệ số cản Cd (một số sách ở Việt Nam ký hiệu là K). Hệ số cản là một thông số phụ thuộc vào diện tích cản chính diện, nó cho thấy sự ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới lực cản...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu tạo khí động học của Ôtô Khí động học của ÔtôChắc rằng trong chúng ta, ai cũng đã có dịp ngắm nhìn những chiếc xe đủ kiểudáng, đủ màu sắc. Nhưng có lẽ ít ai hiểu rõ, khi chuyển động, nhất là ở tốc độ cao,ôtô đã chịu tác động của những lực nào.Hiệu suất khí động học của xe được xác định bởi hệ số cản Cd (một số sách ở ViệtNam ký hiệu là K). Hệ số cản là một thông số phụ thuộc vào diện tích cản chínhdiện, nó cho thấy sự ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới lực cản khí động. Trên lýthuyết, một đĩa tròn phẳng có hệ số cản không khí Cd bằng 1, nhưng sau khi thayđổi hình dạng mép viền của đĩa, hệ số cản sẽ tăng lên vào khoản 1,2. Hình dạng cóhiệu suất khí động tốt nhất là hình dạng của một giọt nước đang rơi, hệ số cản Cdcủa nó là 0,05. Tuy nhiên, người ta không thể thiết kế một chiếc xe có hình dạngnhư thế. Một kiểu xe thông thường có hệ số cản vào khoản 0,3.Lực cản gió của xe tỷ lệ với hệ số cản không khí, diện tích cản chính diện và bìnhphương vận tốc của xe. Bạn có thể nhận thấy rằng, một chiếc xe chạy với vận tốc200 km/h phải chịu lực cản gấp 4 lần một chiếc xe như thế chạy với vận tốc 100km/h. Bạn cũng có thể thấy rõ sự ảnh hưởng của lực cản đến tốc độ tối đa của xe.Nếu chúng ta muốn nâng tốc độ tối đa của chiếc Ferrari Testarossa từ 290 km/hlên 320 km/h như chiếc Lamborghini Diablo mà không thay đổi hình dáng của nó,chúng ta cần phải nâng công suất của động cơ từ 390 mã lực lên 535 mã lực!Nhưng tốc độ cực đại cao như vậy hoàn toàn có thể đạt được mà không cần nângcao công suất động cơ nếu chúng ta chi thêm nhiều tiền bạc và thời gian vào việcnghiên cứu khí động học, giảm hệ số Cd từ 0.36 xuống còn 0,29 cũng mang lại kếtquả tương tự như nâng công suất từ 390 mã lực lên 535 mã lực.Thông thường, trong các phòng thí nghiệm, để nghiên cứu tính khí động học của ôtô, người ta tạo ra một mô hình xe giống với chiếc xe ngoài thực tế, đặt mô hìnhnày vào một hầm có dạng ống (hầm gió), rồi thổi một luồng khí vào trong hầm;luồng khí chuyển động qua mô hình tĩnh, tương tự với một chiếc xe chuyển độngtrong không khí ở bên ngoài. Trên mô hình có gắn các thiết bị, cảm biến thu nhậntín hiệu, nhờ vào lý thuyết tương tự, người ta tính được các thông số khí động họccủa chiếc xe trên thực tế.Kiểu thiết kế đuôi trơnVào những năm 60, các kỹ sư của các đội đua bắt đầu nắm được những điểm đánglưu ý của khí động học. Họ nhận thấy rằng, nếu giảm độ nghiêng của phần đuôi xexuống còn 20 độ hoặc ít hơn, thì dòng không khí sẽ lượn theo lưng mui một cáchrất suôn sẻ và lực cản được giảm đi nhiều. Họ đã gọi kiểu thiết kế này là“Fastback” (đuôi trơn). Và kết quả, rất nhiều xe đua, chẳng hạn Porche 935/78(hình bên) đã tạo nên một cái đuôi dài, thấp rất thái quá ở phía sau.Với kiểu xe thiết kế theo dạng 3 hộp, dòng khí thoát khỏi xe ở phía cuối mui theomột đường thẳng suốt. Trong khi đó, góc cắt gấp đột ngột của kính chắn hậu tạonên một vùng áp suất thấp, vùng này cuốn những dòng khí quay ngược về để bùđắp lại, vì thế, nó tạo nên dòng chảy rối của khí. Dòng chảy rối của khí luôn tácđộng tiêu cực đến (tăng) hệ số cản không khí của xe.Tuy nhiên, kiểu thiết kế này vẫn còn khả dĩ hơn một số kiểu thiết kế khác ở thờikỳ này. Nếu góc nghiêng của kính chắn hậu trong khoản từ 30 đến 35 độ, dòng khíchuyển động sẽ rất hỗn độn, nó dễ dàng phá vỡ tính ổn định của xe khi chạy ở tốcđộ cao. Trước đây, các hãng sản xuất không có nhiều hiểu biết về vấn đề này và họđã tạo ra những chiếc xe như vậy.Lực nângTheo nguyên lý Bernoulli, sự chênh lệch về vận tốc sẽ làm phát sinh một lưới áplực ngược tác dụng lên bề mặt trên của xe và người ta gọi nó là lực nâng.Cũng giống như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện tích (nhưng nay không phải làdiện tích cản chính diện mà là diện tích bề mặt), dạng hình học của xe, tốc độ vàhệ số lực nâng (được xác định tuỳ thuộc vào dạng hình học của ô tô). Ở tốc độcao, lực nâng có thể đủ lớn làm cho xe của bạn mất ổn định. Lực nâng đặc biệtquan trọng ở đuôi xe, bạn dễ dàng nhận thấy được điều này, do tồn tại một vùngáp suất thấp phía sau kính chắn hậu, nếu lực nâng phía sau không được khử mộtcách hiệu quả, hai bánh sau sẽ dễ dàng bị trượt, và điều này là cực kì nguy hiểmnếu xe chạy ở tốc độ khoảng 250 km/h.Ở mặt này, kiểu thiết kế đuôi trơn lại có tác dụng xấu vì nó có một diện tích bềmặt lớn tiếp xúc với không khí. Có thể nói một lực cản lý tưởng cùng với một lựcnâng lý tưởng thì không thể dung hoà với nhau. Chúng ta không thể có cả hai cùngmột lúc. Tuy nhiên, nếu nghiên cứu nhiều hơn về khí động học, chúng ta có thểtìm ra một lời giải để đạt được cả hai.Cánh gió (cánh hậu)Vào đầu những năm 60, các kỹ sư của Ferrari khám phá ra rằng, việc gắn thêmmột cánh gió ở cuối xe có thể làm cho lực nâng giảm mạnh, thậm chí còn phátsinh thêm lực ép xuống, trong khi đó lực cản lại tăng không đáng kể.Cánh gió có tác dụng hướng phần lớn dòng khí sau khi rời khỏi mui đi thẳng màkhông quay trở lại ...