Tìm hiểu lực downforce

Downforce, lực ép xuống hay lực nén, là một lực khí động học theo chiều từ trên xuống dưới chỉ xuất hiện khi một vật thể chuyển động trong dòng không khí (hoặc khi không khí thổi vào vật thể)

Phân bổ downforce trên xe F1-cánh trước 25%, thân trước 5-10%, thân sau 45%, cánh sau 25% (thông tin chỉ mang tính tương đối)

1/ Downforce (lực ép xuống) là gì?

Downforce là một lực khí động học theo chiều từ trên xuống dưới chỉ xuất hiện khi một vật thể chuyển động trong dòng không khí (hoặc khi không khí thổi vào vật thể).

Như vậy khi vật thể không chuyển động (so với không khí) thì sẽ không có lực downforce. Lực downforce lớn hay nhỏ sẽ phụ thuộc vào hình dạng và ‘tư thế’ của vật thể.

Các hình dạng khí động học thường thấy

2/ Vật thể hình dạng khí động học (hình trên)

Các nhà khoa học đã phát hiện ra những vật thể có hình dạng khí động học (airfoil) sẽ tạo ra downforce nhiều hơn các vật thể có hình dạng khác.

Trong môn đua xe, thân xe, cánh trước, cánh sau v.v… được chế tạo theo hình dạng khí động học. Chúng sẽ tạo ra mức downforce khác nhau. Nhiệm vụ của các kỹ sư là tìm được độ cân bằng downforce tổng thể.

Ngoài ra, trong môn đua xe còn có quy định là những bộ phận khí động học thì không được phép chuyển động (nghĩa là những bộ phận này không được quay hoặc thay đổi vị trí so với chiếc xe). Những ngoại lệ như DRS (được phép bật lên bật xuống) phải có sự cho phép của luật.

3/ Tư thế của vật thể

Khi di chuyển trong dòng không khí, để phát sinh nhiều downforce thì vật thể cần có tư thế nghêng xuống so với hướng chuyển động. Nếu vật thể nghiêng lên thì các bạn có thể hình dung được nó sẽ bị không khí hất tung lên trời. Lực khí động học lúc này sẽ là lực lift (lực nâng)-được áp dụng trong công nghiệp hàng không.

Góc nghiêng của vật thể so với mặt đường được gọi là góc tấn (attack angle). Các kỹ sư sẽ điều chỉnh góc tấn này để điều chỉnh mức độ downforce của xe.

4/ Có loại lực khí động học nào khác?

Lực cản không khí (drag) theo chiều ngang, ngược hướng với chuyển động là một loại lực khí động học khác. Nó chỉ xuất hiện khi chiếc xe chuyển động.

5/ Còn lực nào không phải là lực khí động học?

Đó là các lực cơ bản mà chúng ta được học ở trường phổ thông như:

P: Trọng lực của xe (hướng xuống)

N: Phản lực (hướng lên)

F: Lực kéo (lực động cơ, để làm cho chiếc xe chuyển động)

Fms: Lực ma sát (ngược chiều với lực kéo, làm chậm chuyển động)

Chú thích: Người viết sử dụng thuật ngữ lực khí động học để (hi vọng) người đọc dễ hiểu. Nếu các bạn đọc tài liệu khác thì có thể sẽ không gặp thuật ngữ này.

6/ Lợi ích và tác hại của downforce

Lợi ích:

Một chiếc xe có downforce cao sẽ bị ép vào mặt đường chặt hơn (nói cách khác là tăng độ bám đường), nhờ đó khi ôm cua sẽ không bị văng khỏi góc cua, chiếc xe sẽ ôm cua tốt hơn, tốc độ cua sẽ cao hơn.

Với xe MotoGP, tăng downforce ở thân trước (dùng fairing) còn giúp giảm hiện tượng bốc đầu mỗi khi tăng tốc.

Tác hại:

Downforce cao làm chiếc xe bị chậm lại trên đường thẳng.

Do đó, tùy theo kiểu đường mà các kỹ sư sẽ thiết lập downforce phù hợp cho chiếc xe.
Ở các đường đua ít góc cua như Monza hay Red Bull Ring thì cần downforce thấp, để tăng tốc độ trên các đoạn thẳng, có thể hi sinh một chút ở các góc cua.

Ngược lại các trường đua như Monaco, Singapore có nhiều góc cua, nhiều bức tường thì cần downforce cao. Để vào cua tốt, không bị văng ra khỏi góc cua kẻo bị tông rào.

7/ Tình trạng mất downforce

Do chiếc xe F1 ngày càng được tối ưu downforce, nên khi gặp tình trạng mất downforce ví dụ như khi phải chạy sau xe khác hoặc khi gặp gió mạnh (đặc biệt là gió cùng chiều với xe) hoặc khi bị hư hỏng một bộ phận khí động học nào đó thì các tay đua sẽ rất vất vả để có thể điều khiển chiếc xe.

8/ Downforce được tạo ra như thế nào?

Có hai lý thuyết thường được sử dụng để giải thích sự xuất hiện của downforce. Đó là nguyên lý Bernoulli và định luật Newton.

dòng khí màu đỏ phía trên di chuyển chậm và có áp suất cao hơn dòng khí màu đỏ phía dưới

-Giải thích bằng nguyên lý Bernoulli:

Trước khi tiếp xúc với vật thể khí động học thì không khí có áp suất bằng nhau ở mọi điểm.

Sau khi gặp vật thể, không khí bị tách ra hai đường, mặt trên và mặt dưới. Không khí ở mặt dưới do bị nén lại nên chúng di chuyển nhanh hơn không khí mặt trên (trong cuộc sống chúng ta cũng ứng dụng hiện tượng này mỗi khi sử dụng vòi phun nước, để phun nước mạnh hơn thì chúng ta thường dùng tay ép miệng vòi lại).

Do đó áp suất mặt dưới sẽ thấp hơn áp suất ở mặt trên.

Chênh lệch áp suất này tạo ra một lực hướng từ trên (áp suất cao) xuống dưới (áp suất thấp)- đó chính là downforce.

-Giải thích bằng định luật Newton

Với một vật thể khí động học có góc tấn như vậy di chuyển trong dòng không khí thì nó sẽ tác động một lực vào các phân tử không khí, đẩy không khí chuyển động hướng lên phía trên.

Theo định luật 3 Newton về lực và phản lực, không khí cũng sẽ tác dụng một lực ngược lại vào vật thể. Đây chính downforce.

9/ Công thức tính downforce tác dụng lên cánh gió:

D=(1/2)*W*H*F*p*(v^2)

Với:

-D: là downforce

-W: chiều rộng của cánh

-H: chiều cao của cánh

-F: hệ số nâng (phụ thuộc vị trí của cánh, nó nghiêng bao nhiêu so với mặt đường)

-p: mật độ không khí (không khí loãng hay đậm đặc)

-v: tốc độ của vật thể trong dòng không khí

(Tiếp tục cập nhật)

Nguồn: Tổng hợp