Giải thích: Cánh dầm trên xe F1 là gì?

Cánh dầm là một trong những triển khai quan trọng trong quy tắc của F1 vào năm 2022. Đây là một thiết bị khí động học để giải quyết vấn đề không khí bẩn, nhưng chính xác thì cánh dầm trên xe F1 là gì?

Cánh dầm trên xe F1 là một cánh nhỏ ở phía sau xe, nằm dưới cánh chính phía sau khi chúng được thiết kế để đẩy ‘không khí bẩn’ lên xe phía sau. Và cánh dầm được thiết kế nhằm giảm thiểu tác động của không khí bẩn đối với xe phía sau, giúp những chiếc xe dễ bám đuổi nhau và có nhiều tình huống vượt xe hơn trong suốt cuộc đua.

Ngoài ra, cánh dầm cũng rất quan trọng đối với lượng downforce phía sau xe và cho phép bộ khuếch tán thực hiện đúng chức năng của nó. Dưới đây là phần thảo luận chi tiết hơn về cánh dầm và tại sao nó lại quan trọng đến vậy.

1. Cánh dầm có tác dụng gì ở F1?

Cánh dầm trên xe F1 được thiết kế để giúp xe tạo ra nhiều downforce hơn, đồng thời làm chệch hướng luồng không khí bẩn tác dụng lên xe phía sau. Cánh dầm nằm bên dưới cánh gió chính phía sau, ở hai bên ống xả, và hoạt động gần giống như một phần mở rộng của bộ khuếch tán.

Điều này có nghĩa là cánh dầm trên xe F1 hiện đại không có vai trò dẫn không khí từ chính ống xả hoặc lên cánh sau để tăng cường lượng downforce. Nhưng nó làm chệch hướng rất nhiều không khí bẩn khi thoát ra khỏi xe và nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra downforce.

Không khí chảy qua cánh dầm sẽ tạo ra một số lượng downforce, nhưng chức năng chính của downforce hoạt động như một phần mở rộng của bộ khuếch tán ở phía sau xe. Cánh dầm tạo ra một vùng áp suất thấp ở phía trên bộ khuếch tán, giúp ‘hút’ nhiều không khí hơn dưới gầm xe, làm tăng downforce thông qua hiệu ứng mặt đất và giúp bộ khuếch tán hoạt động hiệu quả hơn.

2. Làm chệch hướng luồng không khí bẩn

Dòng không khí chảy từ cánh trước và qua các hốc lấy gió làm mát thân xe đến cánh dầm, sau đó cũng sẽ bị lệch hướng lên là vượt qua những chiếc xe phía sau.

Tuy nhiên, đây không phải là một giải pháp hoàn hảo, vì xe không những vẫn thải ra một ít khí thải (về cơ bản là không khí bẩn không theo dòng trực tiếp ra ngoài xe mà thay vào đó phần lớn thải ra hai bên), mà còn không khí bẩn bay ra phía sau không chỉ bay lên trời với tốc độ rất nhanh và không bao giờ quay trở lại.

Màng xoáy ở phía sau xe (tương tự vết sóng để lại của một chiếc thuyền khi di chuyển trong nước) có hình dạng như hình giọt nước. Điều này có nghĩa là một phần không khí bẩn thoát ra từ cánh dầm sẽ tác động lên xe phía sau.

Tuy nhiên, cánh dầm làm giảm lượng không khí bẩn, giảm cản trở cho các bộ phận tạo downforce của xe, từ đó giúp việc bám đuổi nhau dễ dàng hơn và mang lại nhiều cơ hội vượt hơn.

3. Cánh dầm hỗ trợ downforce như thế nào

Cánh dầm là một thiết bị khí động học rất quan trọng. Cùng với việc hướng một phần không khí bẩn lên xe phía sau, nó còn khiến toàn bộ phần sau xe hoạt động một cách đồng bộ. Giống như một cánh gió “bình thường”, cánh dầm tạo ra áp suất cao ở phía trên và áp suất thấp ở phía dưới.

Khu vực áp suất thấp nằm phía trên, nơi bộ khuếch tán đưa không khí có áp suất thấp từ gầm xe về áp suất cao hơn bằng cách giãn nở. Vì không khí có áp suất cao luôn hướng về phía vùng có áp suất thấp nên điều này làm cho góc tấn công của bộ khuếch tán tăng lên, khiến luồng khí tăng tốc và hướng lên trên nhiều hơn.

Cả hai hiệu ứng này đều khiến bộ khuếch tán “hút” nhiều không khí hơn dưới sàn và “tác động sàn mạnh hơn”.

4. Cánh dầm được sử dụng lần đầu tiên ở F1 khi nào?

Cánh dầm với chức năng hiện tại được phát triển lần đầu tiên ở mùa giải F1 năm 1985 bởi kỹ sư Rory Byrne trên chiếc Toleman TG185. Mục đích của nó là lấy lại phần downforce đã bị mất do lệnh cấm sử dụng cánh kép phía sau. Khi đó ý tưởng cánh dầm không thu hút được sự chú ý từ các đội còn lại.

Tuy nhiên, sau khi những chiếc xe với hiệu ứng mặt đất bị cấm, và khi những thành viên tham gia F1 bắt đầu hiểu rõ hơn về cách tối đa hóa lượng downforce bằng cách sử dụng sàn phẳng và bộ khuếch tán, nhiều đội bắt đầu triển khai thiết kế cánh dầm vào xe của họ để giúp tạo ra downforce phía sau. Việc này giúp xe chạy nhanh hơn tại các góc cua.

Vào năm 2014, cánh dầm đã bị cấm tại F1. Quyết định này được ban hành nhằm giảm downforce phía sau lên xe và cải thiện quá trình đua. Thay vào đó, các đội có thể sử dụng hai dầm dọc để hỗ trợ cánh sau của họ, vì những bộ phận này sẽ không có bất kỳ lợi ích nào đối với lượng downforce phía sau do xe tạo ra.

Sau đó cánh chữ T lần đầu được xuất hiện vào năm 2017, nhưng cánh này khác hơn so với cánh dầm.

Vì vậy, cánh dầm ban đầu được sử dụng chủ yếu để tạo downforce, nhưng với cấu trúc hiện đại hơn, không khí bẩn là cụm từ chính bạn sẽ nghe liên quan đến nó. Hãy cùng khám phá về không khí bẩn chi tiết hơn để hiểu lý do tại sao cánh dầm được quay trở lại vào năm 2022.

5. Cánh Beam giúp xử lý không khí bẩn như thế nào

Không khí bẩn ở F1 là không khí hỗn loạn thoát ra khỏi thân xe và các thiết bị khí động học trên xe F1. Để tạo ra downforce lớn, các cánh gió và các bộ phận khác nhau của thân xe trên xe tương tác và làm gián đoạn luồng không khí, tạo ra không khí hỗn loạn, áp suất thấp phía sau xe, còn gọi là không khí bẩn.

5.1. Bernoulli & Venturi

Để hiểu không khí bẩn nghĩa là gì, bạn cần hiểu downforce được tạo ra như thế nào. Để làm được điều đó, chúng ta cần thảo luận về phương trình Bernoulli và hiệu ứng Venturi.

Nói một cách đơn giản, phương trình Bernoulli (được đặt theo tên của Daniel Bernoulli) cho rằng dọc theo một dòng chảy với tốc độ ngày càng tăng thì áp suất tĩnh sẽ giảm. Vì vậy, luồng không khí càng nhanh thì áp suất càng giảm.

Điều này đã được chứng minh vào năm 1797 bởi Giovanni Battista Venturi. Ông sử dụng một đường ống một đầu bị làm hẹp và một đầu rộng hơn, ông nhận thấy vận tốc dòng chảy của chất lỏng đi qua đường ống tỷ lệ nghịch với tiết diện thay đổi của đường ống. Nói cách khác, thu hẹp đường ống sẽ làm tăng tốc độ lưu chất đi qua nó.

Venturi cũng có thể chứng minh bằng thực nghiệm rằng áp suất tĩnh tại các phần hẹp hơn thì thấp hơn so với các phần rộng hơn. Do đó, ông đã chứng minh thỏa được phương trình Bernoulli rằng áp suất giảm khi tốc độ của chất lỏng tăng.

Đồng thời, ông đã chứng minh cái mà ngày nay được gọi là hiệu ứng Venturi và hiện tượng chênh áp Venturi (vòi phun Venturi), hiện tại vẫn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.

Cuối cùng là phương trình liên tục. Về cơ bản, phương trình liên tục cho chúng ta biết rằng cùng một lượng chất lỏng (xem không khí là chất lỏng) chảy vào tiết diện hội tụ (tới chỗ thắt lại) và chảy ra ở phía bên kia. Để làm được điều này, nó phải di chuyển nhanh hơn.

Nhưng điều này có liên quan gì đến một chiếc xe F1?

6. Áp dụng vào F1

Nếu bạn nhìn vào phần dưới của một chiếc xe F1, nó thực sự có hình dạng giống như một loại “vòi phun Venturi”. Không khí đi vào một chỗ co thắt, làm tăng tốc và giảm áp suất của nó. Ở phía sau xe, nơi bộ khuếch tán mở rộng sàn xe một cách hiệu quả, không khí sẽ thoát ra ngoài.

Một vùng áp suất thấp được tạo ra dưới gầm xe, trong khi áp suất phía trên xe vẫn cao hơn. Điều này tương tự như cách hoạt động của cốc hút (giác hút chân không). Khi bạn ấn giác hút xuống một bề mặt, bạn sẽ tạo ra một vùng áp suất thấp bên dưới nó và áp suất khí quyển xung quanh nó cao hơn, “đẩy” cốc hút vào bề mặt.

Nhưng xe F1 không chỉ tạo ra downforce thông qua sàn xe của chúng. Nếu bạn nhìn vào cánh gió trên xe, bạn sẽ nhận thấy rằng mặt dưới dài hơn mặt trên do hình dạng của nó.

Theo phương trình liên tục, không khí ở phía dưới phải di chuyển nhanh hơn nên áp suất không khí ở phía dưới thấp hơn trong khi áp suất không khí ở phía trên cao hơn. Sự chênh lệch áp suất này giúp xe bám xuống đất – đó là cái mà chúng ta gọi là downforce.

Nhưng làm thế nào điều này tạo ra không khí bẩn? Và cánh dầm giúp ích gì cho việc này?

7. Không khí bẩn được tạo ra như thế nào?

Thông qua những tương tác này và việc tạo ra sự chênh lệch áp suất, các bộ phận khác nhau trên xe F1 (như sàn xe và cánh gió) tương tác và làm gián đoạn luồng không khí.

Khi không khí di chuyển qua một thiết bị khí động học, nó sẽ mất năng lượng và chuyển động chậm lại. Dòng chảy vận tốc thấp này dẫn đến sự hình thành sự nhiễu loạn và khi luồng không khí di chuyển về phía sau xe, nó đã biến thành một khối không khí nóng và hỗn loạn không ổn định.

Luồng không khí hỗn loạn, ít năng lượng phía sau xe F1 không tạo ra downforce tốt như luồng không khí “sạch”. Để tạo ra lượng downforce tối đa, một chiếc xe F1 cần dòng không khí sạch sẽ lưu thông khắp xe và theo một hướng. Dòng không khí hỗn loạn lại làm giảm hiệu quả của các bộ phận tạo ra downforce trên xe F1 khi tiếp xúc với luồng không khí bẩn của xe khác.

8. Tại sao không khí bẩn lại có hại cho xe F1?

Không khí bẩn thoát ra từ xe F1 có thể ảnh hưởng đến xe chạy phía sau tới 3 hoặc 4 giây. Khi xe phía sau nằm trong phạm vi này, chúng bắt đầu mất downforce và độ bám đường, khiến chúng chạy chậm hơn xe phía trước. Tay đua rõ ràng cần phải nhanh hơn xe phía trước để có thể vượt, không khí bẩn sẽ cản trở khả năng thực hiện điều đó.

Vì vậy, mục tiêu của cánh dầm là hướng phần lớn không khí bẩn mà xe tạo ra, chủ yếu thông qua các cánh và các bộ phận tạo downforce trên thân xe khác lên và qua phía sau xe, lý tưởng nhất là để luồng này chảy qua chiếc xe phía sau.

Tất nhiên là nó có giới hạn và nó không ảnh hưởng đến không khí thoát ra từ ống xả hoặc sang hai bên xe, nhưng nó chắc chắn vẫn giúp giảm lượng không khí bẩn ngay phía sau xe.

9. Làm mát xe trong không khí bẩn

Một tác dụng phụ khác của không khí bẩn là xe sẽ gặp khó trong việc giữ nhiệt độ ở mức thấp. Xe F1 được chế tạo cẩn thận để hút luồng không khí tới nhằm làm mát phanh và động cơ. Nhưng với không khí nóng và hỗn loạn thoát ra từ xe phía trước, xe phía sau có thể gặp khó khăn để có đủ không khí mát vào hốc lấy gió làm mát thân xe và các khe hút gió khác, gây ra vấn đề quá nhiệt.

Cánh dầm có thể giúp giảm không khí bẩn thoát ra từ phía sau xe, nhưng vì nằm ở hai bên ống xả nên không ảnh hưởng đến khí nóng thoát ra khỏi đó. Vì vậy, đây không phải là một giải pháp hoàn hảo nhưng là một bước đi đúng hướng để những chiếc xe có thể tiếp xúc gần nhau hơn.

10. Lời Kết

Cánh dầm trên xe F1 giúp xe tạo ra nhiều downforce hơn, nhưng nó cũng làm chệch hướng không khí bẩn do thân xe tạo ra lên phía trên xe phía sau. Điều này làm giảm lượng khí bẩn mà xe phải chịu tác dụng, giúp các xe bám sát nhau tốt hơn.