Hiện tượng lướt cá heo trong F1 là gì? Và các đội xử lý thế nào?

Đối với những ai chưa từng nghe về hiện tượng lướt cá heo (porpoise) trước đây, nó là thứ chưa từng có trong F1 kể từ kỷ nguyên của hiệu ứng mặt đất (ground effect) cuối cùng vào đầu những năm 1980.

Tuy nhiên, khi xe đua 2022 xuất hiện với sự trở lại “mãnh liệt” của các đường hầm Venturi (Venturi tunnel) dưới sàn xe thì cũng là lúc hiện tượng lướt cá heo một lần nữa lại bùng nổ.

1. Lướt cá heo là gì?

Lướt cá heo là hiện tượng xe bật lên và nhún xuống trong quá trình chạy, giống như cá heo đang lướt trên mặt nước. Hiện tượng này thường xảy ra khi xe ở vào cuối những đoạn đường thẳng dài, và đó là điều mà hầu hết các tay đua đều đã phải chịu đựng tại Barcelona vừa qua.

Lý do lớn nhất giải thích cho hiện tượng lướt cá heo là khi lực downforce tăng lên, chiếc xe bị “hút” xuống quá gần mặt đường đua.

Tại một thời điểm nào đó, khi khoảng cách giữa sàn xe và mặt đường là quá nhỏ (hoặc chạm nhau), sự phân tách dòng chảy không khí sẽ xảy ra. Ngay lập tức, lực downforce bị mất đi, dẫn đến việc khoảng sáng gầm xe (hay chiều cao xe) tăng lên trong giây lát. Ngay sau đó, luồng không khí lại được “gắn” lại, tạo downforce và ép xe xuống.

Quá trình liên tục diễn ra xung quanh điểm giới hạn của lực downforce, và đó là lúc chúng ta quan sát thấy xe đua lướt như những chú cá heo.

2. Khắc phục lướt cá heo như thế nào?

Rõ ràng, dựa trên tính chất này, hiện tượng lướt cá heo có thể bị loại bỏ rất dễ dàng khi xe chạy ở độ cao lớn hơn một chút.

Tuy nhiên, đó không phải là điều mà các đội muốn làm, vì điều này về cơ bản sẽ làm giảm hiệu suất xe. Do đó, các đội hiện đang làm việc cật lực để tìm ra cách quản lý tình huống tốt nhất.

Dường như đã không có đội nào có thể thoát khỏi vấn đề trên, và họ đang phải chịu đựng nó ở các mức độ khác nhau.

3. Lướt cá heo do khí động học

Trên thực tế, từ góc độ khí động học, mỗi đội đua đều đã đưa ra các ý tưởng thiết kế của riêng mình trong phạm vi quy tắc kỹ thuật rất “hẹp hòi” của FIA.

Điều này được nhận thấy rõ rệt nhất ở khu vực hốc lấy gió làm mát (sidepod), bên cạnh các khu vực khác như cánh trước, sàn xe, đường hầm dưới sàn và bộ khuếch tán. Khi kết hợp lại, tất cả đều góp phần gây ảnh hưởng đến mức độ lướt cá heo của xe.

Ví dụ, xe đua tạo ra kết cấu dòng chảy khí động (aerodynamic flow structure) hiệu quả hơn thì sẽ có lợi hơn so với những xe khác. Điều này cho phép đội thiết lập hệ thống treo “mềm” hơn, trong khi vẫn nhận được cùng một kết quả giống như những chiếc xe khác (chạy sát mặt đất hơn).

Như chúng ta đã biết, các quy tắc liên quan đến thiết kế mép sàn và tính linh hoạt của chúng đã trở nên nghiêm ngặt hơn trong năm nay. Do đó, các đội đã tìm cách tối ưu hiệu suất với các hình dạng bề mặt (surface geometry), khe (slot), cuộn (scroll) và cánh con (flap) khác nhau.

4. Lướt cá heo do hệ thống treo

Về cơ bản, câu hỏi hóc búa mà các đội phải đối mặt là một bài toán khí động học. Tuy nhiên, một số dạng hệ thống treo nâng cao cũng có thể giúp giải quyết vấn đề này. Thế nhưng chúng hầu hết đã bị loại bỏ trước mùa giải năm 2022.

Cụ thể, các máy đo quán tính (inerter) và hệ thống thủy lực – giúp kiểm soát khung gầm trước đây – hiện đã bị cấm hoàn toàn. Hệ thống treo bây giờ phải được thiết kế lại theo kiểu cổ điển.

Một yếu tố trên hệ thống treo của xe mà quy tắc này gây ra nhiều khó khăn nhất là chuyển dịch đứng (heave). Đây là khoảng dịch chuyển theo phương thẳng đứng của xe, và cũng là yếu tố mà các đội đã tận dụng nhiều nhất khi sử dụng hệ thống thủy lực trong nhiều năm qua.

Tất nhiên, các đội sẽ vẫn tận dụng các phần tử chuyển dịch đứng (heave element) trong hệ thống treo năm nay. Bằng chứng là hệ thống treo trước của Aston Martin, Haas và Ferrari (ảnh trên). Tuy nhiên, chúng không còn có thể đáp ứng độ nhạy của hệ thống treo theo cách mà các đội đã quen được nữa.

5. Lướt cá heo do lốp mới

Một biến số khác có thể khiến các đội đau đầu hơn những gì họ nghĩ chính là lốp xe.

F1 cuối cùng cũng đã đổi từ bánh xe 13 inch sang bánh 18 inch. Điều này cũng đã yêu cầu nhà sản xuất lốp xe Ý, Pirelli, thiết kế một loại lốp có thành (sidewall) mỏng hơn nhiều. Tất nhiên, các đội đã có hàng thập kỷ kinh nghiệm với dạng lốp có thành “mỏng như bóng bay”. Vì vậy, họ hoàn toàn có thể điều chỉnh hệ thống treo của mình cho phù hợp với lốp mới.

Cuối mùa giải trước, phần lớn các đội đã giúp Pirelli phát triển loại lốp mới thông qua buổi chạy thử xe. Tuy nhiên, cần nhớ rằng những chiếc xe thử nghiệm lúc đó lại không được trang bị hệ thống treo mới cho mùa giải. Vì vậy, những phản hồi của các đội tại thời điểm đó chưa chắc đã chính xác.

Hơn nữa, từ góc độ khí động học, chúng ta cũng cần phải xem xét các đặc tính biến dạng (deformation characteristic) của lốp xe khi chịu tải.

Trong hơn một thập kỷ qua, các đội đã “mài dũa” các công cụ mô phỏng của mình để đối phó với những tác động gây ra bởi một hiện tượng được gọi là gió lốp ngang (tyre squirt). Hiện tượng này được sinh ra khi lốp bị biến dạng mạnh và có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của bộ khuếch tán.

Trước đây, các đội đã sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để kiểm soát hiệu ứng này. Ví dụ, họ trang bị đủ các loại ván (strake), cánh con (flap), khe (slot) và các lỗ kín hoàn toàn trên khu vực mặt sàn phía trước lốp sau. Các chi tiết này giúp đẩy luồng không khí ngang qua lốp ra khỏi bộ khuếch tán, từ đó giảm tác dụng của gió lốp ngang.

Nhiều người cho rằng với lốp 18 inch mới, thành lốp mỏng hơn sẽ ít gây ra hiện tượng gió lốp ngang hơn. Lý do là bởi vì lốp ít bị biến dạng hơn do thành lốp cứng hơn. Tuy nhiên, với việc hệ thống treo bị giảm mức độ chuyển dịch đứng (nêu trên), ảnh hưởng của gió lốp ngang có thể sẽ nặng nề hơn nhiều (do sàn xe bị nén xuống sát mặt đường).

6. Còn nhiều việc phải làm

Điều kỳ lạ là, các bài kiểm tra với trình mô phỏng động lực dòng chảy máy tính (Computational Fluid Dynamics, CFD) và trong đường hầm gió của các đội lại không cho thấy mức độ lướt cá heo nặng như hiện được nhìn thấy trên đường đua.

Điều đó cho thấy rằng các đội vẫn còn nhiều việc phải làm ở cả đường đua và tại nhà máy để đối phó với hiện tượng thú vị này.