Vẻ ngoài của con người thay đổi theo từng năm tháng, ngày càng phù hợp hơn với đời sống hiện đại. Ô tô cũng thế, những thiết kế khi xưa theo hướng cơ bắp, vuông vức đã được hay bằng những thiết kế mềm mại, uốn lượn, đầy tính thực tế. Sự thay đổi này đã mở ra một kỷ nguyên vàng với việc ứng dụng khí động học để tiết kiệm nhiên liệu, tăng tốc độ của xe. Vậy việc thiết kế khí động học trên ô tô xuất phát từ đâu?
Ngày nay, ai cũng biết xe có chỉ số cản gió càng nhỏ thì càng tiết kiệm nhiên liệu, càng vận hành trơn tru và êm. Tuy nhiên, trong thời kỳ sơ khai của ngành công nghiệp ôtô, kiểu dáng khí động học chỉ đóng vai trò thứ yếu so với những vấn đề kỹ thuật, kinh tế.
Eduard Rumpler
Người đầu tiên khởi xướng mô hình khí động học trên xe hơi là nhà thiết kế nổi tiếng Eduard Rumpler, cha đẻ của ngành hàng không Đức.
Những kinh nghiệm quý báu thu lượm từ ngành công nghiệp ôtô trong chiến tranh thế giới lần I giúp ông thuyết phục được toàn bộ giới công nghiệp ôtô tin vào những ưu điểm vượt bậc của khí động lực học. Năm 1921, chiếc xe đầu tiên do ông thiết kế mang hình giọt nước đang rơi đã làm toàn bộ triển lãm ôtô năm 1921 sửng sốt do hệ số cản gió của nó chỉ là 0,27 trong khi hệ số cản gió trung bình của các loại xe tới tận năm 1984 vẫn ở mức 0,4. Nhưng thật không may, những khó khăn trong việc phát triển động cơ đã khiến dự án không bao giờ trở thành hiện thực.
Paul Jaray
Một năm sau khi chiếc xe của Rumpler trình làng, Paul Jaray nhận được bằng sáng chế cho phát minh “xe của tương lai” lúc mới tròn 33 tuổi. Kỹ sư trẻ người Hungary đã bỏ phần lớn thời gian và sức lực cho công việc nghiên cứu sức cản không khí, tính toán các thành phần khí động lực học để thiết kế nên chassis của chiếc xe mà ông tin nó sẽ là hình mẫu thiết kế trong tương lai.
Sự khác biệt lớn nhất trong bản vẽ của Jaray là phần đầu và phần đuôi xe. Bỏ qua thiết kế lưới tản nhiệt kiểu “cửa lò” trên những chiếc xe đương đại, Jaray uốn cong phần đầu xe, giúp nó tiếp nhận dòng khí chuyển động ngược chiều một cách êm ái và ít gây lực cản hơn.
Đứng trên quan điểm vật lý, Jaray cho rằng kiểu thiết kế phần đuôi vuông vức như những chiếc xe ngựa hoàn toàn “phản khoa học”.
- Khi chiếc xe di chuyển, phần đuôi hình vuông sẽ tạo nên một vùng chân không do hình thành dòng không khí chuyển động hỗn loạn và xoáy.
- Áp suất lớn phía đầu, cộng với áp suất chân không phía đuôi xe sẽ tăng cường đáng kể lực cản không khí, làm chiếc xe phải sinh nhiều công hơn.
Để khắc phục trở ngại đó, Paul Jaray “túm” phần đuôi lại bằng những nét vuốt thon theo quỹ đạo chuyển động, khiến dòng khí tuần tự thoát ra phía sau xe mà không hình thành bất cứ điểm xoáy cục bộ nào.
Chỉ số cản gió là đại lượng dùng để đánh giá mức độ cản trở hình học của dòng khí tới động tử chuyển động trong đó. Chỉ số cản gió là hằng số không đơn vị và không phụ thuộc vào tốc độ của vật, nó chỉ phụ thuộc vào hình dạng của chúng mà thôi.
Ngành công nghiệp ôtô bỏ rơi bản phát minh của Paul Jaray suốt 10 năm sau đó, và nó sẽ mãi bị lãng quên nếu không có một sự kiện chưa từng xuất hiện trong tư tưởng của các kỹ sư ôtô.
Những năm 1930-1940, đua ôtô bỗng nhiên trở thành “mốt”, là trào lưu và là thứ để khoe tài của các ông lớn sống sót sau đại khủng hoảng kinh tế thế giới năm 1929. Chịu sức ép thành tích từ phía các ông chủ nên các kỹ sư, vốn chỉ quen với những khái niệm kỹ thuật, cố gắng sản xuất những chiếc xe càng khoẻ càng tốt. Tuy nhiên, tại đường đua Le Mans năm 1937, chiếc Adler Trumpf Rennsport Coupe dung tích 1,7 lít đã gây sốc với hai chiến thắng trước những động cơ 2 lít.
- Bí quyết được Alder công bố: Trumpf Rennsport Coupe mang tính công nghệ và khí động học rất cao. Thân xe được sản xuất nhờ sự cộng tác với nhà khí động học nổi tiếng B.R.von Koenig-Fachsenfeld.
Tatra là nhà sản xuất đầu tiên mô phỏng theo bản thiết kế của Jaray với hai mẫu Tatra Dynamic và Tatra 77 năm 1934, đặc biệt mẫu 1938 có chỉ số gió 0,212. Nhưng thời kỳ đó, vận tốc của xe không đủ cao, và do quá chú tâm đến đặc tính khí động học mà Tatra 77 mất đi vẻ đẹp vốn có của một chiếc xe hơi, sự thất bại của mẫu xe này là hoàn toàn dễ hiểu.
Thành công của Alder bên nước Đức và sự xuất hiện của mẫu Chrysler Airflow năm 1934 là những minh chứng đầu tiên cho sự đúng đắn của Paul Jaray. Các nhà sản xuất bắt đầu quan tâm đến vai trò của khí động học, nhưng tất cả mới dừng lại ở đường đua và người ta phải thừa nhận những thiết kế của Paul Jaray chưa được công chúng chấp nhận.
Đến cuối những năm 1930, bước ngoặt trong số phận bản thiết kế của Jaray mới được tìm thấy.
Volkswagen cùng bước ngoặt của thế chiến thứ 2
Bắt đầu từ nước Đức năm 1932 khi Adolf Hitler và đảng Quốc xã của ông ta giành chiến thắng. Một trong số những tham vọng của Hitler là sản xuất một mẫu xe hơi phổ biến như Model T của Ford những năm đầu thế kỷ. Ferdinand Porsche cùng người đồng nghiệp Erwin Komenda lúc đó đang cộng tác với Volkswagen được triệu tập để phác thảo chiếc xe theo ý Hitler. Tuy nhiên, khi nhìn bản thiết kế gốc của Komada, do không thích phần đầu xe và ảnh hưởng từ trào lưu thiết kế khí động học, Hitler đã “tự mãn” sửa cho nó cong hơn. Và, “Con bọ” Beetle nổi tiếng của Volkswagen ra đời và là một trong những mẫu xe thành công nhất từ trước đến nay.
General Motors – Kế thừa phát triển các thiết kế thời trước
Nhờ mẫu “con bọ”, bản thiết kế của Paul Jaray tiến một bước dài từ lý thuyết sang thực tế. Nhưng chiến tranh thế giới lần II đã chấm dứt mọi ý tưởng phát triển khí động học ở châu Âu. Thay thế vào đó là trào lưu thiết kế “ăn theo” của ngành ôtô nước Mỹ trong thời kỳ chiến tranh lạnh.
Mỗi năm một lần, từ 1949 đến 1961, General Motors lại cho trình làng một tác phẩm trong bộ sưu tập mang tên “Dream Cars”, tập hợp tất cả những mẫu concept có hình dáng chân thực nhất của tên lửa, máy bay, phi thuyền và loài cá dưới nước… Các nhà chuyên môn gọi “Dream Cars” là “nỗi ám ảnh khí động học” trong tư duy thiết kế Mỹ.
Nhưng bên cạnh những mẫu concept “kỳ quặc”, 1945-1970 cũng là thời kỳ hoàn tất những đường nét cấu trúc thân xe theo triết lý hiện đại.
Nhà thiết kế Harley J.Earl nổi tiếng của GM là người đầu tiên kết hợp thành công kết cấu khí động học với vẻ đẹp cần có của một chiếc xe. Ông hạ thấp thân xe xuống, biến nó từ “hình lập phương” thành “cục gạch” với hai mục đích: giảm lực cản và tăng vẻ quyến rũ. Những đường cong sắc nhọn phía cụm đèn pha, những gờ nổi chạy dài trên cụm đèn sau, thân xe mảnh mai, uyển chuyển là vóc dáng đặc trưng nhất cho những thế hệ xe hơi “khai sinh” trong giai đoạn này.
