Theo lý thuyết thì khi di chuyển, xe ôtô chịu sự tác động của nhiều loại lực như:
+) Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp.
+) Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe.
+) Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn.
+) Lực cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe.
Hiệu quả khí động học của một chiếc xe được xác định bởi hệ số cản gió (Cd) của xe được chia làm 3 sự ảnh hưởng như sau:
1) Lực nâng (Lift force):
Theo lý thuyết của khí động học: khi xe chuyển động, luồng không khí phía trên mui xe phải di chuyển một quãng đường dài hơn so với luồn không khí phía dưới gầm xe.
Theo nguyên lý Bernoulli thì phía trước hơn phía sau. Vận tốc khác nhau của các dòng không khí dẫn tới sự chênh lệch, tạo nên lực nâng có phương vuông góc với bề mặt đường. Sẽ làm giảm sức bám đường của xe.
2) Lực cản (Drag force):
Đây là thành phần có phương song song với bề mặt di chuyển. Là lực cản không khí.
Đây được coi là thành phần chính của khí động học bởi khi di chuyển theo phương này sẽ dẫn đến vận tốc tuyệt đối giữa dòng khí và xe là lớn nhất.
3) Lực hông (Side force):
Được sinh ra do các dòng khí tác dụng vào bên hông của xe, thường có lực nhỏ nhất.
Trong, ngành công nghiệp chế tạo và sản xuất xe ôtô đều chú ý đến khí động học.
Đặc biệt đối với xe đua thì Khí động học càng quan trọng vì giúp cho chiếc xe đua phá vỡ các giới hạn về tốc độ thông thường.
Lực cản khí động được xác định theo công thức: Fx=1/2 (A.Cx.r.V 2)
Như vậy, giảm Cx đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của xe ôtô.
Trong giai đoạn trước năm 1930 những chiếc xe ôtô có hệ số cản (trên hình kí hiệu là CW) rất lớn (0,65÷1,0).
Sau đó, vào những năm 1970, hệ số cản giảm xuống gần giá trị 0,4.
Và ngày nay hệ số cản chỉ còn là 0,28÷0,32 và có một số loại xe đã có thể đạt được 0,25÷0,27.
Sau năm 2000, khi những chiếc xe ôtô gần như đã hoàn thiện về dạng khí động học thì việc giảm dù chỉ 0,01 trong Cx ngày càng trở nên khó khăn. Vì vậy, đồ thị mô tả Cx theo thời gian gần như nằm ngang.
Hệ số khí động học thấp nhất là đối với vật thể có dạng hình giọt nước có Hệ số cản gió Cd 0.05. Còn hệ số cản gió lớn nhất (theo lý thuyết) là một mặt cầu kim loại có Cd bằng 1.0. Nhưng nếu tính đến hiệu ứng nhiễu loạn của không khí phía sau đuôi xe thì Cd có giá trị xấp xỉ 1.2.
Những chiếc xe hiện đại thường có hệ số cản Cd vào khoảng 0.30.
Để cải thiện khí động học thì các nhà thiết kế xe ôtô thường áp dụng:
+) Cánh ép gió wing ở đuôi xe: Nhiều hãng xe thể thao và xe đua được trang bị thêm bộ phận cánh gió phía sau đuôi xe. Nhiều người cho rằng nó chỉ để trang trí. Nhưng không ai biết rằng nó là bộ phận giúp giảm đi lực nâng từ phía mặt đường. Giúp chiếc xe có thể hoạt động một cách ổn định.
+) Cánh lướt gió spoiler ở phía trước: Nhiệm vụ của bộ phận này giúp chia cánh gió phía trước và làm biến đổi luồng gió dưới gầm làm giảm bớt lực nâng của xe khi bắt đầu di chuyển.
+) Lỗ thông khí: Nhờ có lỗ thông khí mà luồng không khí tiếp cận với xe sẽ được đi qua 2 bên cạnh của xe. Nó giúp làm cản lực cản của khí động học.
+) Gầm xe trơn: Nhà sản xuất khi thiết kế thường để gầm xe trơn khi chiếc xe có khí động học. Với mục đích là làm giảm bớt các phần lực cản do hệ thống truyền động như vị sai, hộp số,… gây ra. Nó còn giúp tăng vận tốc khí khi đi qua gầm xe. từ đó làm giảm lực nâng.
+) Lốp xe: được thiết kế như một đường hầm để giúp quá trình khí động học di chuyển nhanh hơn. Giúp xe có thể bám đường tốt hơn.
Sự nhầm lẫn giữa cánh gió spoile (lướt gió) và wing (ép gió)
Vào đầu những năm 1960, các kỹ sư của Ferrari đã khám phá ra rằng, bằng cách gắn thêm một tấm cản (wing) vào đuôi phía sau, lực nâng có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí phát sinh lực nén, trong khi lực cản chỉ tăng một lượng rất nhỏ.
Nếu tăng góc độ của cánh ép gió wing thì có thể làm tăng lực nén thậm chí lên đến 100kg.
Cánh ép gió wing có tác dụng tận dụng dòng không khí để tạo lực ép chiếc xe xuống mặt đường. Wing (cánh ép gió) có thiết kế như một cánh máy bay bị đảo ngược, tách khỏi bề mặt của xe giúp không khí lưu thông trên và dưới cánh với tốc độ khác nhau, tạo ra áp suất khác nhau và từ đó sinh ra lực ép xuống cánh gió (downforce). Lực ép này giúp xe bám chặt vào mặt đường, nhưng đồng thời có thể khiến mất đi khoảng 15% tốc độ tối đa.
Wing dùng cho xe thể thao hiệu suất cao, xe đua đặc biệt cần thiết khi vào cua ở tốc độ cao. Lúc này, xe cần phải bám đường để tránh mất cân bằng, gây ra tình trạng văng đuôi (oversteer) hoặc bị đẩy ngang ra ngoài (understeer).
Thông thường lực ép xuống lên tới hàng nghìn kg trên xe F1. Tay đua Romain Grosjean từng tuyên bố chiếc xe của anh nặng 738 kg nhưng tạo ra lực ép lên tới 5.904 kg tại mùa giải Suzuka vào năm 2018.
Ở trên các mẫu xe đường trường, McLaren Senna là mẫu xe có lực xuống cao nhất hiện nay lên tới 800 kg ở tốc độ 225 km/h nhờ vào cánh gió sau cố định cỡ lớn. Vị trí thứ hai là của chiếc Mercedes-AMG Project One với lực ép 675 kg thông qua cánh gió chủ động.
Mục tiêu của xe thể thao là giảm trọng lượng nhiều nhất có thể nên rất cần sử dụng wing để tăng lực bám đường khi vào cua ở tốc độ cao.
Cánh lướt gió spoiler có tác dụng lướt gió, tức là hướng luồng không khí trườn xuống đuôi xe phải đi lên phía trên và đẩy ra xa đuôi xe, tránh nhiễu loạn không khí ở đuôi xe. Vì vậy, spoiler thường gắn dính liền vào đuôi xe, không có khoảng hở, để giảm lực cản (Drag Force) và tăng hiệu quả trong việc dẫn không khí ở lực nâng (Lift Force) và lực hông (Side Force). Spoiler thường có hình dạng nhỏ, gắn trực tiếp mép đuôi xe, cốp hoặc cửa kính phía sau. Nhìn tổng thể, spoiler không tách rời với thân xe. Spoiler chỉ phát huy tác dụng khi xe chạy ở tốc độ cao, vì ở tốc độ thấp lực cản nhỏ, bộ phận này không phát huy tác dụng.
Xe thể thao với thiết kế hình giọt nước là loại xe phù hợp để gắn spoiler. Chi tiết này sẽ không hiệu quả khi gắn trên các xe SUV, có thiết kế hình hộp như Mercedes G-Class, Ford Bronco, Land Rover Defender, vì hệ số cản gió của những xe này rất lớn, hiệu quả khí động học thấp. Chúng không được sinh ra để chạy tốc độ cao.
Cánh lướt gió trước (Front Spoiler hay Air dam), thường gắn ở mép cản trước, với nhiệm vụ kiểm soát động lực liên quan đến không khí phía trước xe. Điều này có thể giảm hệ số cản và lực nâng ở thân xe. Thậm chí trọng tâm chuyển hướng luồng khí vào khoang động cơ nhằm mục đích làm mát hay tản nhiệt phanh trước.
Một số mẫu xe sử dụng cả hai, tạo ra cụm cánh gió.
Nếu như wing đặt cố định ở sau đuôi xe, thì spoiler có thể là bất kỳ phần nào của thân xe với mục đích loại bỏ luồng không khí không mong muốn.
Các vùng không khí xoáy trên vỏ xe ôtô
Khi xe ôtô chuyển động trong môi trường không khí, sự tương tác giữa không khí bên ngoài môi trường với cấu trúc của vỏ xe tạo thành những vùng không khí xoáy có áp suất thấp.
Vùng không khí xoáy lớn nhất là ở đuôi xe, thì có rất nhiều vùng không khí xoáy nhỏ trên nắp vỏ xe sẽ tạo ra lực cản không khí. Lực cản này khiến xe chạy chậm hơn, tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và xe vận hành thiếu cân bằng hơn.
Muốn giảm tối đa các lực không khí động này thì phải tìm cách loại bỏ hoặc giảm kích thước của các vùng không khí xoáy.
Các vùng không khí xoáy hình thành ở những nơi vỏ xe bị gấp khúc, tạo nên sự đổi hướng đột ngột của dòng chảy không khí
Vùng thứ nhất trên hình là phần mũi xe với dòng không khí xoáy ngay trên nắp đậy khoang động cơ (capo), đồng thời dòng không khí đi qua két làm mát cũng sinh ra lực cản nhất định.
Các vùng xoáy khác như khu vực chân kính chắn gió, góc chữ A, bánh xe,...
Vùng không khí xoáy ở đuôi xe phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu và kích thước của phần đuôi xe ôtô. Nếu thiết kế đuôi xe thuôn dài về phía sau thì sẽ giảm được kích thước vùng xoáy này, nghĩa là giảm đáng kể lực cản không khí tác động.
