Động lực 101: P5 – Đặc tính nhớt - đàn hồi của cao su lốp
Để hiểu được cơ chế bám đường, ta cần nắm vững các đặc tính của vật liệu đàn hồi, chất lỏng nhớt và đặc biệt là cao su.
Động lực 101: P4 – Hai nghịch lý chuyển động của lốp xe
Khám phá hai nghịch lý của lốp xe: Chuyển động mà lại không chuyển động; trượt mà lại không trượt.
Về cơ bản nếu không có cái gọi là độ bám đường (grip), xe hơi sẽ không thể di chuyển được. Các bánh xe sẽ quay tại chỗ (spin) và người lái sẽ không thể làm gì hơn. Ngay cả trên đường thẳng và ở tốc độ ổn định, grip vẫn là yếu tố bắt buộc.
1. Sự xuất hiện của độ bám đường (grip)
Điều này là bởi vì khi đang chuyển động, xe phải liên tục chịu tác động của các lực tự nhiên, chẳng hạn như độ nghiêng (banking), độ dốc (slope) hoặc sự gồ ghề (unevenness) của mặt đường hay lực cản lăn (rolling resistance) của xe. Những lực này làm xe giảm tốc độ hoặc đẩy xe chệch ra khỏi đường đi.
Tuy nhiên, thường chỉ khi vào cua hoặc phanh thì người lái mới thực sự cảm nhận được độ bám đường của xe. Khi này, xe phải được đánh lái hoặc phải giảm tốc độ mà không bị trượt bánh (ngay cả trên đường ướt). Trong mọi tình huống, grip và sự an toàn luôn đi đôi với nhau.
Là điểm tiếp xúc duy nhất giữa xe và mặt đường, lốp xe có tác dụng đảm bảo hai chức năng cơ bản. Thứ nhất, lốp giúp ổn định hướng di chuyển của xe. Thứ hai, lốp hoạt động như một thành phần truyền động (hiểu nôm na là cánh tay đòn) cho momen phanh (brake torque) và momen kéo (drive torque).
2. Lốp xe là liên kết quan trọng trong hệ thống bám (grip system)
Lốp hơi (pneumatic tyre) dành cho xe hơi được bắt đầu sản xuất từ năm 1895. Chúng nhanh chóng thay thế lốp đặc – loại lốp gây hỏng hóc liên tục lên các bộ phận cơ khí của xe, đồng thời khiến hành khách không hề cảm thấy dễ chịu chút nào.
Tất nhiên, sự thoải mái không phải là cải tiến duy nhất, vì độ bám đường do lốp hơi tạo ra cũng tỏ ra vượt trội hơn hẳn so với lốp đặc. Chúng ta đều biết, một phần động năng (kinetic energy) của xe phải được hấp thụ bởi hệ thống treo, phanh và lốp xe trong quá trình vào cua và phanh. Tại điểm tiếp xúc giữa xe với mặt đường, chỉ có lốp xe là thành phần duy nhất đảm bảo duy trì được vết bánh xe (contact patch) cần thiết.
Grip là một khái niệm phức tạp. Bạn có thể hiểu cơ chế của grip thông qua đặc tính đàn hồi nhớt (visco-elastic) đáng kinh ngạc của vật liệu cao su (làm nên lốp). Nhờ có đặc tính này mà tại vết bánh xe, một loạt các hiện tượng vật lý được tạo ra bởi các phân tử cao su. Mục tiêu của chúng là cố gắng chống lại hiện tượng trượt bánh trên mặt đường. Từ đây, chúng ta nhận thấy hai nghịch lý sau:
3. Không chuyển động mà lại chuyển động
Khi xe đang di chuyển với tốc độ không đổi, vết bánh xe không hề di chuyển so với mặt đường.
Để hiểu được đầy đủ nghịch lý đầu tiên này, cần phải nhớ rằng trước khi bánh xe được phát minh, con người sử dụng xe trượt và kéo các vật (tải) theo bề mặt mặt đất. Trừ khi xe này trượt trên tuyết, băng, hoặc các con lăn gỗ (ít ma sát), có rất nhiều lực cản tác động lên xe khi chuyển động về phía trước. Ma sát ở đây là rất lớn.
Và lốp xe ra đời đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ thực sự:
- Chuyển động của xe kéo không còn bị ảnh hưởng bởi tải trọng của vật (được kéo trực tiếp trên mặt đất), mà chỉ liên quan đến một trục chịu tải (axle);
- Tại mọi thời điểm, điểm tiếp xúc (với mặt đường) trên bánh xe không chuyển động so với mặt đường, vì vận tốc tức thời theo phương ngang bằng 0.
Hai đặc điểm nêu trên đều đúng cho bất kỳ loại bánh xe nào. Tuy nhiên, lốp hơi tỏ ra vượt trội hơn nhiều so với bánh xe bằng gỗ hoặc bằng kim loại do các thành phần cao su có thể bị ép lệch hướng (deflect) và do đó trải bẹt ra (flatten out) trên mặt đường. Với lốp hơi, diện tích tiếp xúc không còn là một đường theo chiều rộng của lốp nữa (như trên lốp cứng). Lúc này, lốp trải ra thành một mảng tiếp xúc với mặt đường, nơi các gai lốp (tread block) được ép xuống và nâng lên liên tục.
Mặc dù chuyển động vi mô (micro-movement) giữa gai lốp và mặt đường liên tục được tạo ra, khu vực tiếp xúc (hay vết bánh xe) lại không hề di chuyển – nó chỉ thay đổi, tức vết sau liên tục thay thế vết trước đó, mà thôi. Chỉ khi xe phanh, tăng tốc hoặc vào cua thì vết bánh xe mới bắt đầu chuyển động tương quan với mặt đường. Chuyển động tương đối này được gọi là trượt (slippage).
4. Trượt (slippage) mà lại không trượt (skidding)
Hiện tượng trượt (slippage) ở vết bánh xe được sinh ra khi xe phanh, tăng tốc hoặc vào cua. Điều nghịch lý ở đây là một chiếc lốp phải bị trượt (slippage) để không bị trượt (skidding).
Hơi khó hình dung đúng không? Vậy chúng ta hãy thử hiểu theo cách này nhé. Việc sản sinh khả năng bám đường liên quan đến việc sản sinh các lực ma sát nhằm chống lại hiện tượng xe bị trượt (skid off) khỏi mặt đường. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chính sự trượt (slippage) là yếu tố tạo ra lực ma sát cho grip. Trên thực tế, có hai hình thức chuyển động tương đối xảy ra tại vết bánh xe (mà chúng ta đều gọi là trượt): chuyển động vi mô, thường được gọi là trượt (slippage), chống lại chuyển động vĩ mô, cũng được gọi là trượt (skidding).
Như vậy, tới đây chúng ta đã hiểu hơn về hai nghịch lý hết sức thú vị của lốp xe. Để bạn đọc tiếp tục nắm rõ bản chất của grip, trong phần tới của chuỗi bài viết Động lực 101, Otoman sẽ phân tích sự khác biệt giữa chuyển động vi mô và vĩ mô nêu trên.
Theo bạn, lốp xe có vai trò như thế nào đối với xe hơi nói chung? Mời bạn đọc để lại ý kiến của mình bên dưới.