Xe Hơi và Lực Cản Lăn

[khoadongluc]

Dù đứng yên hay chuyển động, giữa vỏ xe và mặt đường luôn tồn tại lực ma sát khiến cho chuyển động của xe trở nên khó khăn hơn. Các nhà chế tạo luôn tìm mọi phương cách để giảm bớt ảnh hưởng của lực này trong việc thiết kế xe và máy để tăng công suất, giảm mức tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu mài mòn các chi tiết máy... Tuy nhiên nếu không có ma sát cuộc sống của chúng ta cũng sẽ gặp rắc rối hơn nhiều, cụ thể là không biết làm sao để bắt chiếc xe mà mình đang lái phải ngừng lại đúng lúc !!!

• Khi bánh xe bắt đầu quay, lực ma sát tĩnh (static friction) do phản lực N (Newton) kết hợp với độ nhấp nhô bề mặt của vỏ xe và mặt đường tạo nên điểm tựa để xe có thể lăn bánh. Lực này có trị số cực đại là μ[SUB]s[/SUB]N, trong đó μ[SUB]s[/SUB] là hệ số ma sát tĩnh (coefficient of static friction).
  
  Tăng tốc đột ngột lúc xe đang đứng yên, nếu lực khởi động tiếp tuyến với bánh xe ở vị trí tiếp xúc với mặt đường hay phản lực f[SUB]s[/SUB] ( có chiều ngược lại) đạt trị số f[SUB] s[/SUB] (Newton) > μ[SUB]s[/SUB]N sẽ tạo nên hiện tượng ‘trượt bánh xe’.
  
  
  

  
  
  

  

  
  
  ​
• Khi xe chuyển động đều, lực ma sát lăn (rolling friction) xuất hiện tạo nên lực cản lăn có trị số f[SUB]r[/SUB] (Newton) = μ[SUB]r[/SUB]N. Trong đó μ[SUB]r[/SUB] là hệ số ma sát lăn (coefficient of rolling friction) hay hệ số cản lăn (coefficient of rolling resistance).
  
  
  

  
  
  ​

Tích số giữa lực này f[SUB]r[/SUB] và bán kính R của bánh xe tạo thành moment (torque) cản ngược chiều chuyển động của bánh xe khiến cho:

• - Tăng mức tiêu thụ nhiên liệu.
  
  - Vỏ xe nóng lên và phát ra tiếng ồn ở tốc độ cao.
  
  Lực cản lăn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như:
  
  - Khối lượng vỏ xe.
  
  - Vật liệu làm vỏ xe.
  
  - Áp suất vỏ xe.
  
  - Tốc độ chuyển động.
  
  - Nhiệt độ của vỏ xe và môi trường.
  
  - Moment của bánh xe.
  
  - Độ nhám mặt đường.
  
  - Các góc nghiêng (camber, caster và toe) của bánh xe.

Vật liệu và dạng thiết kế gai (tire thread) của vỏ xe giúp gia tăng độ bám đường (traction). Khác với ma sát lăn, tính chất này không những không ngăn cản chuyển động mà còn giúp làm giảm hiện tượng trượt của vỏ xe trên mặt đường.

• 

  
  
  ​
• Khi các bánh xe bị kềm lại sau khi thắng, xe trượt chậm dần đến khi dừng hẳn lại dưới tác dụng của lực ma sát đông (kinetic friction) có trị số f[SUB]k[/SUB](Newton) = μ[SUB]k[/SUB]N, trong đó μ[SUB]k[/SUB] là hệ số ma sát động (coefficient of kinetic friction). Hệ số ma sát động thường nhỏ hơn hệ số ma sát tĩnh vì một khi vật thể đã chuyển động được sẽ tiếp tục chuyển động dễ hơn khi còn đứng yên.

Trong thực tế, cả bánh xe và mặt đường đều biến dạng (deformation) do đặc tính đàn hồi (elastic property) của vật liệu sử dụng. Ở vị trí tiếp xúc với mặt đường vỏ xe có dạng hơi phẳng trong khi mặt đường lại có dạng hơi lõm (trench). Trọng lực thẳng góc với mặt đường trong trường hợp này sẽ phân phối không đều trên bề mặt tiếp xúc đó. Phần vỏ xe ở tiếp điểm phía trước theo chiều quay bị nén lại và có phản lực khá lớn trong khi phần vỏ xe ở tiếp điểm phía sau lại dãn ra và có phản lực nhỏ hơn khi bánh xe lăn trên mặt đường.

• 

  
  
  

  

  
  
  

  

  
  
  

  

  
  
  ​

Phản lực ở tiếp điểm phía trước (leading resultant force) hợp với khoảng cách L tạo nên một moment xoay quanh tâm bánh xe và ngược với chiều quay ω của bánh xe làm gia tăng trị số của lực cản lăn. Trong khi đó, phản lực ở tiếp điểm phía sau (trailing resultant force) lại tạo nên một moment khác cùng chiều với ω nhưng lại có trị số không đáng kể.

Tóm lại, trong lúc chuyển động xe chịu ba nguồn lực cản chủ yếu là lực cản không khí (AR), lực cản do ma sát từ các bộ phận của động cơ (FR) và lực cản lăn (RR) theo những tỉ lệ khác nhau.

• 

  
  
  ​
• Trong tổng số lực cản của xe, lực cản lăn chiếm đến 20 % cho xe du lịch và 40 % cho xe tải, ảnh hưởng đến mức tiêu thụ nhiên liệu và chi phí sử dụng xe. Việc làm đơn giản nhưng có nhiều hiệu quả để đối phó với vấn đề này là thường xuyên kiểm tra áp suất của các bánh xe (35 psi) với một dụng cụ rẻ tiền có thể mua được ở bất kỳ một tiệm bán phụ tùng nào.
  
  
  

  
  

  

  
  Tire pressure gauge
  
  ​
• Theo nghiên cứu của CEC (California Energy Commission) năm 2003, từ 5 % đến 15 % tổng số lượng nhiên liệu mà xe tiêu thụ chỉ được dùng để khắc phục lực cản lăn.
• Loại vỏ xe có lực cản lăn thấp (low rolling resistance) như loại ‘radial’ có lực cản lăn 25 % nhỏ hơn loại ‘bias ply’ giúp cho mức nhiên liệu tiêu thụ giảm thêm được từ 1.5 % đến 4.5 % so với bình thường.
  
  
  

  
  
  ​

Chúc các bạn may mắn !!!
Nguồn bài viết : hungnguyen ( 72CKO - dhspkt thủ Đức)