Va chạm ở tốc độ gấp đôi nguy hiểm gấp bốn vì năng lượng chuyển động của chiếc xe tăng theo bình phương tốc độ. Gấp đôi tốc độ thì năng lượng gấp bốn, phanh phải làm việc gấp bốn để dừng, và nếu không kịp dừng thì cú va phải hấp thụ lượng năng lượng gấp bốn lần đó.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Nhiều người nghĩ chạy nhanh thêm một chút chỉ rủi ro thêm một chút. Vật lý nói khác, và cái khác ấy nằm trong một phép bình phương nhỏ xíu mà học sinh lớp tám đã gặp. Tập này mình biến phép tính đó thành mét đường và thành lý do người đi đường nên nhớ nó.
Động năng là gì và vì sao nó tăng theo bình phương?
Động năng là năng lượng mà một vật có được nhờ đang chuyển động. Công thức trong sách giáo khoa là một nửa khối lượng nhân với bình phương vận tốc. Khối lượng xuất hiện bình thường, còn vận tốc thì được nhân với chính nó.
Điều đó có nghĩa là: xe nặng gấp đôi thì động năng gấp đôi, nhưng xe chạy nhanh gấp đôi thì động năng gấp bốn. Tốc độ có sức nặng lớn hơn hẳn khối lượng trong chuyện này.
Vì sao lại là bình phương? Hãy nghĩ tới việc đẩy một chiếc xe cho nó đạt tốc độ. Muốn đạt tốc độ gấp đôi, bạn phải đẩy lâu gấp đôi, và trong khoảng thời gian dài hơn đó chiếc xe lại chạy nhanh hơn, nên đi được quãng đường gấp bốn trong lúc bạn đẩy. Năng lượng bạn bỏ vào bằng lực nhân với quãng đường, nên ra gấp bốn.
Khi phanh, chuyện diễn ra ngược lại: toàn bộ động năng ấy phải biến thành nhiệt ở má phanh và lốp xe. Nếu không kịp biến thành nhiệt, nó sẽ biến thành thứ khác: thép bị bẻ cong, kính vỡ và xương gãy.
Quãng phanh dài ra gấp bốn: chuyện của mét đường
Với cùng một chiếc xe, cùng mặt đường và cùng lực phanh, quãng đường cần để dừng tỷ lệ với bình phương tốc độ. Nếu ở một tốc độ nào đó xe của bạn cần mười mét để phanh dừng, thì ở tốc độ gấp đôi nó cần khoảng bốn mươi mét.
Điều này nghe trên giấy thì đơn giản, nhưng nó đi ngược với trực giác. Người lái thường ước lượng quãng phanh theo kiểu cộng thêm: nhanh hơn một chút thì cần thêm một chút đường. Thật ra mỗi nấc tốc độ thêm vào đòi phần đường dài hơn nấc trước.
Đường ướt làm mọi thứ tệ hơn. Ma sát giảm, lực phanh tối đa giảm theo, nên cùng một tốc độ đã cần quãng phanh dài hơn đường khô. Cộng thêm bình phương của tốc độ, khoảng cách an toàn trên đường ướt khi chạy nhanh phải rất rộng.
Đây là lý do những tấm biển khoảng cách an toàn trên đường cao tốc ghi khoảng cách lớn hơn nhiều so với cảm giác của người lái. Con số đó không thừa, nó được tính từ chính phép bình phương này.
Thời gian phản xạ: quãng đường bạn đi trước cả khi đạp phanh
Quãng phanh mới chỉ là một nửa câu chuyện. Trước khi phanh bắt đầu làm việc, bạn phải nhìn thấy nguy hiểm, não phải hiểu đó là nguy hiểm, rồi chân tay mới chuyển sang phanh. Khoảng thời gian đó gọi là thời gian phản xạ, ở người tỉnh táo thường vào cỡ một giây.
Trong một giây đó chiếc xe vẫn chạy nguyên tốc độ. Phần quãng đường này tăng theo tốc độ một cách bình thường: nhanh gấp đôi thì đi xa gấp đôi. Cộng với quãng phanh tăng gấp bốn, tổng quãng đường dừng xe phình ra rất nhanh khi tốc độ tăng.
Thời gian phản xạ còn dài ra khi bạn mệt, buồn ngủ, đã uống rượu bia, hay đang liếc điện thoại. Chỉ nhìn xuống màn hình một hai giây là đã chạy mù vài chục mét ở tốc độ đường trường. Đó là quãng đường bạn đi mà không hề biết phía trước có gì.
Nên trong mọi lời khuyên về tốc độ, có một điều nằm trong tay bạn hoàn toàn: giữ đầu óc tỉnh táo và mắt nhìn đường. Phần còn lại là vật lý, không thương lượng được.
Vì sao khu dân cư và trường học có giới hạn tốc độ thấp?
Người đi bộ, đặc biệt là trẻ em và người già, không có lớp vỏ thép nào bảo vệ. Khi bị xe tông, toàn bộ năng lượng phải được cơ thể họ hấp thụ. Năng lượng đó lại tăng theo bình phương tốc độ của xe.
Thêm vào đó, ở tốc độ thấp người lái thường kịp phanh bớt trước khi chạm, và chính cái phần tốc độ được phanh bớt ấy làm năng lượng va chạm giảm mạnh. Một cú va ở tốc độ đã giảm một nửa chỉ mang một phần tư năng lượng.
Ngõ hẹp, chợ, cổng trường là những nơi người ta bước ra bất ngờ, và quãng nhìn thấy trước rất ngắn. Ở đó, chạy chậm không chỉ giúp dừng kịp mà còn giúp người kia có thêm thời gian để nhìn thấy bạn.
Những biển giới hạn tốc độ thấp ở khu dân cư vì thế không phải để làm khó người lái. Chúng là phép bình phương được viết thành luật.
Một phép tính nhỏ đáng mang theo mỗi lần lên xe
Bạn không cần nhớ công thức. Chỉ cần nhớ một câu: nhanh gấp đôi thì cần đường gấp bốn để dừng, và mang năng lượng gấp bốn khi va.
Câu đó cũng giải thích vì sao vượt tốc độ một chút trong phố đông lại là thứ đáng tiếc nhất. Nó không giúp bạn đến sớm hơn bao nhiêu, vì phố đông thì lúc nào cũng phải dừng ở đèn đỏ, nhưng nó lấy đi của bạn một phần lớn khoảng an toàn.
Còn nếu bạn chở thêm người hay hàng nặng, động năng tăng theo khối lượng, phanh phải làm việc nhiều hơn và má phanh nóng nhanh hơn. Xuống đèo dài với xe chở nặng, dùng số thấp để động cơ hãm bớt, đừng giữ phanh liên tục đến mức má phanh quá nóng và mất tác dụng.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: nếu động năng phải biến thành nhiệt khi phanh, thì những chiếc xe điện có cách nào thu lại một phần năng lượng đó thay vì để nó tan vào không khí?
Câu hỏi thường gặp
Quãng đường dừng xe gồm những phần nào?
Quãng đường dừng xe gồm quãng đường đi trong thời gian phản xạ, trước khi bắt đầu phanh, cộng với quãng phanh. Phần đầu tăng tỷ lệ với tốc độ, phần sau tăng theo bình phương tốc độ.
Xe nặng hơn có phanh dài hơn không?
Xe nặng mang nhiều động năng hơn, nhưng cũng ép lốp xuống đường mạnh hơn nên ma sát lớn hơn. Trên lý thuyết hai điều này gần bù nhau, thực tế xe tải chở nặng vẫn phanh dài hơn vì phanh, lốp và hệ thống treo có giới hạn và má phanh dễ nóng.
Vì sao lái xe sau khi uống rượu bia nguy hiểm dù chạy chậm?
Rượu bia làm thời gian phản xạ dài ra, phán đoán khoảng cách kém đi và dễ buồn ngủ. Ngay cả ở tốc độ thấp, xe vẫn đi thêm nhiều mét trước khi người lái kịp phanh, và đó thường là những mét quyết định.
Động năng có liên quan gì tới mũ bảo hiểm?
Mũ bảo hiểm không làm giảm động năng, nhưng lớp xốp bên trong bị nén khi va chạm, hấp thụ một phần năng lượng và kéo dài thời gian dừng của đầu. Nhờ vậy lực truyền vào hộp sọ nhỏ đi đáng kể.
Phanh tái sinh trên xe điện là gì?
Khi giảm tốc, động cơ điện được chuyển sang chế độ máy phát, biến một phần động năng của xe thành điện để sạc lại pin. Phần năng lượng này lẽ ra bị đốt thành nhiệt ở má phanh.
