Khi vào cua, chiếc xe cần một lực kéo nó về phía tâm khúc cua, nếu không nó sẽ tiếp tục đi thẳng theo quán tính. Lực đó chỉ có thể đến từ ma sát giữa lốp và đường, và người lái nghiêng xe để lực ma sát cùng trọng lượng của xe và người cân bằng nhau. Phải giảm tốc vì chạy nhanh gấp đôi thì cần lực kéo vào tâm gấp bốn lần.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Ai từng chạy đèo Hải Vân, Khau Phạ hay Mã Pì Lèng đều quen cảm giác cơ thể bị hất ra phía ngoài mỗi khúc quanh. Tập này mình gỡ cái cảm giác ấy ra thành từng mảnh, để thấy vì sao vào cua là lúc chiếc xe đòi hỏi ở mặt đường nhiều nhất.
Đi đường cong nghĩa là luôn luôn đổi hướng
Ở tập trước mình nói về quán tính: vật đang chạy thì muốn chạy thẳng. Đi theo một đường cong nghĩa là ở mỗi khoảnh khắc, hướng chạy đều bị bẻ đi một chút. Bẻ hướng cũng là thay đổi chuyển động, nên cũng cần lực.
Lực này luôn chỉ vào phía trong khúc cua, về phía tâm của đường tròn mà chiếc xe đang vẽ, nên người ta gọi nó là lực hướng tâm. Nó không phải một loại lực mới. Với hòn đá buộc dây quay vòng, nó là lực căng dây. Với Mặt Trăng, nó là lực hấp dẫn của Trái Đất. Với xe máy trên đường, nó là ma sát.
Thử tưởng tượng đường đèo phủ một lớp dầu, ma sát gần như bằng không. Bạn đánh lái bao nhiêu chiếc xe cũng không rẽ, nó trượt thẳng ra mép đường.
Vậy khi đi cua, chuyện quyết định không phải bạn đánh lái khéo cỡ nào, mà là mặt đường có chịu nổi lực bạn đòi hỏi hay không.
Lực ly tâm: cảm giác bị hất ra ngoài từ đâu mà có?
Ngồi trên xe vào cua, bạn thấy mình bị hất ra phía ngoài. Nhiều người gọi đó là lực ly tâm. Nhìn từ người đứng bên đường thì chẳng có lực nào hất bạn ra cả. Cơ thể bạn chỉ đang muốn đi thẳng, còn chiếc xe thì đang rẽ.
Giống cú chúi người khi phanh, cảm giác bị hất ra là cảm giác của người ngồi trong một vật đang đổi hướng. Thân bạn đi thẳng, chiếc ghế dưới mông đi cong, và ghế phải kéo bạn theo. Bạn cảm nhận lực kéo đó như thể bị đẩy về phía ngược lại.
Các nhà vật lý vẫn dùng khái niệm lực ly tâm khi tính toán bên trong một hệ đang quay, như máy giặt đang vắt hay đu quay ở công viên. Chỉ cần nhớ rằng thứ thật sự giữ bạn trên quỹ đạo là lực hướng vào trong.
Lồng máy giặt khi vắt minh hoạ rất rõ. Quần áo bị thành lồng ép đi theo vòng tròn, nhưng nước thì lọt qua các lỗ, không có gì giữ nó, nên bay thẳng ra theo quán tính. Quần áo khô đi chính vì nước được phép đi thẳng.
Vì sao phải nghiêng xe khi vào cua?
Xe máy chỉ chạm đất ở hai điểm nhỏ dưới lốp. Khi rẽ, mặt đường đẩy ngang vào lốp về phía trong cua. Nếu người lái giữ xe thẳng đứng, lực ngang đó tác động ở dưới thấp, còn trọng tâm của xe và người ở trên cao, và cả khối sẽ bị lật ra phía ngoài.
Nghiêng xe vào trong là cách đưa trọng tâm vào phía trong cua, sao cho trọng lượng kéo xe đổ vào trong vừa đủ chống lại xu hướng bị lật ra ngoài.
Góc nghiêng cần thiết phụ thuộc vào tốc độ và độ gắt của khúc cua. Chạy càng nhanh, cua càng gắt, thì càng phải nghiêng nhiều. Đường đua mô tô hay đường đua xe đạp lòng chảo được làm nghiêng ở các khúc cua cũng vì lý do này: mặt đường nghiêng đỡ bớt phần việc cho ma sát.
Nhưng nghiêng có giới hạn. Nghiêng quá thì gác chân, ống xả hay sườn xe cạ xuống đường. Và mỗi độ nghiêng thêm là đòi thêm ma sát. Khi ma sát không đủ, bánh xe trượt ra và xe đổ.
Bình phương tốc độ: con số làm khúc cua trở nên nguy hiểm
Lực hướng tâm cần thiết tỷ lệ với bình phương tốc độ. Chạy nhanh gấp đôi thì không cần gấp đôi lực, mà cần gấp bốn. Nhanh gấp ba thì cần gấp chín. Đó là lý do cảm giác an toàn ở tốc độ vừa phải có thể biến mất rất đột ngột khi chỉ nhích ga thêm một chút.
Lực này lại tỷ lệ nghịch với bán kính khúc cua. Cua càng gắt, bán kính càng nhỏ, lực đòi hỏi càng lớn. Những khúc cua tay áo trên đèo có bán kính rất nhỏ, nên ngay ở tốc độ trung bình cũng đã đòi ma sát nhiều.
Cộng hai điều lại, bạn thấy rủi ro lớn nhất là vào một khúc cua khuất với tốc độ của đoạn đường thẳng. Đến lúc nhận ra cua gắt hơn mình nghĩ thì đã ở giữa cua, vừa phải nghiêng nhiều hơn vừa muốn phanh. Như mình nói ở tập ma sát, đòi cả hai cùng lúc rất dễ vượt ngưỡng.
Nên người chạy đèo có kinh nghiệm luôn giảm tốc trên đoạn thẳng trước khi vào cua, giữ ga đều trong cua, và chỉ tăng ga khi đã thấy lối ra.
Mấy thói quen vào cua an toàn rút ra từ vật lý
Thứ nhất, phanh xong trước khi vào cua. Trong cua, ma sát đã bận giữ xe trên đường cong, phần dành cho phanh còn rất ít.
Thứ hai, nhìn xa về phía lối ra của khúc cua, không nhìn chằm chằm xuống mép đường. Mắt nhìn đâu, tay lái thường đi theo đó. Ở khúc cua khuất, giữ xe sát phần đường của mình, vì xe ngược chiều cũng đang chịu đúng những lực bạn đang chịu và có thể bị văng ra giữa đường.
Thứ ba, chú ý mặt đường trong cua. Cát, sỏi, lá ướt và dầu loang hay tụ ở các khúc cua vì xe tải hay làm rơi hàng ở đó. Một vệt cát nhỏ cũng đủ làm bánh xe đang nghiêng mất bám.
Lần tới chạy qua một khúc quanh, bạn thử cảm nhận lực kéo của tay lái và yên xe, và tự hỏi: Mặt Trăng đi vòng quanh Trái Đất suốt hàng tỷ năm mà không có mặt đường nào cho nó bám, vậy thứ gì đang kéo nó vào trong?
Câu hỏi thường gặp
Lực hướng tâm và lực ly tâm khác nhau thế nào?
Lực hướng tâm là lực thật, hướng vào tâm đường cong, giữ vật đi theo đường cong. Lực ly tâm là cách mô tả cảm giác bị đẩy ra ngoài của người đang ở trong vật đang quay, tiện để tính toán nhưng không phải lực do một vật khác tác động.
Ô tô không nghiêng được thì vào cua thế nào?
Ô tô có bốn bánh và đế rộng nên không cần nghiêng mà vẫn đứng vững. Ma sát ở bốn lốp kéo xe vào trong cua, còn thân xe hơi ngả ra ngoài trên hệ giảm xóc. Xe cao, trọng tâm cao thì dễ lật hơn nếu vào cua quá nhanh.
Vì sao xe đạp dễ đổ khi đi chậm mà khó đổ khi đi nhanh?
Khi xe đang chạy, người lái liên tục lái nhẹ về phía xe sắp đổ để đưa bánh xe về dưới trọng tâm. Đi nhanh thì mỗi lần chỉnh lái tạo hiệu quả lớn hơn nên xe dễ giữ thăng bằng; đi quá chậm thì việc chỉnh lái gần như không có tác dụng.
Vì sao đường cao tốc làm khúc cua rộng và thoải?
Bán kính khúc cua càng lớn thì lực hướng tâm cần thiết ở cùng một tốc độ càng nhỏ. Cua rộng cho phép xe giữ tốc độ cao mà không đòi quá nhiều ma sát, và mặt đường thường được làm hơi nghiêng vào trong để hỗ trợ thêm.
Người ngồi sau xe máy nên làm gì khi xe vào cua?
Ngồi thẳng theo thân xe, nghiêng cùng người lái và không cố ngả ngược ra ngoài. Ngả ngược làm trọng tâm dịch ra ngoài, người lái phải nghiêng xe nhiều hơn để bù, và ma sát cần thiết tăng lên.
