Bánh đà là một bánh xe nặng quay quanh trục, dùng quán tính quay để tích trữ năng lượng và giữ cho chuyển động đều đặn. Năng lượng cất trong bánh đà bằng ½·I·ω²: tăng gấp đôi tốc độ quay thì năng lượng tăng gấp bốn. Từ bàn xoay gốm cổ xưa, động cơ ô tô, máy may đạp chân tới những nhà máy lưu trữ điện bằng bánh đà quay hàng chục nghìn vòng mỗi phút, nguyên lý vẫn chỉ là một: vật đang quay "lười" thay đổi tốc độ.
Hai việc bánh đà làm
Làm đều chuyển động
Động cơ đốt trong một xi lanh chỉ sinh lực đẩy ở một kỳ trong bốn kỳ. Nếu không có gì giữ đà, trục khuỷu sẽ quay giật cục: mạnh lên khi có tiếng nổ, chậm hẳn ở ba kỳ còn lại, thậm chí chết máy. Bánh đà nặng gắn ở đầu trục khuỷu hấp thụ năng lượng của kỳ nổ, rồi nhả dần ra ở các kỳ khác. Kết quả là trục quay gần như đều.
Máy may đạp chân, máy tuốt lúa đạp chân của nông thôn Việt Nam xưa cũng có bánh đà to: người đạp không đều, nhưng bánh đà nặng giữ cho kim may hay trống tuốt chạy đều tay.
Tích trữ năng lượng
Bánh đà có thể được làm quay nhanh trong một lúc (nạp năng lượng), rồi nhả năng lượng ra khi cần — như một "pin cơ học". Năng lượng nạp vào bao nhiêu thì nhả ra gần bấy nhiêu, chỉ hao một phần do ma sát ở ổ trục và sức cản không khí.
Năng lượng trong bánh đà
Công thức động năng quay: E = ½·I·ω², với I là mô men quán tính, ω là tốc độ góc.
Từ đó có hai cách tăng năng lượng cất được:
- Tăng mô men quán tính: bánh nặng hơn, to hơn, khối lượng dồn ra vành. Bánh đà truyền thống thường có vành dày và nặng, nan mảnh.
- Tăng tốc độ quay: hiệu quả hơn nhiều vì có bình phương. Quay nhanh gấp đôi, năng lượng gấp bốn.
Ví dụ: một đĩa thép đặc 100 kg, bán kính 0,5 m, có I = ½ × 100 × 0,25 = 12,5 kg·m². Quay 3.000 vòng mỗi phút (ω ≈ 314 rad/s), nó cất khoảng ½ × 12,5 × 314² ≈ 616.000 J, tức khoảng 0,17 kWh — bằng năng lượng thắp một bóng đèn LED 10 W trong khoảng 17 giờ.
Giới hạn: bánh đà quay nhanh quá sẽ vỡ
Không thể cứ quay nhanh mãi. Khi bánh quay, mỗi phần của vành cần lực hướng tâm để đi vòng, và lực này do chính độ bền của vật liệu cung cấp. Lực cần tăng theo bình phương tốc độ. Vượt quá giới hạn, bánh đà vỡ tung, các mảnh văng ra theo phương tiếp tuyến với năng lượng rất lớn — một tai nạn nguy hiểm.
Vì vậy, năng lượng tối đa mà bánh đà cất được trên mỗi kilôgam phụ thuộc vào tỉ số giữa độ bền và khối lượng riêng của vật liệu. Thép bền nhưng nặng. Sợi carbon nhẹ và rất bền theo một chiều, nên các bánh đà hiện đại dùng vành quấn sợi carbon, quay tới hàng chục nghìn vòng mỗi phút. Ngược với trực giác, bánh đà tốt nhất không phải bánh nặng nhất, mà là bánh bền nhất so với khối lượng để có thể quay nhanh nhất.
Các bánh đà tốc độ cao được đặt trong buồng hút chân không để giảm sức cản không khí, treo bằng ổ từ để giảm ma sát, và đặt trong vỏ bọc chắc hoặc chôn dưới đất để an toàn khi có sự cố.
Bánh đà trong lịch sử và đời sống
| Ứng dụng | Bánh đà làm gì |
|---|---|
| Bàn xoay làm gốm | Bàn nặng giữ đà quay đều, thợ gốm chỉ thỉnh thoảng đạp hoặc đẩy thêm |
| Guồng quay tơ, máy dệt | Giữ nhịp quay đều cho sợi |
| Máy hơi nước | Làm đều chuyển động của piston qua lại thành vòng quay đều |
| Động cơ ô tô, xe máy | Làm đều trục khuỷu, giúp khởi động và chạy êm |
| Ô tô đồ chơi chạy đà | Đẩy xe trên sàn làm bánh đà nhỏ bên trong quay nhanh, buông tay xe tự chạy |
| Xe đạp tập trong nhà | Bánh đà nặng tạo cảm giác đạp giống trên đường |
| Lưu trữ điện cho lưới | Hấp thụ và nhả điện trong vài giây đến vài phút để ổn định tần số lưới |
Bàn xoay gốm có lẽ là một trong những "bánh đà" đầu tiên của loài người. Ở các làng gốm truyền thống Việt Nam như Bát Tràng (Hà Nội) hay Phù Lãng (Bắc Ninh), Thanh Hà (Hội An, Đà Nẵng), người thợ vuốt gốm trên bàn xoay — có nơi một người vuốt, một người đạp hoặc quay bàn — là hình ảnh quen thuộc.
Xe buýt chạy bằng bánh đà
Thập niên 1950, hãng Oerlikon của Thuỵ Sĩ làm ra "gyrobus" — xe buýt chạy bằng năng lượng của một bánh đà lớn khoảng 1,5 tấn đặt dưới sàn. Tại mỗi trạm dừng, xe nối vào điện lưới vài phút để mô tơ quay bánh đà lên tốc độ cao; rồi xe chạy tiếp vài kilômét bằng năng lượng trong bánh đà. Tuyến gyrobus ở Yverdon-les-Bains (Thuỵ Sĩ) bắt đầu chạy năm 1953, sau đó có ở Bỉ và Congo, nhưng dừng lại vì bánh đà quá nặng, xe tốn năng lượng và khó bảo dưỡng. Ý tưởng ấy là tổ tiên của các xe buýt điện sạc nhanh ở trạm ngày nay.
Bánh đà trên đường đua
Từ năm 2009, giải đua Công thức 1 cho phép hệ thống thu hồi động năng khi phanh (KERS). Phần lớn các đội dùng pin, nhưng một số kỹ sư đã phát triển phiên bản dùng bánh đà sợi carbon quay rất nhanh trong buồng chân không. Trong đua xe sức bền, chiếc Audi R18 e-tron quattro thắng giải 24 giờ Le Mans năm 2012 dùng bánh đà điện để cất năng lượng phanh và nhả ra khi tăng tốc. Bánh đà nạp và xả nhanh hơn pin, hợp với những pha phanh gấp rồi tăng tốc ngay của xe đua.
Góc nhìn hôm nay: tự cảm nhận bánh đà
- Lấy một ô tô đồ chơi chạy đà (loại đẩy tới đẩy lui rồi buông tay). Nhấc xe lên khỏi mặt đất, lăn bánh trên tay vài lần rồi áp tai vào: nghe tiếng bánh đà nhỏ bên trong quay vù vù.
- Úp ngược xe đạp, quay bánh sau thật nhanh rồi thử dùng tay hãm: cảm nhận năng lượng cất trong bánh xe. (Cẩn thận ngón tay, đừng thò vào nan hoa.)
- Tính thử năng lượng của bánh xe đạp: khối lượng vành và lốp khoảng 1 kg, bán kính 0,33 m, quay 5 vòng mỗi giây — dùng E = ½·m·r²·ω² cho vòng mỏng.
Câu hỏi thường gặp
Bánh đà là gì?
Bánh đà là bánh xe nặng quay quanh trục, dùng quán tính quay để giữ chuyển động đều đặn và tích trữ năng lượng. Nó có trong động cơ ô tô, máy may đạp chân, bàn xoay gốm và cả các hệ thống lưu trữ điện hiện đại.
Bánh đà trong động cơ dùng để làm gì?
Động cơ chỉ sinh lực ở kỳ nổ, các kỳ còn lại không có lực đẩy. Bánh đà hấp thụ năng lượng của kỳ nổ rồi nhả dần ra ở các kỳ khác, giúp trục khuỷu quay đều, máy chạy êm và không chết máy.
Năng lượng trong bánh đà tính thế nào?
Bằng một nửa mô men quán tính nhân bình phương tốc độ góc, E = ½·I·ω². Vì có bình phương nên tăng gấp đôi tốc độ quay thì năng lượng tăng gấp bốn, hiệu quả hơn so với chỉ làm bánh nặng hơn.
Vì sao bánh đà hiện đại làm bằng sợi carbon?
Vì giới hạn năng lượng của bánh đà phụ thuộc vào độ bền so với khối lượng của vật liệu: quay quá nhanh bánh sẽ vỡ. Sợi carbon nhẹ và rất bền nên cho phép quay hàng chục nghìn vòng mỗi phút, cất nhiều năng lượng trên mỗi kilôgam hơn thép.
Ô tô đồ chơi chạy đà hoạt động thế nào?
Bên trong có một bánh đà nhỏ nối với bánh xe qua bánh răng. Đẩy xe trên sàn làm bánh đà quay rất nhanh và cất năng lượng; khi buông tay, bánh đà nhả năng lượng ra làm xe tự chạy.