Lăn dễ hơn kéo vì bánh xe không cọ xát lên mặt đường như vật trượt, mà lần lượt đặt từng điểm xuống rồi nhấc lên. Lực cản khi lăn — ma sát lăn — chỉ đến từ sự biến dạng nhỏ của bánh và mặt đường, nhỏ hơn ma sát trượt hàng chục đến hàng trăm lần. Lốp ô tô có hệ số cản lăn khoảng 0,01, bánh tàu hoả thép chỉ khoảng 0,001–0,002, trong khi kéo lê một thùng gỗ trên sàn có hệ số khoảng 0,3.
Bánh xe lăn: điểm chạm đất đứng yên
Đây là chi tiết khiến nhiều người ngạc nhiên. Khi bánh xe lăn không trượt, điểm của vành bánh đang chạm đất có vận tốc bằng không so với mặt đường trong khoảnh khắc ấy. Phía trên đỉnh bánh, các điểm chạy nhanh gấp đôi xe. Nhìn ảnh chụp bánh xe đạp đang chạy, nan hoa ở phía dưới rõ nét, nan ở phía trên bị nhoè — đó là bằng chứng.
Vì điểm chạm không trượt, không có các mối bám bị bẻ gãy liên tục như khi kéo lê. Năng lượng mất đi chỉ là phần nhỏ do cao su lốp bị nén xuống ở chỗ chạm rồi bung lên không hoàn toàn, sinh nhiệt.
Cản lăn đến từ đâu
- Biến dạng của bánh: lốp cao su bị dẹt ở chỗ chạm đất. Mỗi vòng quay, từng phần lốp bị nén rồi bung ra, mất năng lượng thành nhiệt. Lốp non hơi dẹt nhiều hơn, cản lăn lớn hơn và nóng hơn.
- Biến dạng của mặt đường: đi trên cát, bùn, cỏ dày, bánh lún xuống, phải liên tục "leo" ra khỏi hố nhỏ của chính nó. Đẩy xe cút kít trên cát khó hơn trên đường bê tông nhiều lần.
- Ma sát ở trục: chỗ trục quay trong ổ cũng có ma sát, được giảm bằng ổ bi và dầu mỡ.
| Bánh và mặt đường | Hệ số cản lăn gần đúng |
|---|---|
| Bánh thép tàu hoả trên ray thép | 0,001 – 0,002 |
| Lốp xe đạp đường trường bơm căng trên đường nhựa phẳng | khoảng 0,002 – 0,005 |
| Lốp ô tô con trên đường nhựa | khoảng 0,01 – 0,015 |
| Lốp ô tô trên đường đất nện | khoảng 0,05 |
| Lốp trên cát khô | 0,1 – 0,3 |
Các con số trên lấy theo mức thường gặp trong tài liệu kỹ thuật; giá trị cụ thể phụ thuộc áp suất lốp, tải trọng và tốc độ.
Tính thử: vì sao tàu hoả chở hàng tiết kiệm
Một toa hàng 50 tấn trên ray có hệ số cản lăn khoảng 0,0015. Lực cản lăn ≈ 0,0015 × 50.000 × 9,8 ≈ 735 N — tương đương sức kéo của vài người khoẻ trên đường bằng (dĩ nhiên muốn cho toa bắt đầu chạy còn phải thắng quán tính khổng lồ của nó). Nếu kéo lê cùng khối hàng ấy trên mặt đất với hệ số ma sát 0,3, lực cần có lên tới khoảng 147.000 N, gấp 200 lần.
Đó là lý do đường sắt, từ thế kỷ 19 đến nay, là một trong những cách chở hàng nặng đường dài tốn ít năng lượng nhất trên đất liền: bánh thép cứng trên ray thép cứng, gần như không biến dạng.
Bánh xe trong lịch sử
Bánh xe không phải phát minh sớm như nhiều người nghĩ. Con người đã làm đồ gốm, nuôi gia súc, trồng trọt hàng nghìn năm trước khi có bánh xe kéo.
- Con lăn gỗ: kê khúc gỗ tròn dưới vật nặng để lăn có lẽ có từ rất sớm, dù khó tìm bằng chứng khảo cổ trực tiếp.
- Bàn xoay gốm ở Lưỡng Hà xuất hiện trong thiên niên kỷ thứ 4 trước Công nguyên.
- Xe có bánh: các bằng chứng sớm nhất (hình vẽ, mô hình, dấu vết) rải rác từ Lưỡng Hà, vùng thảo nguyên Bắc Biển Đen tới Trung Âu, khoảng 3500–3000 trước Công nguyên.
- Bánh xe gỗ cổ nhất còn giữ được tìm thấy năm 2002 ở đầm lầy Ljubljana (Slovenia), có niên đại khoảng 5.100–5.350 năm trước.
- Bánh có nan hoa, nhẹ hơn nhiều, xuất hiện khoảng 2000 trước Công nguyên, gắn với xe ngựa chiến vùng thảo nguyên.
Cái khó của bánh xe không nằm ở cái bánh tròn mà ở trục: lỗ trục và trục phải khớp nhau đủ khít, đủ trơn để quay, mà vẫn chắc chịu được tải. Đó là bài toán chế tác gỗ rất khó với công cụ đá và đồng.
Ổ bi: biến ma sát trượt ở trục thành ma sát lăn
Trục quay trong lỗ trơn vẫn là ma sát trượt. Ổ bi đặt những viên bi thép giữa trục và vỏ, biến chuyển động trượt thành chuyển động lăn. Ý tưởng đã được Leonardo da Vinci phác hoạ; năm 1794 Philip Vaughan ở xứ Wales được cấp bằng sáng chế ổ bi cho trục xe ngựa. Ổ bi sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao trở nên phổ biến cuối thế kỷ 19, góp phần làm nên chiếc xe đạp hiện đại.
Ngày nay ổ bi nằm trong quạt điện, bánh xe đạp, ổ cứng cơ, bánh xe vali, ván trượt, động cơ ô tô. Một chiếc ô tô có hàng chục ổ bi.
Vali có bánh: phát minh muộn đến bất ngờ
Bánh xe có từ 5.000 năm trước, vậy mà vali có bánh chỉ được cấp bằng sáng chế ở Mỹ năm 1972, do Bernard Sadow, sau khi ông xách hai chiếc vali nặng qua sân bay và thấy một công nhân đẩy máy móc trên tấm ván có bánh. Kiểu vali kéo dựng đứng với tay kéo dài như ngày nay ra đời muộn hơn nữa, vào cuối thập niên 1980, do một phi công tên Robert Plath thiết kế.
Câu chuyện thường được nhắc trong sách về sáng tạo: một nguyên lý vật lý đơn giản, đã biết từ lâu, có thể chờ hàng thiên niên kỷ mới được áp vào một nhu cầu hằng ngày.
Góc nhìn hôm nay: ứng dụng ma sát lăn trong nhà
- Bơm lốp đúng áp suất ghi trên khung cửa xe hoặc trên thành lốp: lốp non làm tăng cản lăn, tốn xăng, lốp nóng và mòn nhanh.
- Chuyển đồ nặng: dùng xe đẩy có bánh, tấm ván có bánh (dolly), hoặc kê vài đoạn ống tròn bên dưới — cách làm của người xưa vẫn dùng tốt.
- Bảo dưỡng ổ bi xe đạp: ổ bi khô, rỉ sét làm xe nặng hẳn. Vệ sinh và tra mỡ định kỳ.
- Chọn lốp xe đạp: lốp trơn, bơm căng chạy nhẹ trên đường nhựa; lốp gai, bơm vừa phải bám tốt trên đường đất, đổi lại nặng hơn.
Muốn xem bánh xe cổ, bảo tàng thành phố Ljubljana trưng bày chiếc bánh gỗ đầm lầy. Ở Việt Nam, các bảo tàng dân tộc học và bảo tàng tỉnh vùng cao có trưng bày xe trâu, xe bò bánh gỗ, cho thấy kiểu bánh xe đặc mà nhiều vùng nông thôn còn dùng tới cuối thế kỷ 20.
Câu hỏi thường gặp
Ma sát lăn là gì?
Ma sát lăn là lực cản xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt khác, như bánh xe trên đường. Nó chủ yếu do bánh và mặt đường biến dạng nhẹ ở chỗ tiếp xúc rồi hồi lại không hoàn toàn, nên nhỏ hơn nhiều so với ma sát trượt.
Vì sao lăn dễ hơn trượt?
Vì khi lăn không trượt, điểm tiếp xúc của bánh với mặt đường đứng yên trong khoảnh khắc chạm, không cọ xát. Không có các mối bám bị bẻ gãy liên tục như khi kéo lê, nên lực cản nhỏ hơn hàng chục đến hàng trăm lần.
Hệ số cản lăn của lốp ô tô là bao nhiêu?
Lốp ô tô con trên đường nhựa có hệ số cản lăn khoảng 0,01 đến 0,015, tuỳ loại lốp, áp suất và tốc độ. Bánh tàu hoả thép trên ray chỉ khoảng 0,001 đến 0,002.
Bánh xe được phát minh khi nào?
Xe có bánh xuất hiện khoảng 3500 đến 3000 trước Công nguyên, với bằng chứng từ Lưỡng Hà, vùng thảo nguyên và Trung Âu. Bánh xe gỗ cổ nhất còn giữ được tìm thấy ở Ljubljana, Slovenia, có tuổi hơn 5.000 năm.
Vì sao lốp non làm tốn xăng?
Lốp non bị dẹt nhiều ở chỗ chạm đất, mỗi vòng quay phần cao su bị nén và bung ra nhiều hơn, mất thêm năng lượng thành nhiệt. Cản lăn tăng thì động cơ phải tốn thêm nhiên liệu để giữ cùng tốc độ.