Giải mã màn kéo 10 toa tàu nặng hơn 500 tấn của xe bán tải chạy điện Ford F-150

Trong màn biểu diễn gần đây, Ford đã gắn nguyên mẫu xe bán tải F-150 hoàn toàn chạy điện của họ vào 10 toa tàu chứa 42 chiếc F-150 khác. Sau đó, khi tài xế chính là kỹ sư trưởng của Ford - Linda Zhang – nhấn ga, chiếc F-150 chạy điện đã kéo cả đoàn tàu với tổng trọng lượng lên tới hơn 500 tấn chạy băng băng.

Một số câu hỏi thú vị đã được đặt ra sau màn biểu diễn có phần thần kỳ của Ford. Một chiếc xe bán tải kéo cả đoàn tàu khó tới mức nào? Điều ấy có thể thực hiện được không? Một chiếc xe bán tải bình thường có thể làm được điều này hay không? Tất nhiên, đây là một chiến công ấn tượng của Ford nhưng yếu tố quan trọng nhất chính là lực ma sát.

Ford F-150 chạy điện thể hiện sức mạnh khi kéo 10 toa tàu nặng chạy băng băng

Chúng ta hãy bắt đầu với một tình huống lý tưởng. Đây là điều mà các chuyên gia vật lý thường làm khi cần giải thích điều gì đó phức tạp. Việc khiến mọi thứ đơn giản hơn sẽ đảm bảo quá trình giải thích đi đúng hướng.

Trường hợp không có lực ma sát

Bạn cần những gì để kéo một đoàn tàu có trọng lượng khổng lồ trong trường hợp ma sát bằng 0? Câu trả lời rất đơn giản. Bất kỳ lực tác động nào cũng có thể khiến đoàn tàu di chuyển. Ngay cả một con kiến cũng có thể khiến 10 toa tàu nặng 500 tấn chuyển bánh. Đây là sự thật không thể xảy ra bởi chưa bao giờ có tình huống nào lực ma sát giảm xuống bằng 0. Dưới đây là sơ đồ mô tả một vật nhỏ kéo một vật lớn trong trường hợp không có ma sát. Các khối vuông đại diện cho các vật.

Trông sơ đồ thì có vẻ phức tạp nhưng cũng không quá tệ cho tình huống này. Bây giờ chúng ta hãy tới với phần giải thích từng chi tiết một. Đầu tiên, có vẻ khó hiểu nhất là những mũi tên bên trên một số biểu tượng. Bạn không cần thiết phải hiểu hết chúng nhưng về cơ bản chúng là những đại lượng vecto. Mỗi lực là một vecto. Điều đó có nghĩa là lực kéo sang trái trên một đối tượng khác với lực kéo sang phải. Hướng rất quan trọng với các lực tác động và các lực tác động là vecto.

Tiếp theo, chúng ta hãy nhìn vào hai lực hướng xuống dưới trên vật A và vật B. Đây là lực hấp dẫn của Trái Đất với các khối, hay được gọi là trọng lượng. Lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng của vật thể và trường hấp dẫn (g), có giá trị khoảng 9,8 newton/kg. Điều này có nghĩa là vật càng lớn thì trọng lượng càng lớn. Có thể bạn đã biết điều này nhưng không hiểu rõ mà thôi. Vì vật B có khối lượng lớn hơn nhiều so với vật A nên trọng lượng của nó cũng lớn hơn nhiều.

Lực N hướng lên trên gọi là lực pháp tuyến. Đây là lực tác động giữa vật thể và bề mặt mà nó tiếp xúc. Nếu đây là một toa tàu nằm trên đường ray, lực pháp tuyến sẽ từ đường ray đẩy lên toa tàu và ngăn nó đổ xuống. Nó được gọi là lực pháp tuyến bởi luôn vuông góc với bề mặt. Vì vật B có trọng lượng lớn hơn so với vật A nên lực pháp tuyến của nó cũng lớn hơn. Lực pháp tuyến sẽ đóng vai trò quan trọng khi xét trong trường hợp có ma sát.

Thế còn lực T thì sao? Đó là sức căng của sợi dây nối giữa vật A và vật B. Các chỉ số được thêm vào như A-B đại diện cho A kéo B và B-A đại diện cho B kéo A. Trên thực tế, hai lực này chỉ là một tương tác duy nhất. Các lực tác động thường đi theo cặp đối lập. Nếu bạn đấm vào tường bằng một lực nhất định, bức tường sẽ phản lại bạn một lực có độ lớn tương ứng. Các lực luôn là sự tương tác giữa 2 đối tượng. Bất cứ lực nào kéo nào A tác động lên B, B cũng sẽ kéo lại A một lực tương tự.

Bây giờ chúng ta hãy nói về bản chất của các lực tác động. Hầu hết chúng ta đều nghĩ rằng lực tác động sẽ khiến mọi thứ di chuyển. Điều này không thực sự đúng. Một lực thay đổi chuyển động của một vật. Vì vậy, nếu một vật đang trong trạng thái đứng yên thì lực tác động sẽ thay đổi chuyển động của nó từ đứng yên sang di chuyển. Nếu một đối tượng đang di chuyển, bạn không cần tác động lực nó vẫn di chuyển với hướng và tốc độ không đổi. Nhiều người sẽ không đồng tình với nguyên lý này. Vấn đề là luôn có lực ma sát tồn tại.

Trước khi tới tình huống có lực ma sát, mời các bạn nhìn vào sơ đồ một lần nữa. Vật B với trọng lượng lớn có một lực kéo sang trái để tăng vận tốc. Nhưng còn vật A? Nó cần một lực kéo lớn hơn sang trái để vượt qua lực căng hướng sang phải. Hãy gọi lực này là lực đẩy.

Tình huống có ma sát

Quay trở lại với màn kéo 10 toa tàu của chiếc Ford F-150 chạy điện. Chúng ta vẫn sử dụng vật A (chiếc xe bán tải) và vật B (10 toa tàu). Lực kéo chiếc bán tải sang trái chính là lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Không có lực ma sát này, chiếc xe sẽ không di chuyển được. Lực ma sát khá phức tạp. Nó là sự tương tác giữa các nguyên từ bê mặt trong một vật thể (lốp xe) và các nguyên tử bề mặt trong một vật thể khác (mặt đường). Chúng ta có thể tạo ra một sơ đồ của lực ma sát cho hầu hết các trường hợp (không phải là tất cả các trường hợp).

Trong sơ đồ đơn giản dưới đây, cường độ của lực ma sát phụ thuộc vào loại bề mặt tương tác (cao su, đường nhựa, bê tông...) và cường độ của lực pháp tuyến. Vâng, đây chính là trường hợp mà lực pháp tuyến thể hiện độ quan trọng của nó. Đây là công thức tính lực ma sát  tối đa:

Trong công thức này, μs là lực ma sát tĩnh. Đó là một giá trị (thường nhỏ hơn 1) mô tả mức độ ma sát của hai bề mặt. Nếu bạn chà vải lên bền mặt thép, hệ số ma sát sẽ rất thấp, khoảng 0,2. Hệ số ma sát giữa bánh xe trên mặt đường có thể lên tới khoảng 0,7.

Tuy nhiên, phần thực sự quan trọng của lực ma sát đó chính là sự phụ thuộc vào lực pháp tuyến. Một vật nhỏ (khối lượng thấp) sẽ có lực hấp dẫn nhỏ hơn nên sẽ có lực pháp tuyến nhỏ hơn. Lực pháp tuyến nhỏ cũng đồng nghĩa với lực ma sát thấp hơn. Vì thế, đây là sơ đồ vật nhỏ kéo vật lớn đã được chỉnh sửa cho trường hợp có ma sát.

Có gì khác trong sơ đồ này so với sơ đồ trước đó? Đầu tiên, có một lực ma sát kéo vật A (chiếc xe bán tải) sang bên trái. Trong khi đó, lực ma sát kéo vật B (10 toa tàu) sang phải. Vì cả hai vật chịu cùng lực kéo nhưng ngược chiều, lực ma sát trên vật A phải lớn hơn vật B mới có thể khiến vật B di chuyển. Nhưng lực ma sát phụ thuộc vào khối lượng nên cách duy nhất để làm điều này đó là tăng hệ số ma sát giữa lốp của chiếc xe bán tải với mặt đường lớn hơn so với hệ số ma sát giữa bánh xe của các toa tàu với đường ray.

Đương nhiên là vẫn còn một số lực ma sát khác nữa trong trường hợp này. Ma sát giữa lốp xe tải và mặt đường là ma sát tĩnh. Lực ma sát tĩnh xuất hiện khi 2 bề mặt đứng yên so với nhau. Mặc dù bánh xe của chiếc bán tải đang lăn nhưng điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường là đứng yên. Với các toa tàu, về mặt kỹ thuật là lực ma sát động, xảy ra khi hai bề mặt chuyển động so với nhau. Điều này xảy ra trong trục của bánh xe lựa. Nó tạo ra một lực cản khi bánh xe trượt trên đường ray và sự tương tác đó lại là ma sát tĩnh.

Bây giờ chúng ta sẽ tính toán nhanh xem cần các hệ số ma sát là bao nhiêu để màn biểu diễn của Ford thành công. Không ai biết một chiếc F-150 chạy điện có khối lượng bao nhiêu nhưng chiếc F-150 thông thường có thể nặng khoảng 3,175 tấn. Ford nói rằng trọng lượng 10 toa tàu chứa 42 chiếc F-150 nặng khoảng 453,5 tấn nhưng thực tế nó có thể lên tới 576,46 tấn.

Vì thế, lực ma sát của chiếc F-150 chạy điện phải lớn hơn kha khá so với lực ma sát của các toa tàu. Kết hợp lại chúng ta có công thức sau đây để tính ra lực ma sát cần thiết cho màn biểu diễn này thành công:

Nếu lấy hệ số ma sát của xe bán tải là 0,7 thì hệ số ma sát giữa các toa tàu và đường ray phải hạ xuống tới mức 0.0049. Vâng , đây là một con số khá nhỏ nhưng lại không hề vô lý. Tàu hỏa cần có lực ma sát thấp để vận chuyển người và hàng hóa ở khoảng cách lớn. Vì thế, bất cứ chiếc xe tải nào cũng có thể kéo 10 toa tàu nặng hơn 500 tấn giống như chiếc F-150 chạy điện của Ford bởi điều quan trọng chỉ là trọng lượng của chiếc xe tải đảm nhiệm việc kéo và hệ số ma sát giữa nó và mặt đất.

Còn mô-men xoắn, sức mạnh động cơ và những thứ tương tự trên chiếc F-150 chạy điện thì sao? Đương nhiên là chúng cũng đóng vai trò quan trọng nhưng nếu không cân đối được lực ma sát bạn sẽ chẳng làm được gì hết. Dưới đây là một thử nghiệm đơn giản cho bạn thấy tầm quan trọng của lực ma sát. Ngay cả một cô bé 7 tuổi cũng có thể kéo chiếc xe hơi gia đình nếu lực ma sát giữa xe và mặt đường giảm tới mức vừa đủ.

Cô bé 7 tuổi chứng minh nếu giảm lực ma sát xuống vừa đủ bạn có thể khiến mọi thứ chuyển động

Nếu giảm mức ma sát xuống vừa đủ, bạn có thể khiến mọi thứ chuyển động.

Thanh Mai