Xe hộp gỗ thả dốc soapbox: chiếc xe không động cơ chạy nhờ trọng lực

Xe hộp gỗ thả dốc, tiếng Anh gọi là soapbox, là loại xe không có động cơ, không có bàn đạp, chỉ chạy nhờ trọng lực khi lăn xuống một con dốc. Cả chiếc xe là một bài học vật lý: năng lượng do độ cao biến thành tốc độ, và người thiết kế giỏi là người để ít năng lượng bị mất nhất trên đường đi. Ở nhiều nước, trẻ em tự làm loại xe này rồi thi trên đường dốc được rào kín, có người lớn và mũ bảo hiểm.

Cái tên đến từ thùng đựng xà phòng

Đầu thế kỷ 20 ở Mỹ, xà phòng và nhiều loại hàng được đóng trong thùng gỗ. Trẻ em xin những chiếc thùng này, gắn bánh xe nhặt từ xe đẩy cũ, rồi thả xuống dốc. Từ "soapbox" — hộp xà phòng — gắn với loại xe đó từ đây.

Năm 1934, cuộc thi Soap Box Derby toàn nước Mỹ đầu tiên được tổ chức ở thành phố Dayton, bang Ohio. Từ năm sau, cuộc thi chuyển về thành phố Akron cùng bang và tổ chức ở đó gần như hằng năm cho đến nay, trên một con dốc xây riêng cho giải. Ngày nay xe thi không còn là thùng gỗ chắp vá: có bộ khung, kích thước, khối lượng tối đa được quy định chặt, để cuộc đua công bằng và an toàn. Nhiều nước khác cũng có các hội thi xe thả dốc cho thiếu niên, và có những lễ hội xe thả dốc trang trí vui nhộn cho người lớn.

Chiếc xe lấy năng lượng từ đâu

Khi em đẩy chiếc xe lên đỉnh dốc, em đã "cất" năng lượng vào nó dưới dạng thế năng hấp dẫn. Vật càng cao và càng nặng thì thế năng càng lớn. Khi xe lăn xuống, thế năng giảm dần và biến thành động năng — năng lượng của chuyển động. Nếu không có gì cản trở, toàn bộ thế năng sẽ thành động năng, và tốc độ cuối dốc chỉ phụ thuộc vào độ cao của con dốc, không phụ thuộc xe nặng hay nhẹ.

Thử tính một ví dụ: con dốc cao 5 mét theo phương thẳng đứng. Nếu không có ma sát và sức cản không khí, tốc độ ở chân dốc sẽ khoảng 10 mét mỗi giây, tức khoảng 36 km/h. Con số này cao hơn nhiều người nghĩ, và đó là lý do xe thả dốc phải có phanh và phải chạy trên đường đã rào chắn.

Trên thực tế, xe luôn đến chân dốc chậm hơn con số lý tưởng, vì năng lượng bị "rò rỉ" theo ba đường:

• Ma sát lăn: lốp bị ép bẹp một chút ở chỗ tiếp xúc mặt đường, mỗi vòng quay lại bị ép bẹp và bung ra, mất một ít năng lượng thành nhiệt.
• Ma sát ở trục bánh: chỗ bánh xe quay quanh trục cọ xát, nhất là khi trục cong, bạc đạn khô hoặc bánh xe đảo.
• Sức cản không khí: càng xuống thấp xe càng nhanh, và sức cản tăng theo bình phương tốc độ.

Vậy xe nặng có lợi không

Đây là câu hỏi khiến nhiều đội tranh cãi. Câu trả lời: trong giới hạn luật cho phép, xe nặng hơn thường có lợi một chút, nhưng không phải vì "vật nặng rơi nhanh hơn".

Lý do nằm ở sức cản không khí. Hai chiếc xe cùng hình dạng thì chịu sức cản gió như nhau ở cùng tốc độ. Xe nặng hơn có nhiều năng lượng hơn (thế năng lớn hơn), nên phần năng lượng mà sức cản lấy đi chiếm tỉ lệ nhỏ hơn. Vì thế luật các cuộc thi luôn quy định khối lượng tối đa cho xe cộng người lái: nếu không, cuộc thi biến thành cuộc thi xem ai chất được nhiều đá nhất.

Ma sát lăn thì ngược lại: xe nặng ép bánh xuống mạnh hơn nên ma sát lăn cũng tăng theo. Hai hiệu ứng kéo về hai phía, và kết quả thực tế phụ thuộc vào thiết kế cụ thể. Đây là một ví dụ đẹp cho thấy câu trả lời trong khoa học thường là "tùy", và phải đo mới biết.

Những điều nhà thiết kế xe thả dốc quan tâm

Yếu tố	Làm tốt thì	Làm kém thì
Bánh xe và trục	Bánh tròn đều, trục thẳng, quay trơn lâu sau khi búng tay	Bánh đảo, cọ vào thân, quay vài vòng là dừng
Hình dạng thân	Mũi tròn, đuôi thon, người lái ngồi thấp, đầu không nhô cao	Thân vuông cạnh, người lái ngồi thẳng lưng chắn gió
Chạy thẳng	Bánh song song, xe tự chạy thẳng không cần lái nhiều	Xe lệch hướng, người lái phải đánh lái liên tục, mỗi lần lái là mất tốc độ
Phân bổ khối lượng	Trọng tâm thấp, cân bằng trái phải	Nặng một bên, dễ lật khi vào cua
Phanh và an toàn	Phanh chắc, kiểm tra trước mỗi lượt, có mũ bảo hiểm	Không có phanh hoặc phanh lỏng — không được phép chạy

Phiên bản mô hình: xe gỗ thả trên ván nghiêng

Với học sinh, cách vừa an toàn vừa vui để học những điều trên là làm xe mô hình thả dốc. Ở Mỹ có một hoạt động nổi tiếng tên Pinewood Derby, bắt đầu từ năm 1953 trong phong trào Hướng đạo sinh: mỗi bạn được phát một khối gỗ thông nhỏ, bốn bánh và bốn đinh làm trục, rồi tự tạo hình chiếc xe và thả trên một đường dốc chung. Ý tưởng đó dễ làm ở Việt Nam với vật liệu sẵn có.

Thử làm: đường đua ván nghiêng ở lớp

1. Đường dốc: một tấm ván ép hoặc tấm gỗ phẳng dài 1,5–2 m, kê một đầu lên chồng sách cao khoảng 30 cm. Đầu dưới nối với một đoạn nền phẳng để xe chạy tiếp và dừng lại. Dán băng dính làm hai làn để hai xe thi song song.
2. Thân xe: hộp sữa giấy rửa sạch phơi khô, hộp bánh bằng bìa, hoặc một khối xốp. Phần cắt gọt gỗ hoặc dùng dao rọc giấy để người lớn làm.
3. Trục và bánh: que xiên thẳng làm trục, luồn qua ống hút làm "bạc trục" dán vào thân. Bánh làm bằng nắp chai nhựa đục lỗ chính giữa (người lớn đục) hoặc bánh xe đồ chơi cũ.
4. Quy tắc chung: cả lớp thống nhất khối lượng tối đa, ví dụ 150 gam, cân bằng cân nhà bếp. Muốn tăng khối lượng thì dán thêm đồng xu hoặc đất nặn.
5. Thả: giữ xe bằng một thước kẻ chắn ngang vạch xuất phát, nhấc thước lên để hai xe xuất phát cùng lúc. Không đẩy.

Đo như một kỹ sư

Đừng chỉ hỏi "xe nào thắng". Hãy đo xe chạy được bao xa trên đoạn nền phẳng sau chân dốc, hoặc bấm giờ từ lúc thả đến vạch đích. Mỗi lần chỉ thay đổi một thứ: chỉ thêm khối lượng, hoặc chỉ đổi bánh, hoặc chỉ thêm mũi tròn. Mỗi kiểu thả ít nhất ba lần, ghi vào bảng, lấy trung bình. Em sẽ thấy điều mà người thiết kế xe thật cũng thấy: thường thì việc làm bánh quay trơn và xe chạy thẳng mang lại nhiều hơn là gọt dáng thật đẹp.

An toàn khi làm xe thả dốc cỡ thật

Nếu trường hoặc câu lạc bộ của em tổ chức thi xe thả dốc có người ngồi, cuộc thi phải có những điều sau:

• Đường dốc được rào kín, không có xe cộ và người đi bộ qua lại, có rơm, lốp cũ hoặc đệm chắn ở cuối đường và ở các khúc cua.
• Người lớn có chuyên môn kiểm tra phanh, tay lái và bánh xe trước mỗi lượt chạy.
• Người lái đội mũ bảo hiểm cài quai, mặc áo dài tay, đeo găng, đi giày kín.
• Dốc vừa phải, có giới hạn tốc độ bằng thiết kế đường, không chọn dốc càng cao càng tốt.

Tuyệt đối không thả xe tự chế xuống đường dốc công cộng, đường đèo hay dốc cầu. Ở đó xe không có chỗ dừng an toàn, và người khác không biết em đang lao xuống.

Câu hỏi thường gặp

Xe soapbox là gì?

Xe soapbox là xe không có động cơ, chạy nhờ trọng lực khi lăn xuống dốc, thường do người tham gia tự đóng. Tên gọi xuất phát từ những chiếc thùng gỗ đựng xà phòng mà trẻ em Mỹ đầu thế kỷ 20 dùng làm thân xe. Ngày nay xe thi có khung, phanh và luật về kích thước, khối lượng.

Xe thả dốc chạy nhờ năng lượng gì?

Nhờ thế năng hấp dẫn: xe ở trên cao có sẵn năng lượng, và khi lăn xuống, năng lượng đó biến thành động năng, tức tốc độ. Một phần năng lượng bị mất đi do ma sát ở bánh, trục và sức cản không khí.

Xe nặng hơn có chạy nhanh hơn khi thả dốc không?

Trong thực tế, xe nặng hơn thường nhỉnh hơn một chút vì sức cản không khí lấy đi tỉ lệ năng lượng nhỏ hơn. Vì vậy các cuộc thi luôn quy định khối lượng tối đa. Nhưng xe nặng cũng chịu ma sát lăn lớn hơn, nên bánh và trục quay trơn vẫn là điều quan trọng nhất.

Làm xe thả dốc mô hình cần vật liệu gì?

Chỉ cần một tấm ván dài làm đường dốc, hộp sữa giấy hoặc hộp bìa làm thân, que xiên làm trục, ống hút làm bạc trục và nắp chai làm bánh. Phần đục lỗ, cắt gọt nên để người lớn làm. Cả lớp nên thống nhất khối lượng tối đa để thi công bằng.

Thi xe soapbox có người lái có nguy hiểm không?

Có thể nguy hiểm nếu tổ chức sai cách. Cuộc thi an toàn phải có đường dốc rào kín, đệm chắn ở cuối đường, người lớn kiểm tra phanh trước mỗi lượt và người lái đội mũ bảo hiểm. Không bao giờ thả xe tự chế xuống đường dốc công cộng.