Xe không lật nhờ đâu: trọng tâm thấp, vệt bánh rộng và thử với hộp sữa

Một chiếc xe không lật là nhờ hai thứ: trọng tâm thấp và hai bánh hai bên cách xa nhau. Xe chỉ lật khi đường thẳng đứng đi xuống từ trọng tâm vượt ra ngoài vùng bốn bánh đang tì lên mặt đất. Trọng tâm càng thấp, hai bánh càng xa nhau, thì xe phải nghiêng nhiều hơn hoặc bị đẩy ngang mạnh hơn mới lật được. Đây là luật mà người thiết kế xe đồ chơi, xe tải hay xe đua đều phải theo.

Trọng tâm là gì, nói theo cách của người làm xe

Mỗi vật đều có một điểm mà ta có thể coi như toàn bộ sức nặng của vật dồn vào đó, gọi là trọng tâm. Một chiếc thước kẻ đều đặn có trọng tâm ở chính giữa: đặt ngón tay ở đó, thước nằm cân. Một chiếc búa có trọng tâm lệch hẳn về phía đầu sắt.

Với một chiếc xe, trọng tâm phụ thuộc vào chỗ đặt những thứ nặng: động cơ, bộ pin, bình nhiên liệu, người ngồi, hàng hóa. Hàng chất lên nóc xe kéo trọng tâm lên cao. Bộ pin nặng nằm sàn xe kéo trọng tâm xuống thấp. Người thiết kế không thay đổi được trọng lực, nhưng chọn được chỗ đặt các thứ nặng.

Vùng chân đế: chỗ chiếc xe "đứng"

Nhìn từ trên xuống, nối bốn điểm bánh xe chạm đất, em được một hình chữ nhật. Đó là vùng chân đế của chiếc xe. Khoảng cách giữa hai bánh bên trái và bên phải gọi là vệt bánh.

Quy tắc rất đơn giản: tưởng tượng thả một sợi dây dọi từ trọng tâm xuống đất. Chừng nào đầu dây dọi còn rơi vào trong vùng chân đế, xe còn đứng vững. Khi xe bị nghiêng đến mức đầu dây dọi ra ngoài mép, trọng lực bắt đầu kéo xe đổ về phía đó.

Từ đó suy ra ngay:

• Trọng tâm thấp: xe phải nghiêng rất nhiều thì đường dọi mới ra khỏi mép.
• Vệt bánh rộng: mép vùng chân đế ở xa, cũng phải nghiêng nhiều mới ra ngoài.
• Trọng tâm cao, vệt bánh hẹp: chỉ nghiêng một chút là đã nguy.

Khi xe vào cua: lực đẩy ngang

Xe đứng yên trên dốc nghiêng chỉ lật khi dốc rất gắt. Nhưng xe đang chạy vào cua thì khác. Theo quán tính, xe "muốn" đi thẳng, trong khi lốp ma sát với mặt đường kéo xe vào phía trong khúc cua. Lực kéo ở chân bánh, còn khối lượng xe dồn ở trọng tâm phía trên, nên người ngồi trong xe cảm thấy như bị đẩy văng ra phía ngoài, và thân xe cũng bị nghiêng ra phía ngoài.

Nếu xe vào cua quá nhanh, hai bánh phía trong có thể bị nhấc khỏi mặt đất. Một chiếc xe có trọng tâm cao và vệt bánh hẹp sẽ đạt đến điểm này ở tốc độ thấp hơn. Các kỹ sư an toàn giao thông dùng một con số đơn giản để so sánh: lấy nửa vệt bánh chia cho chiều cao trọng tâm. Số này càng lớn, xe càng khó lật. Ô tô con thấp thường có con số lớn hơn xe khách cao hay xe tải chở hàng cồng kềnh.

Đó cũng là lý do xe chở rơm, chở thùng xốp chất cao ngất trên đường quê nhìn thì vui mắt nhưng rất dễ đổ khi ôm cua hoặc khi một bánh lọt ổ gà. Người lái loại xe này phải đi chậm hơn hẳn.

Xe ba bánh, xe hai bánh và xe bốn bánh

Loại xe	Vùng chân đế	Đặc điểm khi vào cua
Xe bốn bánh	Hình chữ nhật	Vững nhất khi trọng tâm thấp, nghiêng ra ngoài khi cua gấp
Xe ba bánh một bánh trước	Hình tam giác, mũi nhọn ở phía trước	Dễ lật về phía trước – ngoài nếu cua gấp, vì phía trước vùng chân đế rất hẹp
Xe ba bánh hai bánh trước	Hình tam giác, đáy rộng ở phía trước	Vững hơn khi vừa phanh vừa cua
Xe đạp, xe máy	Gần như một đường thẳng	Không đứng được khi đứng yên; người lái phải nghiêng vào trong khi cua để giữ thăng bằng

Xe hai bánh thú vị nhất: nó cố tình đổ. Khi vào cua, người đi xe đạp nghiêng người và xe vào phía trong. Trọng lực kéo xe đổ vào trong, còn lực đẩy ngang do vào cua kéo xe ra ngoài. Hai lực cân nhau ở đúng một góc nghiêng — vì thế xe đi vòng ổn định. Cua nhanh hơn thì phải nghiêng nhiều hơn.

Thiết kế xe mô hình khó lật

Khi em làm xe dây chun, xe thả dốc hay xe năng lượng mặt trời mini, những điều sau giúp xe vững:

1. Đặt thứ nặng xuống thấp. Pin, động cơ, đồng xu tăng khối lượng nên dán sát sàn xe, không đặt lên nóc.
2. Trục dài hơn một chút. Vệt bánh rộng hơn thân xe giúp xe vững khi va vào thành đường đua.
3. Cân bằng trái phải. Đặt xe lên hai ngón tay ở giữa hai bên; nếu xe nghiêng về một phía, chuyển bớt khối lượng sang phía kia.
4. Đừng để cánh gió, tấm pin cao lênh khênh. Chúng nhẹ nhưng cao, và còn bị gió đẩy ngang.

Thử làm: hộp sữa trên tấm ván nghiêng

Thí nghiệm này đo được góc lật thật, giống cách các phòng thí nghiệm thử xe trên bàn nghiêng.

1. Lấy một hộp sữa giấy loại 1 lít đã rửa sạch, phơi khô, đóng kín nắp. Đặt nằm nghiêng hoặc đứng tùy em, ghi lại tư thế.
2. Cho vào hộp 200 gam gạo. Lắc cho gạo nằm dồn xuống đáy, đặt hộp đứng lên một tấm bìa cứng lớn. Dán một mẩu giấy nhám dưới đáy hộp để hộp không trượt mà chỉ lật.
3. Từ từ nâng một cạnh tấm bìa lên, cạnh tấm bìa vuông góc với hướng hộp sẽ đổ. Khi hộp vừa lật, giữ tấm bìa lại và dùng thước đo độ đo góc nghiêng, hoặc dùng ứng dụng đo độ nghiêng trên điện thoại của bố mẹ.
4. Lặp lại ba lần, lấy trung bình.
5. Bây giờ dùng băng dính cố định gạo ở nửa trên của hộp (nhét giấy vo vào đáy để đẩy gạo lên cao). Đo lại góc lật.
6. Cuối cùng, dán hộp lên một đế bìa rộng gấp đôi đáy hộp và đo lần nữa.

Em sẽ thấy rõ: gạo ở thấp thì hộp chịu nghiêng được nhiều hơn; gạo ở cao thì lật sớm; đế rộng thì vững hơn hẳn. Đó chính là trọng tâm và vệt bánh, chỉ khác là ở đây em nhìn thấy bằng mắt.

Mở rộng cho bạn lớn hơn

Nếu đã học hình học, em có thể dự đoán trước góc lật: góc lật là góc mà tan của nó bằng nửa bề rộng đế chia cho chiều cao trọng tâm. Tìm trọng tâm của hộp bằng cách treo hộp bằng sợi chỉ ở hai góc khác nhau, kẻ đường thẳng theo sợi chỉ mỗi lần; hai đường cắt nhau ở trọng tâm. Rồi so dự đoán với kết quả đo.

Những chiếc xe thật dùng hiểu biết này

• Xe đua thân rất thấp, bánh rộng ra hai bên — trọng tâm thấp và vệt bánh rộng cùng lúc.
• Xe điện thường đặt bộ pin nặng dạng tấm phẳng dưới sàn, nên trọng tâm thấp hơn nhiều xe chạy xăng cùng cỡ.
• Xe khách hai tầng được thử nghiêng trên bàn thử trước khi đưa vào sử dụng ở nhiều nước, để chắc chắn xe chịu được góc nghiêng nhất định khi tầng trên chở đầy người.
• Xe cẩu, xe thang cứu hỏa có chân chống bung ra hai bên trước khi nâng cần, để mở rộng vùng chân đế.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao trọng tâm thấp giúp xe không bị lật?

Xe chỉ lật khi đường thẳng đứng từ trọng tâm đi ra ngoài vùng các bánh xe tì xuống đất. Trọng tâm càng thấp, xe phải nghiêng càng nhiều mới tới điểm đó. Khi vào cua, trọng tâm thấp cũng làm lực đẩy ngang khó nhấc bánh trong lên hơn.

Vệt bánh xe là gì?

Vệt bánh là khoảng cách giữa bánh bên trái và bánh bên phải trên cùng một trục. Vệt bánh càng rộng, vùng chân đế của xe càng lớn và xe càng khó lật sang ngang. Xe đua có vệt bánh rộng, còn xe hẹp và cao thì dễ lật hơn.

Vì sao xe chở hàng cao dễ lật khi vào cua?

Hàng chất cao kéo trọng tâm của cả xe lên trên. Khi vào cua, lực đẩy ngang tác động ở trọng tâm cao đó có tác dụng như một đòn bẩy dài, dễ nhấc bánh phía trong lên. Vì vậy xe chở hàng cồng kềnh phải đi chậm khi vào cua.

Làm sao tìm trọng tâm của một vật ở nhà?

Với vật phẳng như tấm bìa, treo vật bằng sợi chỉ ở một góc, kẻ một đường theo sợi chỉ; treo ở góc khác và kẻ thêm một đường. Hai đường cắt nhau tại trọng tâm. Với vật dài như cái thước, đặt lên một ngón tay và dịch dần đến khi vật nằm cân.

Vì sao xe đạp đứng yên thì đổ mà chạy thì không?

Xe đạp chỉ chạm đất ở hai điểm nên vùng chân đế gần như là một đường thẳng, đứng yên thì đổ. Khi chạy, người đi xe liên tục lái nhẹ bánh trước về phía xe sắp đổ để đưa điểm chạm đất trở lại dưới trọng tâm. Khi vào cua, người và xe nghiêng vào trong để cân với lực đẩy ngang.