Lực cản lăn - 'Kẻ thù vô hình' của hiệu suất nhiên liệu xe động cơ đốt trong và tầm hoạt động của xe điện

Trong cuộc đua tối ưu hóa hiệu suất ô tô, chúng ta thường nghe nói nhiều về khí động học hay hiệu suất động cơ. Tuy nhiên, có một lực cản âm thầm tiêu tốn năng lượng ngay dưới chân bạn mỗi khi bánh xe quay, đó chính là lực cản lăn (rolling resistance). Hiểu đúng về lực cản lăn chính là chìa khóa để giải bài toán tiết kiệm nhiên liệu cho xe động cơ đốt trong và gia tăng quãng đường di chuyển cho xe điện.

Bản chất vật lý: Lực cản lăn không phải là ma sát trượt

Nhiều người lầm tưởng lực cản lăn chính là lực ma sát giúp xe bám đường. Thực tế, chúng là hai khái niệm khác nhau. Ma sát trượt (Static/Sliding friction) giữ cho xe không bị trượt khi vào cua hoặc phanh. Trong khi đó, lực cản lăn là sự thất thoát năng lượng khi xe lăn bánh.

Giải thích tác động của lực cản lăn đối với lốp xe

Nguyên nhân cốt lõi của lực cản lăn đến từ hiện tượng Hysteresis (Trễ đàn hồi). Cụ thể, trong thực tế vận hành của ô tô thì lốp xe không phải là một khối tròn tuyệt đối mà lốp xe sẽ bị biến dạng do trọng lượng xe đè xuống. Việc này khiến cho phần lốp tiếp xúc với mặt đường bị bẹp xuống theo phương thẳng đứng và tăng tiết diện tiếp xúc với mặt đường. Khi bánh xe quay tiếp, phần lốp xe bị bẹp đó rời khỏi mặt đường và đàn hồi trở lại hình dạng cũ.

Vấn đề nằm ở chỗ: Năng lượng cần để làm bẹp lốp luôn lớn hơn năng lượng lốp trả lại khi "phình" ra. Phần năng lượng chênh lệch đó không biến mất, mà chuyển hóa thành nhiệt (làm nóng lốp) và tạo ra lực cản chống lại chuyển động của xe. Đó chính là lực cản lăn.

Lực cản lăn tác động trực tiếp đến túi tiền và môi trường

Lực cản lăn không chỉ là lý thuyết vật lý, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số tiêu thụ nhiên liệu (L/100km) hoặc điện năng (kWh/100km).

Theo các nghiên cứu từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, khoảng 3% đến 5% nhiên liệu tiêu thụ của một chiếc xe du lịch sử dụng động cơ đốt trong khi chạy trong phố chỉ dùng để thắng lực cản lăn. Trên đường cao tốc, con số này có thể lên tới 5-9%. Điều này có nghĩa là, nếu bạn đổ 1 triệu đồng tiền xăng, có thể bạn đã mất đến 100.000 đồng chỉ để "nuôi" sự biến dạng của lốp xe.

Mức tiêu tốn nhiên liệu của lực cản lăn đối với xe động cơ đốt trong

Trong kỷ nguyên xe điện hóa, lực cản lăn trở thành một thông số sống còn. Khác với xe xăng, xe điện mang theo khối pin rất nặng, làm tăng tải trọng lên lốp xe, dẫn đến lực cản lăn tự nhiên lớn hơn. Việc giảm lực cản lăn có ý nghĩa cực lớn trong việc giảm "range anxiety" (Nỗi lo hết pin). Các nhà sản xuất lốp xe hiện nay đang đua nhau tạo ra các dòng lốp EV chuyên dụng với lực cản lăn thấp, có thể giúp tăng quãng đường di chuyển thêm 5-10% cho mỗi lần sạc – một con số đáng kể khi bạn đang di chuyển đường dài.

Ba yếu tố quyết định độ lớn của lực cản

Hiểu được nguyên nhân sẽ giúp người dùng có giải pháp khắc phục. Lực cản lăn phụ thuộc vào 3 biến số chính:

Các dòng lốp có sử dụng thêm silica sẽ giúp giảm lực cản lăn

Thứ nhất chính là trọng lượng xe hay tải trọng của xe, bởi xe càng nặng, lốp càng bị đè bẹp nhiều, lực cản càng lớn. Đây là thách thức lớn đối với các dòng SUV cỡ lớn hoặc xe điện có bộ pin nặng.

Thứ hai là thiết kế và vật liệu lốp xe. Các lốp xe thể thao mềm, bám đường cực tốt thường có lực cản lăn lớn dẫn đến tốn nhiên liệu hoặc đi được quãng đường ngắn hơn. Ngược lại, các dòng lốp "Eco" như sử dụng hợp chất Silica đặc biệt để giảm sinh nhiệt, giúp xe lướt nhẹ hơn.

Và cuối cùng là áp suất lốp, đây là yếu tố người dùng kiểm soát được và cũng là yếu tố quan trọng nhất. Một chiếc lốp non hơi sẽ bị biến dạng nhiều hơn mức thiết kế, làm lực cản lăn tăng vọt. Chạy xe với lốp non hơi không chỉ nguy hiểm mà còn là cách nhanh nhất để đốt tiền nhiên liệu.

Lời giải cho bài toán tiết kiệm

Vậy người tiêu dùng cần làm gì để tối ưu hóa chi phí vận hành dựa trên những thông tin về lực cản lăn?

Đầu tiên chắc chắn phải kể đến thói quen duy trì áp suất lốp đúng tiêu chuẩn của nhà sản xuất. Các chuyên gia khuyến cáo người dùng hãy kiểm tra áp suất lốp định kỳ hoặc chú ý đến hệ thống cảnh báo áp suất lốp (TPMS) trên xe. Bơm lốp đúng tiêu chuẩn của nhà sản xuất (thường được dán ở khung cửa lái) là cách tiết kiệm nhiên liệu đơn giản và hiệu quả nhất.

Ông Phạm Quang Đạt, chuyên gia sản phẩm của Michelin, cho biết lực cản lăn chủ yếu phát sinh trong quá trình tăng tốc. Lực cản lăn đặc biệt lớn khi xe mới bắt đầu lăn bánh hoặc tăng tốc đột ngột

Tiếp đó chính là hãy chọn đúng loại lốp cho xe. Khi thay lốp, hãy để ý đến "Nhãn năng lượng" (tương tự như nhãn trên tủ lạnh, điều hòa). Các lốp được xếp hạng A hoặc B về lực cản lăn sẽ giúp bạn tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với lốp hạng E hoặc F.

Cuối cùng hãy kiểm soát tải trọng của xe, đừng biến cốp xe thành nhà kho. Loại bỏ những vật dụng nặng không cần thiết giúp giảm áp lực lên lốp và động cơ/motor điện.

Có thể thấy rằng lực cản lăn là một phần tất yếu của vật lý mà chúng ta không thể loại bỏ hoàn toàn (nếu không có nó, xe cũng khó bám đường). Tuy nhiên, bằng việc hiểu rõ cơ chế "biến dạng sinh nhiệt" của nó, người lái xe có thể đưa ra những lựa chọn thông minh hơn trong việc bảo dưỡng và chọn mua lốp, qua đó tối ưu hóa từng giọt nhiên liệu và từng kWh điện năng trong mỗi hành trình.

Hoàng Hiển