Động lực 101: P5 – Đặc tính nhớt - đàn hồi của cao su lốp

Lốp xe được làm từ cao su – một loại vật liệu đàn hồi quyết định nên phần lớn khả năng bám đường (grip). Muốn hiểu được cách lốp xe hoạt động, chúng ta cần tìm hiểu chi tiết các đặc tính đặc biệt của loại vật liệu này. Từ đó, chúng ta sẽ giải thích được các hiện tượng liên quan đến ma sát tạo ra lực bám (tức các chuyển động vĩ mô và vi mô đã nhắc đến ở phần trước).

Chúng ta biết rằng cao su có tính chất nhớt - đàn hồi (visco-elastic), hay nhiều bạn vẫn gọi là đàn nhớt. Nói một cách nôm na, cao su là một vật liệu có thể biến dạng (deformable) với đặc tính biến dạng nằm giữa đặc tính của một chất lỏng nhớt (viscous liquid) và một chất rắn đàn hồi (elastic solid). Như vậy, để hiểu về lốp, ta phải hiểu về cao su. Mà để hiểu về cao su, ta phải hiểu về hai khái niệm cấu thành này.

1. Đặc tính đàn hồi (elastic) của vật liệu

Khi một vật thể có tính đàn hồi hoàn hảo (chẳng hạn như lò xo) chịu một lực tác dụng, nó sẽ biến dạng ngay lập tức theo tỷ lệ tương ứng với lực tác dụng đó. Sau đó, ngay khi lực thôi tác dụng, nó sẽ trở lại hình dạng ban đầu. Ứng suất (stress, đại diện cho lực) và độ biến dạng (deformation, đại diện cho độ dời) xảy ra đồng thời (simultaneous).

Ảnh trên thể hiện đặc tính đàn hồi này của một lò xo. Ta càng đẩy mạnh, lò xo càng bị nén nhiều hơn. Khi đẩy, tay ta tác dụng lên lò xo một lực F khiến cho nó bị biến dạng một đoạn bằng độ dời X.

Ngay từ Vật Lí 6, chúng ta đã biết rằng

Trong đó k là hệ số đàn hồi (hay độ cứng) của lò xo.

Ngoài ra, ngay khi chúng ta bắt đầu ấn vào lò xo, nó sẽ nén. Và ngay sau khi chúng ta thả nó ra, lò xo sẽ quay trở lại chiều dài ban đầu. Như vậy, lực F và độ dời X thay đổi đồng thời, cũng như sự thay đổi của ứng suất và độ biến dạng . Lưu ý rằng, ta dùng hai đại lượng lực và độ dời khi nói về hiện tượng mà ta quan sát được. Ngược lại, khi nói về đặc tính của một vật liệu (thường không quan sát được), ta sử dụng đại lượng ứng suất và độ biến dạng.

Phương trình (1) giúp ta tính được các giá trị tại một thời điểm nhất định. Để biểu diễn chính xác hơn phương trình này theo thời gian t, ta có:

Trong đó là lực tác dụng lên vật liệu trên một đơn vị diện tích, là tỷ lệ đoạn nén (hoặc giãn) của vật liệu so với độ dài ban đầu và E là độ cứng của vật liệu, còn gọi là tỷ suất đàn hồi (modulus of elasticity).

Việc ngay lập tức trở lại vị trí ban đầu cho thấy lò xo đã khôi phục toàn bộ năng lượng được cung cấp. Như vậy, đối với vật đàn hồi, thất thoát năng lượng bằng 0. Khi biểu diễn hình học phương trình (3), ta thu được đồ thị dưới đây:

2. Đặc tính nhớt (viscous) của chất lỏng

Trái với vật liệu đàn hồi, chất lỏng nhớt hoạt động theo cách hoàn toàn khác. Để dễ hình dung, hãy lấy ví dụ về một ống piston chứa chất lỏng dưới đây. Khi ta tác động lực vào cần đẩy, piston sẽ dịch chuyển và nén chất lỏng ở một trong hai khoang bên trong.

Khi ta càng đẩy mạnh, lực cản (tác động lên chuyển động tịnh tiến của piston) sẽ tăng lên, tức piston càng khó di chuyển. Hơn nữa, ngay khi chúng ta vừa ấn vào cần đẩy, ta sẽ nhận thấy piston vẫn đứng yên trong một khoảng thời gian nhất định trước khi bắt đầu chuyển động. Lúc này, ứng suất và độ biến dạng không diễn ra đồng thời, hay lệch pha nhau (out of phase). Ta nói chất lỏng nhớt có một độ trễ (hysteresis) nhất định.

Về bản chất, đặc tính nhớt của chất lỏng đến từ ma sát giữa các phân từ chất lỏng với nhau, từ đó làm chậm dòng chảy. Đối với chất lỏng nhớt, lực F mà ta tác dụng để đẩy piston không tỷ lệ với độ dời X, mà tỷ lệ với tốc độ chuyển động tịnh tiến của piston .

Trong đó là hệ số nhớt của chất lỏng.

Ngoài ta, khi ta thả tay, piston không trở lại vị trí ban đầu. Như vậy, năng lượng được cung cấp không được phục hồi mà bị tiêu tán trong chất lỏng. Như vậy, đối với chất lỏng nhớt, năng lượng đã bị thất thoát. Khi biểu diễn hình học phương trình (4), ta thu được đồ thị dưới đây:

Trong đồ thị trên, ta nhận thấy rằng hai đường biểu diễn của lực (hay ứng suất) và độ dời (hay độ biến dạng) lệch nhau 1/4 pha. Với giá trị này, khi lực đạt cực đại thì độ biến dạng đạt cực tiểu. Điều này giúp ta giải thích được hiện tượng đã nêu ở trên. Cụ thể, góc lệch pha (phase angle) hay độ trễ của độ biến dạng (so với ứng suất) là:

3. Đặc tính nhớt - đàn hồi (visco-elastic) của cao su

Như vậy, sau khi hiểu được đặc tính đàn hồi và đặc tính nhớt, có lẽ bạn đọc cũng đã hình dung được phần nào đặc tính nhớt - đàn hồi của vật liệu, mà cụ thể ở đây là của cao su.

Do có tính chất nằm giữa hai đặc tính trên, cao su khi bị biến dạng sẽ quay trở về trạng thái ban đầu (đặc tính đàn hồi). Tuy nhiên, điều này không xảy ra ngay lập tức mà sẽ mất một thời gian nhất định (đặc tính nhớt). Ta nói cao su có độ trễ biến dạng (hysteresis). Không phải lúc nào chúng ta cũng có thể nhận biết được sự thay đổi này bằng mắt thường.

Lưu ý rằng, gần tương tự với chất lỏng nhớt, độ trễ này của cao su cũng đi kèm với một phần năng lượng bị thất thoát, mà cụ thể là dưới dạng nhiệt (heat). Chính độ trễ này là yếu tố căn bản nhất tạo nên cơ chế hoạt động của lốp xe và là kiến thức nền tảng cho độ bám đường (mà ta sẽ tiếp tục tìm hiểu trong những phần tới).

Hình ảnh dưới đây thể hiện rõ ràng nhất sự kết hợp của cả hai đặc tính đàn hồi và nhớt trên cao su:

Ngoài ra, độ thì dưới đây cũng biểu thị mối quan hệ giữa lực (hay ứng suất) và độ dời (hay độ biến dạng) của cao su. Chú ý rằng lúc này, độ biến dạng vẫn trễ hơn so với ứng suất, nhưng góc lệch pha của cao su là nhỏ hơn so với chất lỏng nhớt.

Để sản xuất ra cao su, ta cần nhiều nguyên liệu khác nhau. Đó là lý do tại sao tồn tại các loại cao su khác nhau làm nên lốp xe. Ta phân biệt các loại lốp dựa trên khái niệm hợp chất lốp (compound) và nếu bạn theo dõi các giải đua xe thể thao thì hẳn sẽ không còn xa lạ với khái niệm này.

Dưới đây là hình ảnh của các chất làm nên lốp xe, bao gồm lưu huỳnh, chất chống oxy hóa, kẽm oxit… Ngoài ra, các chất gia cường như carbon đen và silic cũng được sử dụng.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu độ cứng E của cao su và sự thay đổi của nó dưới tác động của hai yếu tố bên ngoài là tần suất ứng (stress frequency) và nhiệt độ. Qua đó, chúng ta có thể phân biệt các hợp chất lốp, cũng như hiểu được sự thay đổi của lốp trong quá trình xe vận hành là như thế nào.