Nghiên cứu về trọng lực (hay lực G) và các giới hạn của ô tô

Tất cả các vật thể tồn tại trên hành tinh chúng ta đều có quan hệ mật thiết với nhau thông qua lực hấp dẫn. Khái niệm lực hấp dẫn trong vật lý học là lực hút giữa mọi vật chất và có độ lớn tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của hai vật. Trái đất của chúng ta được bao bọc bởi tầng khí quyển, nó có khối lượng vô cùng lớn, khoảng hàng tỷ tỷ ki-lô-gram và có bán kính cũng lớn nhất trong các vật thể khoảng triệu ki-lô-mét nên tất cả các vật thể trên bề mặt trái đất đều chịu sự tác động của lực hút trái đất là lớn nhất (hay còn gọi là lực rơi tự do) so với lực hấp dẫn giữa các vật thể với nhau.

Lực hấp dẫn (chính là lực quán tính của một vật) = khối lượng của vật đó x gia tốc

Như vậy, lực G của một vật trên bề mặt trái đất nói chung và của ôtô nói riêng là lực do gia tốc trọng trường gây nên và được ký hiệu theo gia tốc trọng trường (g). Thực chất đây chính là trọng lực của ôtô.  Càng lên cao và càng xa đường xích đạo thì giá trị của gia tốc trọng trường thì sẽ càng nhỏ.

Tuy nhiên, đối với ôtô di chuyển trên mặt đất thì sự sai khác đó là vô cùng bé, nên thông thường chúng ta thường lấy giá trị gia tốc trọng trường vào khoảng g=10m/s2. Có nghĩa là lực G của ôtô bằng mười lần khối lượng của nó. Gia tốc g=0 chỉ khi vượt ra ngoài bầu khí quyển quanh trái đất hoặc ở trong buồng chân không. Ôtô thông thường sử dụng các động cơ đốt trong nên điều này không bao giờ xảy ra. Trọng lực tác dụng vào trọng tâm của ôtô, có chiều hướng vào tâm trái đất.

Ôtô chuyển động và điều khiển được là nhờ vào sự tiếp xúc của bánh xe với bề mặt đường. Hầu hết các lực tác dụng lên ô tô trong quá trình chuyển động đều có quan hệ mật thiết với lực G, trừ lực cản không khí.

Trọng lực trong thiết kế ôtô

Trọng lực của ôtô có thể xem như có giá trị không đổi và bằng khối lượng của ôtô nhân với gia tốc trọng trường. Nhưng độ lớn của thành phần lực vuông góc với bề mặt đường lại thay đổi phụ thuộc vào góc dốc của đường mà ôtô đang chuyển động.

Khi ôtô chuyển động trên đường có độ dốc thay đổi, trọng lực của ôtô được tách ra thành hai thành phần: Thành phần vuông góc với mặt đường ảnh hưởng tới khả năng bám của ôtô và thành phần song song với mặt đường sẽ làm cản trở chuyển động của ôtô khi lên dốc và hỗ trợ chuyển động của ôtô khi xuống dốc.

Thành phần lực pháp tuyến và vị trí điểm đặt lực G (tọa độ trọng tâm) quyết định lớn đến toàn bộ các quá trình chuyển động và độ bền các chi tiết của ôtô.

Khi thiết kế ôtô các chuyên gia thiết kế cần phải xem xét hết sức kỹ lưỡng vị trí trọng tâm của ôtô cho hợp lý. Vị trí trọng tâm của ôtô phụ thuộc vào bố trí các cụm, hệ thống, chi tiết, hàng hóa, khành khách trên ôtô và phải nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc ôtô. Đối với ôtô có tốc độ càng cao thì độ cao trọng tâm càng phải thấp. Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm các trục ảnh hưởng lớn đến khả năng tăng tốc, phanh và ổn định chuyển động của ôtô.

Yêu cầu đặt ra đối với các nhà thiết kế ôtô là thiết kế để trong quá trình chuyển động tọa độ trọng tâm của ôtô thay đổi ít nhất có thể. Đặc biệt là đối với các ôtô vận chuyển chất lỏng khi tăng tốc, khi phanh hoặc quay vòng gấp tọa độ trọng tâm của khối chất lỏng thay đổi lớn sẽ kéo theo sự thay đổi lớn tọa độ trọng tâm của toàn ôtô làm mất ổn định chuyển động. Để khắc phục được điều này cần phải thiết kế các vách ngăn trong các khoang chở chất lỏng.

Trọng lực trong vận hành ôtô

Các hãng sản xuất ôtô trên thế giới liên tục phát triển cho ra đời các ôtô có tính cơ động cao, khả năng tăng tốc, khả năng phanh đạt hiệu quả cao và an toàn nhất có thể ngoài vấn đề kiểu dáng sang trọng, tiện nghi cao... Nhưng đã có khi nào chúng ta đặt câu hỏi trước khi mua hoặc trong quá trình sử dụng ôtô: Giá trị tới hạn của gia tốc tăng tốc, phanh và khả năng trượt của ôtô là bao nhiêu?

Điều này hoàn toàn bị giới hạn bởi lực G tác dụng lên ôtô đó.

Khả năng tăng tốc tối đa của ôtô

Gia tốc tăng tốc lớn nhất mà ôtô có thể có được (trừ những ôtô có lắp động cơ phản lực) phụ thuộc vào loại động cơ, lực G, số lượng trục chủ động, khả năng bám đường, điều kiện đường sá… Thông thường gia tốc tăng tốc cực đại cho ôtô có tất cả các trục đều chủ động đạt không vượt quá 8m/s2. Có nghĩa là để một chiếc xe ôtô tăng tốc từ khởi hành đến khi đạt được tốc độ 100km/h sẽ phải mất tối thiểu khoảng 3,5 giây. Với các ôtô có số trục chủ động ít hơn tổng số trục hay động cơ công suất thấp thì thời gian tăng tốc sẽ còn tăng đáng kể.

Khả năng tăng tốc tối đa của ô tô ảnh hưởng đến quyết định của lái xe mỗi khi cần vượt xe khác.

Điều này rất quan trọng để ước lượng trước khi vượt các chướng ngạy vật là các ôtô chạy cùng chiều. Khi tăng tốc đột ngột lực kéo của các bánh xe chủ động lớn hơn nhiều so với giá trị của lực G tác dụng lên bánh xe và khả năng bám của bánh xe đó dẫn đến hậu quả là bánh xe trượt quay làm nguy hại đến các chi tiết của cầu xe, mòn lốp nhanh chóng.

Khả năng phanh hiệu quả nhất của ôtô

Ôtô đạt hiệu quả cao nhất trong trường hợp tất cả các bánh xe đều đến giới hạn khả năng bám (không bị trượt) và lực G tác dụng lên từng bánh xe. Tương tự như trong trường hợp tăng tốc có thể xác định được:

Quãng đường phanh ngắn nhất (tối ưu) = bình phương của vận tốc bắt đầu phanh/200 (Quãng đường phanh ngắn nhất = V2/200).

Lái xe cần duy trì khoảng cách an toàn với xe đi trước (theo quy tắc 3 giây), bởi hệ thống phanh cũng có giới hạn.

Như vậy, để đảm bảo an toàn khi đang chạy với vận tốc 100km/h thì khoảng cách tối thiểu giữa hai ôtô phải duy trì 50m. Đối với các ôtô không có hệ thống chóng bó cứng bánh xe, hỗ trợ lực phanh… cần phải giữ khoảng cách an toàn lớn hơn nhiều. Còn quãng phanh thực tế của từng xe trong những tình huống cụ thể còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện mặt đường, công nghệ chế tạo lốp, tải trọng…

Khi phanh gấp tọa độ trọng tâm (điểm đặt lực G) dồn lên phía trước ôtô làm cho lực G tác động lên cầu trước nhiều hơn sẽ có nguy cơ phá hủy cầu phía trước. Với các ôtô chở vật liệu chất lỏng, động vật khi phanh tọa độ trọng tâm thay đổi dồn lên phía trước khá nhiều nên hạn chế tối đa phanh gấp. Trong trường hợp hết khả năng bám của các bánh xe cầu trước dẫn đến mất lái gây hậu quả khôn lường không chỉ cho ôtô ta đang lái mà cả cho xung quanh nữa.

Khả năng quay vòng an toàn của ôtô

Khi ô ô vào cua với vận tốc lớn, đường cua gấp và hẹp lực, ly tâm lớn hơn giới hạn khả năng bám ngang của ôtô, gây ra hiện tượng trượt ngang. Nguy hiểm hơn nữa, lúc này lực G tác động lên các bánh xe phía trong giảm đáng kể làm cho xe có xu hướng bị lật. Có nhĩa là không nên quay vòng ngoặt ở vận tốc cao, mà duy trì vận tốc thấp để tránh gây mất an toàn.