Vật lý đằng sau chiếc Tesla Roadster biết bay: Bí mật nằm ở lực ma sát và phản lực

Chúng ta đã được hứa hẹn về xe bay suốt nhiều thập kỷ. Và cuối cùng, chúng ta đã có một chiếc — theo đúng nghĩa nào đó. Tuần trước, Elon Musk đã công bố Tesla Roadster 2 sau nhiều lần trì hoãn, kèm theo vài tính năng đáng chú ý. Chiếc xe có thể bay, dù không lâu, và nguyên mẫu này còn làm được những điều mà xe thường không thể: chạy lên tường thẳng đứng và nhảy qua toàn bộ dàn xe Tesla.

Nguyên mẫu Tesla Roadster 2 trong màn trình diễn

Điều này đặt ra hai câu hỏi. Thứ nhất, có nên để con người lái xe lên tường và bay vào không trung hay không? Với việc họ vốn đã khó xử lý các con đường hai chiều, câu trả lời có vẻ là "không". Nhưng đó là việc của các luật sư và Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA). Câu hỏi thứ hai — và là câu hỏi chúng ta có thể tự trả lời bằng vật lý — là làm sao nguyên mẫu Roadster 2 làm được những điều đó?

Chạy lên tường bằng cách nào?

Hãy bắt đầu với cảnh chiếc xe chạy lên một đoạn dốc hình tròn rồi dính chặt vào đó kiểu Người Nhện, hoàn toàn lộn ngược. Đây là điều mà không ai nên thử, nhưng tính năng này của Roadster 2 thực chất có thể cải thiện hiệu năng trên đường bình thường. Tất cả nhờ vào lực ma sát.

Khi hai bề mặt tiếp xúc — như lốp cao su và mặt đường — sẽ xuất hiện một lực ngăn chúng trượt lên nhau. Tương tác này gọi là ma sát tĩnh. Độ lớn của lực ma sát tĩnh phụ thuộc vào áp lực đẩy hai bề mặt vào nhau (lực pháp tuyến) và loại vật liệu của hai bề mặt (hệ số ma sát). Hệ số ma sát tĩnh thực tế tối đa khoảng 1, và với cao su trên nhựa đường, con số này vào khoảng 0,6.

Khi một chiếc xe thường cố chạy lên dốc nghiêng, ba lực quan trọng xuất hiện: lực ma sát, lực pháp tuyến và trọng lực. Khi độ nghiêng tăng lên, thành phần trọng lực vuông góc với mặt đường giảm đi, kéo theo lực pháp tuyến và lực ma sát tối đa cũng giảm. Nếu lực ma sát nhỏ hơn thành phần trọng lực kéo xe xuống dốc, xe sẽ bị trượt. Với hệ số 0,6, góc nghiêng tối đa chỉ khoảng 31 độ — chưa gần tới mức thẳng đứng.

Vậy làm sao xe có thể chạy lên tường thẳng đứng? Câu trả lời là tăng lực pháp tuyến, và kéo theo đó là lực ma sát. Với tường thẳng đứng, lực ma sát phải cân bằng đúng với trọng lực để xe không bị trượt xuống.

Đây chính là chiêu đầu tiên của Roadster 2. Chiếc xe dùng quạt thổi không khí ra khỏi gầm, kết hợp với các cánh chắn hai bên để giảm áp suất dưới gầm xe — tương tự cách một chiếc máy hút bụi hoạt động.

Tính toán nhanh cho vui: với trọng lượng mục tiêu khoảng 1.700 kg và diện tích tiếp xúc ước chừng 2 mét vuông, áp suất dưới gầm xe cần giảm xuống còn khoảng 86% áp suất khí quyển để xe dính được vào tường. Con số này hoàn toàn khả thi. Dĩ nhiên, vì lớp đệm quanh gầm không kín hoàn toàn, quạt sẽ phải liên tục hút khí ra.

Sơ đồ lực tác động khi xe chạy trên mặt phẳng nghiêng

Màn lộn ngược của Roadster 2 tạo hiệu ứng quảng cáo mạnh mẽ, nhưng lực hút này thực sự có ứng dụng quan trọng khi xe chạy đúng chiều. Lực ma sát chính là thứ giúp xe tăng tốc. Càng nhiều ma sát, hiệu năng càng cao. Ép xe xuống mặt đường cho phép tăng tốc nhanh hơn, phanh gấp hơn và vào cua sắc hơn. Các hãng xe hiệu năng cao đã tận dụng nguyên lý này từ nhiều thập kỷ, dù chưa ở mức độ như nguyên mẫu mới của Tesla.

Từ 0 đến 100 km/h trong chưa đầy 1 giây

Roadster 2 còn tự hào với khả năng tăng tốc từ 0 đến 100 km/h (0-60 mph) trong chưa đầy một giây. Với xe truyền thống, điều này là bất khả thi. Bởi xe thường dùng lực ma sát giữa lốp và mặt đường để tăng tốc, nên bị giới hạn bởi hệ số ma sát. Với hệ số 0,6, kỷ lục tốt nhất là khoảng 4,56 giây. Lốp tốt hơn hay lực ép khí động học cũng không đủ để đạt 100 km/h trong một giây.

Roadster 2 dựa vào một dạng lực khác: khí nén phun ra phía sau. Đây chính là nguyên lý của tên lửa. Hãy hình dung thí nghiệm đơn giản với một chiếc xe đồ chơi gắn quả bóng bay. Khi thả bóng, cao su căng ra đẩy không khí ra ngoài qua một ống gắn kèm. Vì không khí có khối lượng, cần một lực để tăng tốc nó từ trạng thái đứng yên lên vận tốc phun.

Điều thú vị của lực là chúng luôn là tương tác giữa hai vật. Khi thành bóng đẩy không khí, không khí đẩy ngược lại với lực tương đương — đó là định luật thứ ba của Newton. Lực đẩy ngược này tác động lên xe và khiến nó tăng tốc. Thay vì quả bóng bay, Roadster 2 dùng một bình khí nén.

"Xe bay" — theo một nghĩa nào đó

Giờ đến phần xe bay. Roadster 2 dùng chính phương pháp khí nén để đẩy xe lên khỏi mặt đất. Nhưng gọi đây là "bay" thì hơi quá, nhất là khi bình khí chỉ duy trì lực đẩy được vài giây trước khi áp suất tụt xuống. Khi áp suất bình giảm, không khí phun ra chậm hơn và lực đẩy yếu đi. Một chiếc xe bay thực thụ lẽ ra phải duy trì được ít nhất 10 phút trên không.

Vấn đề thứ hai là gia tốc. Vì tên lửa chỉ hoạt động trong thời gian ngắn, chúng phải tạo lực rất lớn để thay đổi vận tốc và giúp xe nhảy qua một chiếc xe tải hay chướng ngại vật. Nhưng lực lớn đồng nghĩa với gia tốc lớn, và gia tốc lớn thường không tốt cho con người.

Đồ thị vị trí theo thời gian của Roadster 2 trong cú nhảy

Phân tích video cú nhảy qua xe Tesla Semi (cao khoảng 4 mét) cho thấy gia tốc thẳng đứng ước tính vào khoảng 98 mét/giây bình phương — tương đương khoảng 10 lần trọng lực (10 g). Con người có thể chịu được mức này trong thời gian ngắn, nhưng sẽ rất khó chịu và vẫn tiềm ẩn rủi ro. Có lẽ đây chính là lý do màn trình diễn này có một robot ngồi sau vô lăng thay vì người thật.

Những màn trình diễn của Roadster 2 cho thấy tiềm năng to lớn của việc kiểm soát lực và áp suất trong thiết kế xe. Nhưng trước khi chúng ta thấy xe bay trên đường phố, còn rất nhiều câu hỏi về an toàn, luật pháp và tính thực tiễn cần được giải đáp.

Với người dùng Việt Nam, những công nghệ như lực ép khí động học chủ động hay hệ thống điều khiển áp suất gầm xe có thể là xu hướng đáng theo dõi trong ngành xe điện, dù khó có thể sớm xuất hiện trên đường phố trong nước. Trước mắt, đây vẫn là một màn trình diễn kỹ thuật ấn tượng — nơi vật lý cơ bản được đẩy đến giới hạn để tạo ra những hình ảnh khó tin.