Khi một chiếc xe phanh gấp, năng lượng sẽ đi đâu?

[Vũ Nguyễn]

Hãy tưởng tượng bạn đang phóng một chiếc xe Lamborghini trên đường với tốc độ 120 km/h thì đèn giao thông chuyển sang màu đỏ… bạn sẽ làm gì?
Nếu không muốn bị phạt, bạn sẽ đạp phanh gấp và dừng xe lại. Chiếc xe của bạn vừa mới tràn đầy năng lượng, vậy năng lượng đó đã đi đâu? Để hiểu câu trả lời, chúng ta cần suy nghĩ về lượng năng lượng mà các vật thể có khi đang chuyển động, cũng như cách chúng thường dừng lại.

Động năng: Năng lượng của sự chuyển động​

Thật dễ hiểu khi một vật thể chuyển động lại có một lượng năng lượng nhất định. Hãy nghĩ đến một quả bóng đá đang lăn, chắc chắn nó có nhiều năng lượng hơn một quả bóng đá đứng yên; nó sẽ không dừng lại cho đến khi năng lượng này bị mất đi. Năng lượng mà một vật thể có khi đang chuyển động được gọi là động năng. Nếu một cầu thủ duỗi chân ra để kiểm soát bóng, năng lượng của quả bóng sẽ được truyền sang chân của cầu thủ khi nó di chuyển về phía sau; một phần năng lượng cũng sẽ được chuyển hóa thành năng lượng âm thanh mà chúng ta có thể nghe được.

Khi một quả bóng như bóng đá lăn trên cỏ, động năng cuối cùng sẽ được cỏ hấp thụ thông qua ma sát. Tuy nhiên, những quả bóng này có rất ít năng lượng, trong khi một chiếc ô tô có khối lượng lớn hơn nhiều sẽ có một lượng năng lượng khổng lồ. Do đó, không thể đơn giản truyền toàn bộ năng lượng đó dưới dạng ma sát cho mặt đường trong một khoảng thời gian ngắn.

Thực tế, nếu bạn di chuyển nhanh gấp đôi, động năng sẽ lớn gấp bốn lần. Toàn bộ năng lượng này phải được tiêu tán trong quá trình phanh để xe có thể dừng lại. Cũng cần lưu ý rằng về cơ bản năng lượng không thể bị phá hủy; chúng ta chỉ có thể kiểm soát nó bằng cách thay đổi hình thức của nó.

Phanh chuyển hóa năng lượng như thế nào?​

Ví dụ, năng lượng để di chuyển xe đến từ việc đốt cháy xăng, nhiên liệu được tiêu thụ trong quá trình này. Đây là một ví dụ về sự chuyển đổi năng lượng, từ các tương tác hóa học trong xăng sang năng lượng chuyển động hay động năng trong xe. Khi dừng xe, động năng phải được chuyển đổi thành một dạng khác, điều này được thực hiện bằng cách tiêu tán động năng của xe dưới dạng nhiệt.

Hầu hết các xe ô tô hiện nay đều sử dụng hệ thống phanh đĩa. Khi bạn nhấn bàn đạp phanh, một quá trình bắt đầu dẫn đến việc kẹp chặt đĩa phanh, được gắn vào bánh xe hoặc trục xe. Việc kẹp chặt này tạo ra ma sát và lực cản lớn đối với chuyển động của bánh xe. Trong quá trình này, đĩa phanh và má phanh tạo ra lượng nhiệt đáng kể.

Quan sát quá trình chuyển đổi năng lượng​

Xe tải có phanh hơi, ô tô hiện đại có phanh đĩa, còn xe đạp chủ yếu dùng phanh vành. Mặc dù có những khác biệt này, quá trình chuyển hóa động năng thành nhiệt năng khá giống nhau ở cả ba loại. Phanh vành kẹp chặt vành bánh xe khi phanh được sử dụng, khiến vành bánh xe trở thành nơi sinh nhiệt. Bạn có thể cảm nhận được điều này khi đi xe đạp sau khi phanh trong thời gian dài, ví dụ như khi xuống dốc dài.

Bạn cũng có thể nhận thấy rằng má phanh bị mòn sau một thời gian. Điều này một phần là do nhiệt độ và một phần là do vành bánh xe kéo các mảnh nhỏ của má phanh ra do lực và ma sát mạnh. Do đó, một phần năng lượng cũng sẽ được dùng để xé ra những mảnh nhỏ của má phanh.

Trong ô tô, nhiệt lượng sinh ra khi phanh có thể lên tới vài trăm độ C, vì ô tô sẽ có động năng lớn hơn nhiều ở cùng tốc độ do khối lượng lớn hơn. Nhiệt lượng này cần được tản ra để các bộ phận phanh không bị hư hỏng vĩnh viễn do tiếp xúc lâu dài với nhiệt. Trên thực tế, trong các xe đua Công thức 1 siêu tốc, các vật liệu đặc biệt được sử dụng cho má phanh và được thiết kế đặc biệt để cho phép nhiều không khí đi qua và tản nhiệt nhanh chóng.

Động năng cũng được chuyển hóa thành âm thanh, có thể nghe thấy như tiếng rít nếu bạn phanh gấp.

Chúng ta có thể tái sử dụng năng lượng không?​

Dù bằng cách nào, động năng của một chiếc xe cũng bị mất vào môi trường xung quanh khi phanh. Tuy nhiên, nhờ sự ra đời của hệ thống phanh tái tạo năng lượng, câu chuyện về năng lượng này đã có một bước ngoặt đầy hứa hẹn.

Trong xe hybrid hoặc xe điện, năng lượng của xe đang di chuyển được thu hồi bởi pin bằng cách chuyển động cơ dẫn động bánh xe thành máy phát điện. Năng lượng động do bánh xe chuyển động cung cấp được máy phát điện chuyển đổi thành năng lượng điện và trả lại cho pin, nơi có thể lưu trữ để sử dụng trong tương lai. Tuy nhiên, ít nhất 30% năng lượng vẫn bị thải ra môi trường, chủ yếu dưới dạng nhiệt.

Lần tới khi bạn lái xe hoặc đá bóng, hãy nhớ rằng năng lượng luôn luôn thay đổi hình thức. Hầu hết thời gian, nó sẽ chuyển từ dạng hữu ích sang dạng vô dụng, chẳng hạn như khi ô tô của chúng ta tiêu tán năng lượng động học dưới dạng nhiệt. Tuy nhiên, với các hệ thống phanh như phanh tái tạo năng lượng, chúng ta đang hướng tới việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn trong ô tô. Năng lượng thu hồi được có thể được sử dụng lại, thay vì bị tiêu tán ra môi trường.

Khi chúng ta tiếp tục đổi mới, hệ thống phanh sẽ thay đổi và động cơ ô tô sẽ tiến bộ, nhưng điều luôn đúng là năng lượng không được "tạo ra" trong động cơ, cũng không bị "mất đi" trong hệ thống phanh.