Tại sao lốp xe bơm hơi được sử dụng phổ biến?

Lốp xe bơm hơi có nhiều nhược điểm. Chúng có thể quá đầy hơi vào mùa hè, quá ít hơi vào mùa đông hay bất ngờ nổ trên đường cao tốc. Vậy tại sao ngày nay thế giới vẫn sử dụng lốp xe bơm hơi?

Bằng sáng chế đầu tiên cho lốp bơm hơi được cấp tại Anh vào năm 1845, chủ nhân là nhà phát minh Robert William Thomson ở Middlesex, Anh. "Trong mọi phần của vòng quay, các bánh xe sẽ tạo một lớp đệm không khí trên mặt đất, đường ray hoặc loại đường khác mà chúng chạy trên đó", ông miêu tả thiết kế của mình.

"Tôi đã phát minh hay phát hiện một cải tiến mới và hữu ích cho bánh xe ngựa, cải tiến này cũng có thể áp dụng cho các vật thể lăn khác", Thomson viết thêm. Ông cho biết, việc thêm vòng đệm đàn hồi quanh bánh xe giúp giảm lực cần thiết để kéo xe, khiến chúng chuyển động dễ dàng hơn và giảm tiếng ồn phát ra khi chạy.

Phát minh này xuất hiện rất lâu trước sự ra đời của cao su tổng hợp, loại vật liệu chiếm phần lớn trong lượng cao su dùng cho ngành công nghiệp lốp ngày nay. Do đó, Thomson khuyến nghị sử dụng cao su lưu huỳnh hoặc vật liệu gutta-percha rồi bơm hơi.

Đây là một phát minh đột phá: dễ làm, chi phí thấp và có thể mang đến những cải tiến lớn cho cuộc sống hàng ngày. Nhưng thật kỳ lạ khi nó không phát triển thêm trong suốt nhiều thập kỷ và phải cần đến một nhà phát minh khác mới có thể thực sự khiến lốp bơm hơi trở nên phổ biến.

John Boyd Dunlop là bác sĩ thú y người Scotland nhưng đã chuyển đến Belfast, Bắc Ireland, sinh sống. Năm 1888, nhìn con trai vất vả đạp xe ba bánh trên con đường đầy sỏi, ông được truyền cảm hứng để phát minh - hay tái phát minh - lốp hơi nhằm giúp cậu bé thoát khỏi những cơn đau nhức.

Tương tự Thomson, thiết kế của ông sử dụng cao su xử lý với lưu huỳnh - phương pháp do Charles Goodyear phát triển vào năm 1844 và ngày nay gọi là lưu hóa. Nhưng điểm khác biệt là lốp của Dunlop thành công nhanh chóng.

Thứ nhất, ông thực sự sản xuất và bán chúng, điều này rất hữu ích nếu muốn thành công về mặt thương mại. Thứ hai, ông cũng gặp may mắn. "Sự bùng nổ xe đạp lên đến đỉnh điểm khi nhà vô địch đua xe đạp người Ireland Willie Hume mua một bộ lốp Dunlop cho chiếc xe của mình ngay năm sau", tác giả Suze Clemitson giải thích trong cuốn sách A History of Cycling in 100 Objects xuất bản năm 2017. Hume trở thành tay đua xe đạp đầu tiên dùng lốp bơm hơi trong cuộc thi và người ta nói rằng việc lái trên những chiếc lốp này mang lại chiến thắng.

Hai lợi thế rõ ràng của lốp bơm hơi so với những loại lốp cứng trước đây là nâng cao tốc độ và sự thoải mái, êm ái. Vậy tại sao không khí lại được chọn để bơm?

Là chất khí, không khí có thể nén nhiều hơn bất cứ vật liệu rắn nào - điều này rất quan trọng khi chỉ có 4 bánh xe để chịu trọng lượng của một chiếc ôtô nặng tới 1.600 kg. Kể cả những phương tiện nhẹ hơn như xe đạp chắc chắn cũng làm bánh biến dạng một chút - đây là điều tốt vì giúp tăng phần bánh chạm xuống đường, cung cấp thêm lực kéo cho xe - và với lốp bơm hơi, điều này đòi hỏi ít năng lượng hơn nhiều so với lốp đặc. Đây là lý do tại sao những người đầu tiên sử dụng lốp của Dunlop lại đạp xe nhanh hơn đối thủ rất nhiều. Lốp bơm hơi giúp xe dễ di chuyển hơn ở tốc độ cao hơn, mức tiêu tốn năng lượng cũng thấp hơn.

Trong vật lý, đây được gọi là "lực cản lăn": năng lượng mà lốp xe tiêu thụ trên một đơn vị quãng đường đi được. Hiểu đơn giản, lực cản lăn thấp sẽ tốt hơn, và lốp bơm hơi có lợi thế hơn lốp đặc. Nguyên nhân không chỉ là tính dễ uốn mà còn vì không khí nhẹ hơn cao su đặc. Với cùng sự biến dạng, vật thể càng nặng thì càng tỏa nhiệt, và sự mất nhiệt đó dẫn đến lực cản lăn cao hơn.

Tất cả những ưu điểm trên càng trở nên rõ ràng khi người lái phóng xe trên đường với tốc độ gần 100 km/h và bất ngờ gặp ổ gà. Ở tốc độ đó, một chướng ngại vật sắc nhọn xuất hiện đột ngột sẽ gây ra cú xóc cực mạnh cho bánh xe đặc - loại bánh xe chỉ có thể hấp thụ chấn động cục bộ. Trong khi đó, không khí sẽ làm tiêu tán tác động trên toàn bộ bánh xe, giúp lái xe êm ái hơn.

Thu Thảo (Theo IFL Science)