Tại sao đạp ga lên 120 km/h lại "ngốn xăng - đốt tiền" nhanh đến vậy?

Dữ liệu từ Bộ Năng lượng Mỹ cho thấy một chiếc xe hơi chạy xăng cỡ trung bình điển hình đạt hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu cao nhất ở tốc độ khoảng 90 km/h. 

Khi chiếc xe đó đạt tốc độ 120 km/h, mức tiêu thụ nhiên liệu có thể tăng khoảng 25% so với khi lái xe ở tốc độ 70 km/h. Cùng một chiếc xe, cùng một con đường, chỉ khác tốc độ mà hao xăng chênh nhau đến vậy. Tại sao?

Lực cản không khí

Khi xe đứng yên, không khí chẳng làm phiền bạn. Nhưng ngay khi bánh xe lăn, xe phải "húc" vào một "bức tường" không khí vô hình, và bức tường đó ngày càng dày hơn, cứng hơn khi bạn tăng tốc.

Ở tốc độ cao tốc, lực cản khí động học chiếm khoảng 60% năng lượng mà động cơ xe phải tiêu thụ. Nghĩa là quá nửa số xăng bạn đổ vào chỉ để… chống lại gió. Không phải để tiến về phía trước. 

Phương trình thay đổi mọi thứ

Vật lý học mô tả lực cản này bằng Phương trình lực cản khí động học, trong đó tốc độ không phải nhân một lần, mà được nhân với bình phương của chính nó.

Điều đó có nghĩa gì? Khi tốc độ tăng lên, sức cản không khí tăng theo cấp số nhân, ngay cả một mức tăng tốc nhỏ cũng đòi hỏi năng lượng nhiều hơn rất nhiều so với tưởng tượng. 

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lực cản, bao gồm mật độ không khí, hình dạng xe và diện tích mặt cắt ngang, nhưng tốc độ đóng vai trò lớn nhất vì vận tốc được bình phương trong phương trình. Điều đó có nghĩa là lực cản khí động học không tăng tuyến tính với tốc độ. Thay vào đó, ngay cả những sự tăng tốc độ nhỏ cũng tạo ra lực cản lớn hơn một cách không tương xứng.

Hãy tính cụ thể: Xe chạy ở tốc độ 120 km/h nhanh hơn xe chạy ở tốc độ 70km/h khoảng 1,7 lần. Nhưng vì tốc độ được bình phương trong phương trình, xe ở tốc độ cao phải đối mặt với lực cản không khí lớn hơn 2,8 lần (gần gấp 3 lần).

Mặc dù các xe hiện đại được thiết kế cẩn thận để giảm lực cản thông qua hình dáng thân xe thon gọn hơn và tối ưu hóa luồng không khí, chúng vẫn không thể thoát khỏi các định luật vật lý cơ bản.

Để vượt qua lực cản đó, động cơ cần tiêu thụ nhiều năng lượng hơn đáng kể, điều này trực tiếp dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn. Ở tốc độ cao trên đường cao tốc, lực cản khí động học trở thành một trong những lực lớn nhất tác động lên xe, vượt qua lực cản lăn của lốp và nhiều tổn thất hiệu suất khác.

Đó là lý do tại sao xe hơi "ngốn xăng" kinh khủng ở tốc độ cao, dù bạn chỉ nhấn ga thêm một chút.

Điều này có tác động lớn đến người lái xe khi phải đối mặt với giá nhiên liệu biến động. Nhiên liệu vẫn là một trong những khoản chi phí định kỳ lớn nhất đối với chủ sở hữu xe sau chi phí vay mua và khấu hao, khiến thói quen lái xe tiết kiệm nhiên liệu ngày càng trở nên quan trọng.

Tốc độ lý tưởng để tiết kiệm xăng

Hiểu được điều này, các kỹ sư ô tô dành hàng nghìn giờ trong hầm gió để tối ưu từng đường cong, từng góc cạnh của xe. Các tính năng như cửa gió tản nhiệt chủ động, tay nắm cửa phẳng và các tấm ốp gầm xe trơn tru đều được thiết kế để giảm thiểu sự nhiễu loạn ở tốc độ cao.

Tuy nhiên, ngay cả những chiếc xe sản xuất hàng loạt có tính khí động học tốt nhất cũng không thể hoàn toàn khắc phục được mối quan hệ hàm mũ giữa tốc độ và lực cản. 

Trên thực tế, lái xe chậm hơn một chút trên đường cao tốc vẫn là một trong những cách đơn giản và hiệu quả nhất để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu mà không cần thay đổi xe hoặc giảm số km lái xe.

Tốc độ lý tưởng nằm ở khoảng 80–90 km/h, nơi lực cản khí động học chưa leo thang quá mạnh mà xe vẫn di chuyển hiệu quả.