Cách thức hoạt động của má phanh xe đạp: Khoa học đằng sau sức mạnh dừng xe

Bạn có bao giờ tự hỏi tại sao má phanh nhỏ trên xe đạp có thể giúp người lái và xe dừng lại nhanh chóng không?

Hầu hết mọi người đều biết chức năng của má phanh - chúng giúp xe dừng lại. Nhưng ít ai hiểu rõ cách thức hoạt động thực sự của chúng. Đằng sau mỗi cú dừng êm ái và đổ đèo có kiểm soát là sự kết hợp giữa vật lý, kỹ thuật và khoa học vật liệu thông minh!

Chúng ta hãy cùng phân tích cơ sở khoa học đằng sau má phanh và lý do khiến một số loại má phanh hoạt động tốt hơn những loại khác.

1. Những điều cơ bản: Chuyển động thành nhiệt

Bạn còn nhớ trong lớp khoa học, chúng ta đã học rằng năng lượng không thể tự sinh ra hay tự mất đi, mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác không? Đó chính là điều xảy ra trong quá trình phanh!

Khi xe đạp của bạn di chuyển, nó có động năng - năng lượng chuyển động.

Động năng có thể được tính bằng:

0,5 x khối lượng của hệ x bình phương vận tốc.

Vì vậy, chúng ta thấy rằng tổng động năng phụ thuộc vào 2 biến:

1) khối lượng của người lái và xe đạp

2) vận tốc (bạn đang di chuyển nhanh như thế nào).

Khối lượng hệ thống và/hoặc vận tốc càng lớn thì năng lượng càng lớn. Tuy nhiên, vận tốc có tác động rất lớn đến tổng năng lượng do động năng là một hàm số của bình phương vận tốc.

Mỗi khi tốc độ của bạn tăng gấp đôi, tổng động năng sẽ tăng gấp bốn lần! Đây là lý do tại sao phanh chắc chắn và đáng tin cậy lại rất quan trọng khi đạp xe xuống dốc!

Đối với phanh đĩa thủy lực, loại phanh rất phổ biến hiện nay trên hầu hết các loại xe đạp, khi bạn kéo cần phanh, phanh sẽ được đẩy đến:

1. Bộ kẹp phanh đẩy má phanh vào đĩa phanh
2. Ma sát giữa má phanh và rô-to chuyển đổi động năng thành năng lượng nhiệt, thậm chí có khả năng chuyển đổi cả năng lượng âm thanh (tiếng phanh rít) 😖
3. Rotor và không khí xung quanh nó sẽ tản nhiệt.

Đây là một quá trình chuyển đổi chính xác: chuyển động (động năng) > ma sát > nhiệt (nhiệt năng) > xe đạp dừng lại.

Ma sát quá yếu = phanh kém.

Quá nhiều nhiệt = phanh bị phai màu, má phanh bị bóng và thậm chí là cong vênh đĩa phanh!

Đây là lý do tại sao thiết kế má phanh tập trung vào việc kiểm soát ma sát và nhiệt, chứ không chỉ tạo ra chúng.

2. Ma sát: Nền tảng của lực phanh

Má phanh giúp xe đạp của bạn dừng lại nhờ hai loại ma sát:

Ma sát dính

Khi má phanh ép vào đĩa phanh trong lúc đĩa phanh chuyển động, ma sát và nhiệt sẽ truyền một lớp vật liệu má phanh lên đĩa phanh . Lớp này được gọi là lớp truyền - hãy tưởng tượng mặt đường khi xe bị cháy lốp hoặc trôi.

Lớp chuyển tiếp này chính là lý do tại sao việc lắp đĩa phanh đúng cách lại quan trọng đến vậy! Bất kỳ người đi xe đạp nào sử dụng phanh đĩa đều có thể chứng minh được lực phanh của phanh đĩa yếu như thế nào cho đến khi được lắp đúng cách.

Khi phanh, lớp truyền lực này sẽ liên kết và phanh tạm thời , làm chậm xe đạp của bạn lại và ít gây hư hại hơn so với loại ma sát khác mà chúng ta sẽ đề cập: ma sát mài mòn.

Ma sát mài mòn

Hiện tượng này xảy ra khi bề mặt má phanh cọ xát nhẹ vào đĩa phanh . Mỗi lần cọ xát, nó lại loại bỏ một lớp vật liệu nhỏ, chuyển hóa năng lượng thành nhiệt. Điều này dẫn đến má phanh mòn nhanh hơn và đĩa phanh bị hỏng, nhưng đây là cái giá không thể tránh khỏi khi bạn dừng xe! Năng lượng phải được chuyển đi đâu đó...

3. Nhiệt độ: Kẻ thù tiềm ẩn

Trong quá trình phanh gấp, nhiệt độ tại giao diện má phanh và rô-tơ có thể lên tới 250 °C !

Ví dụ:
Một người lái xe nặng 75kg và một chiếc xe đạp 9kg chạy với tốc độ 40km/h mang theo khoảng 5185J động năng. Trong một lần phanh gấp từ 40km/h đến khi dừng hẳn, hai đĩa phanh sẽ nóng lên khoảng 47 °C . Điều này được tính toán bằng phương trình truyền nhiệt cơ bản.

Δ T =Q/( m × c) , Ở đâu:

• $Q$ là năng lượng nhiệt (động năng của 5185J),
• $m$ là khối lượng của rôto (giả sử là 110g) và
• $c$ là nhiệt dung riêng của vật liệu rôto (giả sử là thép không gỉ).

Chúng tôi cũng giả định rằng lực phanh cuối cùng được phân bổ giữa 2 rôto giống hệt nhau và không có sự truyền nhiệt giữa hệ thống không khí và rôto.

Thay đổi một chút, giả sử chúng ta phanh ở tốc độ 50km/h trong cùng điều kiện như trước, các rô-tơ riêng lẻ sẽ nóng lên 88 °C ! Lưu ý, điều này chưa tính đến nhiệt độ môi trường.

Chúng ta có thể thấy đĩa phanh và má phanh phải chịu được lực va đập lớn như thế nào, đặc biệt là khi xuống dốc nhanh và dài hoặc khi sử dụng các hệ thống nặng hơn như xe đạp điện.

Tất nhiên, má phanh và rotor cần phải xử lý lượng nhiệt này một cách hợp lý. Nếu không, các vấn đề sẽ bắt đầu:

• Phanh bị phai: Khi quá nhiệt, vật liệu má phanh mất ma sát, dẫn đến lực phanh giảm đột ngột. Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất má phanh như Shimano bổ sung các cánh tản nhiệt vào mặt sau của má phanh.
• Làm bóng: Đây là lúc miếng đệm tan chảy một chút, cứng lại và trở nên nhẵn - làm giảm độ bám.
• Rotor cong vênh: Sự giãn nở nhiệt không đều làm cong rotor, gây ra hiện tượng xung hoặc cọ xát.

Nếu bạn từng thấy rotor thép chuyển sang màu vàng/nâu/tím/xanh lam, thì đây là dấu hiệu cho thấy thép đã bắt đầu bị oxy hóa, biểu thị nhiệt độ trên 200 °C.

4. Cân bằng tất cả: Nhiệt, lực kéo, khả năng kiểm soát

Trên thực tế, cả ma sát và khả năng quản lý nhiệt đều quyết định hiệu suất của hệ thống phanh xe đạp. Nhưng cũng giống như ô tô, phanh xe đạp không thể tạo ra lực vô hạn hoặc chịu được nhiệt độ khắc nghiệt mãi mãi.

Ngay cả má phanh và đĩa phanh tốt nhất cũng có giới hạn. Nếu ép quá mạnh, chúng sẽ quá nhiệt, bị đóng váng hoặc phai màu. Nhưng còn một giới hạn nữa: lực bám đường .

Dù phanh của bạn có mạnh đến đâu, chúng cũng chỉ có thể dừng hiệu quả khi lốp xe bám đường hoặc đường mòn tốt . Nếu lực phanh vượt quá lực bám đường, lốp xe sẽ bị trượt hoặc mất độ bám, làm giảm khả năng kiểm soát và tăng quãng đường dừng.

Đó là lý do tại sao một hệ thống phanh tốt không chỉ đơn thuần là lực phanh. Mà còn là sự cân bằng giữa:

• Tạo ra đủ ma sát để dừng lại nhanh chóng và an toàn
• Quản lý nhiệt độ để phanh luôn ổn định và
• Phù hợp với sức mạnh đó với khả năng duy trì độ bám đường của lốp xe.

Về mặt thiết kế, phanh xe đạp hiện đại đều hướng đến sự đánh đổi này. Mục tiêu là mang lại hiệu suất phanh tối đa mà không làm giảm khả năng kiểm soát hay độ ổn định , bất kể điều kiện nào - đường nhựa khô, sỏi đá rời rạc hay đường dốc ướt.

5. Vật liệu má phanh

Do có nhiều tình huống khác nhau mà người dùng có thể gặp phải với xe đạp của mình, các nhà sản xuất đã tạo ra nhiều loại má phanh được pha chế từ nhiều hợp chất khác nhau, mỗi loại phù hợp hơn với một đặc điểm lái xe nhất định.

Hợp chất má phanh có thể được tạo ra bằng cách sử dụng rất nhiều loại hợp chất khác nhau, đó là lý do tại sao mỗi nhà sản xuất má phanh đều bảo vệ công thức độc đáo của mình!

Để đọc thêm về các hợp chất chung khác nhau được sử dụng, hãy nhấp vào đây!

6. Suy nghĩ cuối cùng

Phanh không chỉ là lực mà còn là sự kiểm soát, tính nhất quán và sự tự tin . Đằng sau mỗi cú phanh mượt mà là sự cân bằng giữa vật lý và thiết kế vật liệu.

Má phanh của bạn duy trì sự cân bằng đó mỗi khi bạn lái xe. Vì vậy, khi đến lúc thay thế, hãy chọn má phanh được thiết kế dựa trên nền tảng khoa học thực sự. Bởi vì khi nói đến lực phanh, bạn cần một hệ thống phanh đáng tin cậy.

Khám phá Má phanh TracEdge - Được sản xuất bởi các kỹ sư Đài Loan giàu kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế và sản xuất má phanh cho ngành ô tô, đầu máy xe lửa và nông nghiệp!

Với ❤️,
Tim