Dù sở hữu đội ngũ kỹ sư lốp chuyên biệt cùng các công cụ mô phỏng tiên tiến nhất. Tuy nhiên, đặc tính của lốp đua vẫn biến động rất khó lường, khiến việc dự đoán chính xác gần như là bất khả thi.
Bên cạnh đó, chúng ta thường được nghe về chuyện lốp xuống cấp. Vậy thực chất sự xuống cấp của lốp là gì và vì sao lốp lại xuống cấp? Bài viết này sẽ làm rõ các nguyên lý tạo nên độ bám, cùng những cơ chế dẫn đến sự xuống cấp hiệu năng của lốp.
Lốp xe hoạt động như thế nào?
Một chiếc xe chỉ tiếp xúc với mặt đường thông qua bốn vùng tiếp xúc nhỏ giữa lốp và mặt đường. Vì vậy, toàn bộ năng lượng từ động cơ hoặc pin phải được truyền qua lốp, rồi chuyển hóa thành độ bám để chiếc xe có thể di chuyển.
Độ bám (grip) là hệ số ma sát giữa lốp và mặt đường, phản ánh khả năng "bám dính" của lốp. Độ bám của lốp càng cao, mô-men xoắn từ động cơ / pin càng được truyền hiệu quả thành lực kéo, giúp xe tăng tốc mà không bị trượt lốp.
Nguyên lý này tương tự như giày thể thao. Khi chạy với một đôi giày đã mòn đế, bạn khó tạo đủ độ bám để đạp xuống mặt đất, dễ dẫn đến trượt. Ngược lại, một đôi giày mới với đế dày và rãnh rõ hơn sẽ tạo ma sát tốt hơn, giúp bạn tăng tốc, đổi hướng hoặc dừng lại đột ngột mà vẫn giữ được độ ổn định.
Lốp xe tạo ra độ bám như thế nào?
Để hiểu về độ bám, trước hết cần xem xét cách cao su hoạt động. Cao su là một vật liệu đàn hồi (viscoelastic), nghĩa là khi bị kéo giãn, nó có thể trở lại hình dạng ban đầu nhưng cần một khoảng thời gian nhất định. Trong quá trình đó, một phần năng lượng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt. Hiện tượng này được gọi là tổn hao trễ (hysteresis). Đây cũng là lý do nhiệt độ lốp tăng lên trong mỗi vòng chạy, khi cao su liên tục bị biến dạng và sinh nhiệt.
Một ví dụ dễ hình dung là blu tack (đất sét dính đa năng tái sử dụng, giúp thay thế đinh / băng dính để cố định vật nhẹ (poster, tranh, đồ trang trí) trên tường mà không gây hư hại). Ban đầu, vật liệu này khá cứng và lạnh khi chạm vào, nhưng khi bị bóp và kéo giãn liên tục, nó sẽ dần ấm lên, trở nên mềm dẻo và "dính" hơn.
Đặc tính đàn hồi nhớt của cao su cho phép lốp tạo ra độ bám theo hai cơ chế chính:
- Biến dạng bề mặt (indentation): Độ nhám của mặt đường tác động lên cao su, khiến lốp bị biến dạng. Do cao su không lập tức trở lại hình dạng ban đầu, sự biến dạng này trở nên không đối xứng, từ đó sinh ra lực ma sát.
- Bám dính phân tử (adhesion): Các phân tử cao su tương tác và "bám" vào bề mặt đường. Khi lốp lăn, các liên kết này bị kéo giãn, chính độ nhớt của cao su chống lại sự biến dạng đó, tạo ra lực ma sát.
Phạm vi hoạt động của lốp là gì?
Để lốp tạo ra độ bám tối đa thông qua hai cơ chế bám dính phân tử và biến dạng bề mặt, cao su cần đạt trạng thái đủ mềm và linh hoạt. Điều này chỉ xảy ra khi lốp vận hành trong khoảng nhiệt độ tối ưu, hay còn gọi là phạm vi hoạt động (working range) của lốp.
"Phạm vi hoạt động của lốp là dải nhiệt độ mà tại đó lốp tạo ra độ bám tối đa", Simone Berra - kỹ sư trưởng F1 (F1 Chief Engineer) tại Pirelli giải thích. "Nếu lốp quá lạnh, hợp chất cao su sẽ trở nên cứng. Ngược lại, khi quá nóng, độ cứng vật liệu (modulus) sẽ suy giảm và lốp bắt đầu mất hiệu năng. Cả hai trường hợp đều làm giảm độ bám, vì vậy các đội luôn tìm cách duy trì lốp trong phạm vi hoạt động để khai thác hiệu suất tối đa."
Hiện tại, Pirelli cung cấp năm loại lốp trơn (slick) cho F1: C1, C2, C3, C4 và C5, cùng với lốp mưa (wet) và lốp trung gian (intermediate). C1 là loại cứng nhất, và với mỗi cấp tiếp theo thì lốp sẽ mềm dần, với C5 là loại mềm nhất.
Cả hợp chất lốp cứng và mềm đều có thể được thiết kế để hoạt động trong các phạm vi hoạt động khác nhau. Trong F1, Pirelli thường ghép hợp chất mềm với phạm vi hoạt động ở nhiệt độ thấp, và hợp chất cứng với phạm vi hoạt động ở nhiệt độ cao.
Các hợp chất mềm linh hoạt hơn, nên cao su biến dạng nhiều hơn khi vận hành và tự sinh nhiệt nhanh. Khả năng "tăng nhiệt" tốt giúp lốp mềm sớm đạt độ bám tối ưu, phù hợp với điều kiện nhiệt độ thấp. Ngược lại, nếu làm việc trong dải nhiệt cao, lượng nhiệt tích tụ lớn có thể khiến lốp quá nhiệt và xuống cấp nhanh.
Trong khi đó, hợp chất cứng có độ cứng cao hơn, nên tự sinh nhiệt ít hơn. Chúng phụ thuộc nhiều vào năng lượng từ các góc cua tốc độ cao và bề mặt đường nhám để kích thích cao su. Điều này khiến nhiệt độ lốp có thể tăng cao hơn trong điều kiện phù hợp, do đó thích hợp với khoảng làm việc ở nhiệt độ cao.
"Lốp mềm dễ đạt nhiệt độ tối ưu hơn, nên phù hợp với điều kiện mát mẻ và các chặng đua có ít góc cua tốc độ cao, nơi việc đưa đủ năng lượng vào lốp thường khó khăn", Eric Blandin nhận định. "Ngược lại, lốp cứng bền bỉ hơn, có thể tạo độ bám tốt trên các đường đua có nhiệt độ mặt đường cao và độ nhám lớn, mà không bị quá nhiệt hay làm hỏng bề mặt lốp."
Sự xuống cấp của lốp xe là gì?
Khi lốp không tạo đủ độ bám, nó sẽ trượt trên mặt đường. Hiện tượng trượt này làm nhiệt độ tăng cao, dẫn đến hai dạng xuống cấp chính: phân hủy nhiệt (thermal degradation) và mài mòn (wear).
Phân hủy nhiệt xảy ra khi cao su bị quá nhiệt, khiến đặc tính vật liệu thay đổi và hợp chất trở nên cứng hơn. Khi đó, lốp khó "bám" vào mặt đường như trước, diện tích tiếp xúc của lốp giảm và nó mất đi độ bám rõ rệt.
Mài mòn xảy ra khi lốp trượt trên mặt đường, làm các lớp cao su bị bào mòn và hư hại bề mặt. Khi lượng cao su tiếp xúc với đường giảm, độ bám cũng giảm theo.
Trong F1, có một số cơ chế mài mòn đặc trưng:
- Mài mòn bề mặt (abrasion): Khi lốp trượt, các phần cao su nhỏ bị bào mòn dần, tạo thành bề mặt có các vết gờ và đốm tương đối đồng đều. Đây là dạng mài mòn "bình thường".
- Tạo hạt (graining): Dạng mài mòn nặng hơn, khi cao su bị xé khỏi bề mặt và cuộn lại thành các hạt nhỏ, tương tự như khi kéo cục tẩy trên giấy. Bề mặt lốp xuất hiện các vệt gợn sóng, nhìn từ xa giống một dải tối.
- Nổi bọt (blistering): Khi cao su quá nhiệt, lớp bên trong có thể "sôi lên", tạo bong bóng rồi vỡ ra, làm bong tróc các mảng cao su trên bề mặt. Hiện tượng này hiếm gặp với hợp chất lốp hiện đại, nhưng đôi khi vẫn xuất hiện ở vùng giữa hoặc mép ngoài của lốp.
Vì sao lốp đua xuống cấp nhanh hơn lốp đường phố?
Để đạt thời gian vòng đua nhanh, xe đua cần tạo ra mức độ bám cực lớn, phục vụ tăng tốc, phanh và vào cua ở tốc độ cao. Vì vậy, lốp sử dụng trong đua xe có hợp chất mềm hơn đáng kể so với lốp đường phố.
Hợp chất mềm giúp lốp nhanh chóng đạt nhiệt độ làm việc, tăng độ "bám dính" và mở rộng diện tích tiếp xúc (contact patch), từ đó tạo ra độ bám cao hơn. Tuy nhiên, các tải dọc và ngang rất lớn, cùng với hiện tượng trượt liên tục, khiến lốp đua bị mài mòn và xuống cấp nhanh chóng.
Ngược lại, xe đường phố vận hành ở tốc độ thấp hơn, yêu cầu độ bám không quá cao. Do đó, lốp có thể sử dụng hợp chất cứng hơn, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và ít bị mài mòn. Trên thực tế, một bộ lốp xe dân dụng có thể bền tới khoảng 40.000 dặm (64.000 km), trong khi khoảng thời gian làm việc (stint) dài nhất của lốp F1 mùa trước chỉ đạt khoảng 188 dặm (302,5 km).
Pirelli đã cải thiện khả năng chống mòn lốp như thế nào?
Việc đưa vào sử dụng bộ mâm 18 inch cùng kích thước lốp lớn hơn từ năm 2022 đã mở ra cơ hội để Pirelli phát triển thế hệ hợp chất mới, nhằm hạn chế tình trạng quá nhiệt từng xuất hiện ở các mùa giải trước. "Để đạt được điều đó, chúng tôi cần những hợp chất có phạm vi hoạt động rộng hơn, đặc biệt ở dải nhiệt độ cao", Simone Berra cho biết. "Chúng tôi đã phối hợp với bộ phận vật liệu để phát triển các hợp chất đáp ứng yêu cầu này, và hiện tượng quá nhiệt đã giảm đáng kể."
Hiện tượng mài mòn và rách bề mặt vẫn xuất hiện, nhưng đó là hệ quả tất yếu khi các hợp chất bị đẩy tới giới hạn cơ học. "Chúng tôi vẫn đang cải thiện bằng cách thiết kế lốp có mức mài mòn đồng đều hơn, tránh tình trạng chỉ một phần bề mặt bị xuống cấp, qua đó kéo dài tuổi thọ tổng thể của lốp", Berra nói thêm.
Dù những cải tiến này mang lại hiệu suất cao hơn, yếu tố giải trí cũng cần được duy trì. Lốp quá bền sẽ làm giảm nhu cầu dừng pit – một phần quan trọng trong chiến thuật của chặng đua. Vì vậy, Pirelli phải cân bằng giữa hiệu năng tối đa cho các đội và yêu cầu về tính cạnh tranh theo quy định của FIA.