Xe đạp ra đời và phát triển như thế nào?

Xe đạp là một phương tiện giao thông hai bánh và cũng là dụng cụ thể thao rất phổ biến. Đa số xe đạp chuyển động được nhờ vào lực đẩy của người, giữ thăng bằng nhờ định luật bảo toàn moment động lượng.

Các chuyên gia khảo cổ Ai Cập đã chứng minh được rằng từ hàng ngàn năm trước Công nguyên ở Ai Cập đã xuất hiện một loại xe hai bánh chuyển động bằng cách dùng hai chân để đạp.

XE ĐẠP ĐƯỢC RA ĐỜI NHƯ THẾ NÀO?

Năm 1818, nam tước Karl Freiherr von Drais tưởng tượng ra chiếc xe mang tên ông – xe Draisienne – được xem là tổ tiên của xe đạp. Sau đó, người ta tạo ra những chiếc xe đạp đầu tiên với bánh xe bằng gỗ bọc sắt như bánh xe ngựa. Một chiếc xe đạp khi đó đã được cầu chứng tại toà năm 1818 như sau: Máy được phát minh là cho người ta đi nhanh, lại  gọn gàng, ít nhọc nhằn vì ghế ngồi chịu được trọng lượng của cơ thể và gắn liền trên hai bánh nhường cho bàn chân cử động dễ dàng. Người đi xe ngồi trên thanh ngang, hai tay cầm tay lái. Hai chân thay nhau đạp xuống đất, bơi bơi bơi…

Nam tước Karl Freiherr von Drais

Karl Freiherr von Drais và chiếc Laufmaschine nguyên bản của mình.

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA XE ĐẠP

Bàn đạp xuất hiện

Năm 1861, hai anh em nhà Michaux sửa lại kiểu xe Draisienne. Họ lắp thêm hai bàn đạp (pedal) ở trục bánh trước, cho phép xe chạy mà không cần chống chân xuống đất. Xe này chạy nhanh hơn, dùng chuyển động của bánh xe, tiếng Pháp gọi là Vélocipède (xe chạy nhờ bàn chân), tiếng Anh thông dụng gọi là “Boneshaker”. Nhưng vì cả hai bánh đều nhỏ nên xe chạy chậm, vì chân phải đạp một vòng thì bánh xe mới quay được một vòng.

Bàn đạp gắn trên bánh xe trước.

Xe đạp bánh cao

Vì moment lực đối với trục quay của bánh xe nó đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực và được đo bằng tích của lực với cánh tay đòn của nó.

$M=Fd$

Trong đó: 

• M: moment lực.
• F: lực tác dụng.
• d: cánh tay đòn.

Ở đây độ lớn cánh tay đòn đối với bánh xe là bán kính của nó, vì vậy để xe đi nhanh hơn thì moment của bánh xe phải lớn hay nói cách khác bánh xe phải có bán kính lớn.

Vì vậy, vào khoảng năm 1867, người ta chế ra xe có bánh trước thật to, đặt tên là Grand – Bi. Xe này giúp đi nhanh hơn, nhưng lại khó điều khiển. Bấy giờ, ngành luyện kim đã phát triển, cho phép chế tạo các loại xe Vélocipède và Grand – Bi. Ổ bi giúp giảm ma sát khi bánh xe quay, ít mệt nhọc và ít mòn trục.

Xe đap Ariel với đặc trưng bánh trước to và bánh sau nhỏ.

Năm 1870, một người Anh tên là James Starley sáng chế chiếc xe đạp hoàn toàn bằng kim loại đầu tiên, có tên là Ariel. Bánh xe được bao bọc bởi cao su thay cho vành sắt nặng nề và xóc nẩy trước đây và căm xe (nan hoa) bằng thép cứng, nhỏ giúp giảm trọng lượng.

Xe đạp được gắn sên bánh trước nhưng không được kết nối với bánh sau.

Xe đạp lúc đó còn chạy khó khăn, vì lái bằng bánh trước nên khi chuyển hướng phải dùng bàn chân đạp nên bất tiện hơn. Hơn nữa, vì ngồi trên bánh trước cao ngất ngưởng, muốn xuống xe phải nhảy. Sau đó phát triển nhiều kiểu xe đạp khác như xe ba bánh dành cho phụ nữ mặc váy “lady trik”, hay xe còn có bàn đạp ở bánh sau để giảm bớt nguy hiểm mỗi khi nhảy từ bánh lớn xuống. Trong vòng 15 năm, xe đạp liên tục được cải tiến, hai bánh xe cùng kích thước vừa phải, bàn đạp chuyển từ bánh trước ra khoảng giữa hai bánh (phát minh của Eugène Meyer), hệ thống truyền động bằng dây xích (chain) do Galle phát minh.

Năm 1868, báo chí viết về cuộc đua xe đạp đầu tiên với cự ly 123 km từ Paris đến Rouen, ngày 7/11/1869. Chiến thắng thuộc về một tay đua người Anh sống tại Pháp tên là James Moore.

Các vận động viên trong một cuộc đua xe đạp.

Khung thép và sên nối hai bánh

Năm 1879, hãng Bayliss – Thomas phát minh ra khung xe bằng những ống thép rỗng ruột và được trang bị phuộc trước.

Trong giai đoạn này, nhà phát minh người Anh là Harry John Lawson chế tạo mẫu xe đạp đầu tiên có sử dụng dây sên nối giữa đĩa ở trục bánh sau với bàn đạp của người điều khiển. 

Năm 1880, xe đạp hai bánh ra đời với tên gọi là bicyclette.

Một trong những chiếc xe đạp hoàn chỉnh đầu tiên

được trưng bày tại Bảo tàng xe Vương quốc Anh.

Năm 1885, nhà phát minh người Anh John Kemp Starley, chế tạo ra mẫu xe đạp an toàn với hai bánh xe có kích thước bằng nhau được lắp thẳng hàng trên một khung kim loại rỗng. Xe được trang bị đầy đủ các bộ phận như phanh, hệ thống dây sên – đĩa.

Năm 1888, nhà phát minh người Ireland John Dunlop phát minh ra bánh bơm hơi cho xe đạp, giúp xe vận hành êm ái, nhẹ nhàng hơn trên những con đường gồ ghề, khắc phục nhược điểm của lốp xe đặc ruột. Trước đó, năm 1844 bánh bơm hơi đã có bởi nhà khoa học người Mỹ Charles Goodyear, nhưng không phải để dùng cho xe đạp.

Lốp xe khí nén đầu tiên của Dunlop tại Bảo tàng Quốc gia Scotland.

Trong thập niên 1890 xuất hiện hệ thống phanh (thắng) hoàn chỉnh với bộ càng cua và lực truyền động của tay phanh thông qua dây thép.

Năm 1898, phát minh bánh xe có thể tháo lắp được, thuỷ tổ của cái líp, không bắt buộc người cưỡi xe đạp phải đạp liên tục, kể cả khi xuống dốc.

Quá trình phát triển của xe đạp.

Sang thế kỷ XX thì bộ điều tốc ra đời, cho phép thay đổi pignon hay mâm răng cưa (bằng cách chuyển dây xích đến các vòng to nhỏ khác nhau), phù hợp với tải trọng và tốc độ của xe.

Hệ thống truyền lực và chuyển động có tác dụng truyền lực và truyền động. Khi chúng ta đạp bàn đạp, lực truyền qua đùi xe làm trục giữa quay, đĩa quay kéo xích chuyển động, xích kéo líp cùng bánh sau quay (bánh chủ động), khi bánh xe quay và lăn trên mặt đường làm cho xe chuyển động về phía trước. Nguyên tắc truyền động như sau: Lực từ chân người đạp $\to$ bàn đạp $\to$ đùi xe $\to$ trục giữa $\to$ đĩa $\to$ xích $\to$ líp $\to$ bánh xe sau $\to$ xe chuyển động.

Để xe chuyển động nhanh, ít tốn sức lực người ta đã thiết kế phần đĩa có bán kính lớn (cánh tay đòn lớn) dẫn đến moment lực lớn, và được truyền đến líp có bán kính nhỏ hơn nên sẽ quay được nhiều vòng hơn. Như vậy, khi người đi xe chỉ cần bỏ ra một ít sức lực nhưng tốc độ của xe đạp sẽ nhanh hơn và nó phù hợp với cho những địa hình bằng phẳng. Ngược lại, khi ta  chọn đĩa có bán kính tương đối nhỏ nên moment lực nhỏ, được truyền đến líp có bán kính lớn, thì số vòng quay bánh sau sẽ ít hơn. Tuy tốc độ xe đạp chậm lại nhưng ít mất sức lực hơn, phù hợp địa hình đồi núi.

Kể từ đầu thế kỷ XXI, xe đạp bắt đầu được cải tiến mạnh mẽ với sự phát triển của công nghệ để phù hợp với từng nhu cầu sử dụng. Khung xe được chế tạo bằng các vật liệu khác nhau để giảm trọng lượng nhưng vẫn đảm bảo độ bền cũng như các yêu cầu về khí động học.

Yến Nhi sưu tập, có chỉnh sửa bổ sung.
Nguồn: Vật lý hỏi và đáp - NXB Đại học quốc gia
Tác giả: Nguyễn Hữu Thọ