Đặt tay lên sườn xe đạp: bạn cảm thấy xích kéo chặt dưới các ngón tay. Cảm giác nhẹ ấy che giấu sự thật — toàn bộ trọng lượng bạn tác dụng được truyền qua những sợi thép mỏng như lá mưa, trong một ứng suất gần giới hạn bền:
Một cú đạp 700 N bắt xích phải chịu hơn 1,7 kN
Đứng lên bàn đạp với 700 N trên tay quay 170 mm tạo momen 119 N⋅m quanh tâm đĩa. Đĩa 34 răng có bán kính 68,7 mm: lực xích = 119 ÷ 0,0687 = 1 732 N — gấp 2,47 lần lực bàn đạp. Đó là lợi thế cơ học của cái tay quay — nó đổi lực nhỏ, quãng đường lớn thành lực lớn, quãng đường nhỏ.
Nhưng xích không phải ống dầu phanh. Toàn bộ 1 732 N này chịu bởi bốn má xích mỏng — bốn lá thép side plate cỡ lá mưa, nối liền quanh vòng xích.
Bốn mảnh thép dày 0,8 mm, tiết diện gộp lại 8 mm²
Máy xích xe đạp tiêu chuẩn có:
- Bốn má xích (two inner, two outer plates)
- Mỗi plate dày 0,8 mm
- Tiết diện hữu ích (phần chịu kéo) cao 2,5 mm
Diện tích chịu lực gộp lại: 4 × 0,8 × 2,5 = 8,0 mm² — nhỏ hơn một li bé.
Ứng suất bây giờ rất dễ tính: σ = Lực ÷ Diện tích = 1 732 N ÷ 8,0 mm² = 216,5 MPa. Giới hạn chảy của thép xích (độ căng tối đa trước khi bị dàn ra không quay lại) là 600 MPa cho hợp kim thép tiêu chuẩn. Số 216 MPa ấy chiếm 36% giới hạn — tức là bạn vẫn còn dư an toàn, nhưng không dư nhiều.
Đạp 1 200 N thì 371 MPa — lâm nguy rồi
Vừa dấu mạnh lên cao độ — 1 200 N, cỡ tích cực mạnh mẻ — ứng suất vọt lên 371 MPa, hay 62% giới hạn chảy. Ở ngưỡng này, xích bắt đầu thường xuyên giãn dần, mất độ chính xác hộp số, rồi cà khổ các lần. Đạp 1 500 N — cột quân nước rút — là 463 MPa: hơn 77%, nguy hiểm sự cố.
Nhưng con số thực sự gắt gao nằm ở chỗ khác: công thức ứng suất ấy được viết cho kéo dọc toàn xích. Thực tế, khi bạn đạp mạnh trong tư thế chéo xích — đĩa nhỏ cộng líp nhỏ, hay đơi khi chỉ một người không chú ý quỳ lên bàn đạp lúc cơm tạ chưa thẳng — xích gặp thành phần lực ngang từ góc hợp không hoàn hảo giữa tay quay và xích. Lực ngang đó không được ma moi xích tính toán để chịu: tiết diện ấy thiết kế theo chiều kéo dọc, không chiều cắt ngang. Đó chính là cách phổ biến nhất xích bị đứt trong trường hợp ngoài tiêu chuẩn.
σ = T / (n · t · h)
với T = xích căng (N), n = số má (4), t = dày má (mm), h = tiết diện (mm)
T = F_đạp · L_tay quay / r_đĩa
r_đĩa = (số răng × 12.7 mm) / 2πTỉ số dàn không chỉ ảnh hưởng tốc độ
Chuyển từ 34 sang 42 răng — ứng suất tụt từ 217 xuống 175 MPa. Hạ xuống 28 răng, nó tăng lên 263 MPa. Đĩa lớn phân tán lực trên xích; đĩa nhỏ tập trung lực.
Người thiết kế hộp số xe đạp biết điều này. Xe đua dùng tỉ số cao để xích sống lâu, nhưng yêu cầu lực chân nhiều. Xe leo dốc dùng tỉ số thấp, xích còn sống hơn vì ứng suất xuống, nhưng mỗi cú đạp chịu lực 30% thêm.
Công suất tới hạn của người đạp là một hằng số riêng — khoảng 4–6 watt/kg ở đối tượng thường, 6–8 W/kg ở vận động viên. Nhưng cách bạn phân phối công suất qua tỉ số sẽ quyết định xích sống được bao lâu: tỉ số thấp + công suất cao = ứng suất xích cao.
Trường hợp biên: ma sát tay quay quyết định lực thực
Công thức ứng suất giả định tay quay truyền được 100% lực bàn đạp xuống xích. Thực tế, ma sát (giữa chân và bàn đạp) chỉ truyền ~80% lực — 20% mất vì chân trơn hay dây buộc không khít. Ở chế độ rửa xe kỹ quá, mất ma sát, bàn đạp bắt đầu trơn dưới chân, bạn không kéo xích được nữa dù lực chân bao nhiêu. Rửa xích nhưng quên quét nhớn tay quay là lỗi phổ biến — moment quay không truyền được, chiếc xe sẽ thấy bị “kéo lại” thay vì chuyển tốc.