Chiếc tay ga của bạn uống 2 lít xăng cho 100 km — con số đẹp, ai cũng gật. Nhưng hỏi lại bằng đơn vị công suất thì nó kể chuyện khác: chạy đều 40 km/h, bạn đang đốt 7,18 kW nhiên liệu để đẩy một cái xe chỉ đòi đúng 1,08 kW.
Bảy kilôoát vào, một kilôoát ra
Ở 40 km/h, mức 2 L/100 km nghĩa là 0,8 lít mỗi giờ. Mỗi lít xăng mang 32,3 MJ năng lượng hoá học, nên kim phun đang rót vào xi-lanh 7,18 kW.
Chạy đều thì hợp lực bằng không: động cơ chỉ phải cân đúng hai lực cản. Ma sát lăn của lốp — hệ số 0,025 nhân trọng lượng của 200 kg cả xe lẫn người — cho 49 N; lực cản khí, với diện tích cản 0,66 m² của một người ngồi thẳng, cho 48 N. Tổng 97 N nhân 11,1 m/s: 1,08 kW.
P_xăng = (L₁₀₀/100)·v·LHV LHV = 32,3 MJ/L
P_cản = (C_lăn·m·g + ½·ρ·C_dA·v²)·v
η = P_cản / P_xăngChia ra được η = 15,0%. Khoản chênh 6,10 kW không biến đi đâu cả — nó là nhiệt, và bạn chở nó theo suốt đường: ba cái bếp từ 2 kW bật hết cỡ, kẹp giữa hai đầu gối. Trọn 100 km: 64,6 MJ xăng vào, 9,71 MJ công ra.
Đúng 40 km/h là chỗ gió bắt kịp lốp
Ma sát lăn không đổi theo tốc độ — 49 N ở 20 km/h cũng đúng 49 N ở 90. Lực cản khí thì tỉ lệ v²: 12 N ở 20 km/h, 48 N ở 40, 192 N ở 80. Hai đường cắt nhau tại 40,4 km/h, đúng cái tốc độ bạn chạy trong phố: dưới ngưỡng ấy bạn đấu với lốp, trên ngưỡng ấy bạn đấu với không khí và cái giá tăng theo lũy thừa ba của tốc độ.
Kéo thanh tốc độ lên 80 km/h: công cản đường nhảy từ 1,08 lên 5,36 kW — nhanh gấp đôi, tốn gấp gần năm. Nhưng nghịch lý nằm ngay đó: nếu ở 80 km/h xe uống 3 L/100 km thì hiệu suất lại là 24,9%, hơn hẳn 15,0% lúc đi chậm. Động cơ thích chạy nhanh — nó làm việc gần công suất thiết kế, đỡ phải hé ga. Thứ bạn đánh đổi khi phóng là tiền xăng mỗi kilômét, không phải hiệu suất.
Sáu kilôoát kia đi đâu
Phần lớn theo khí xả: hỗn hợp cháy rời xi-lanh khi vẫn còn vài trăm độ. Phần còn lại rò qua thành xi-lanh vào dầu máy và cánh tản nhiệt — mấy cánh nhôm xẻ rãnh trên đầu máy xe số là bộ tản của đúng khoản này.
Muốn thấy 15% nhỏ cỡ nào thì hỏi ngược: quãng đường ấy cần bao nhiêu điện? 9,71 MJ công cản đường là 2,70 kWh tại bánh xe; kể cả khi pin và mô-tơ nuốt mất 20% dọc chuỗi, xe điện vẫn chỉ rút 3,4 kWh khỏi ổ cắm — 12,2 MJ, một phần năm chỗ năng lượng chiếc xe xăng phải nuốt.
Trong phố, 15% còn là con số lạc quan
Mọi tính toán trên giả định bạn chạy đều; phố không cho phép điều đó. Dừng đèn đỏ, lực đẩy bằng 0 nên hiệu suất bằng đúng 0% — mỗi 0,1 lít xăng mỗi giờ máy nổ không tải là 0,9 kW đốt cho không gì hết.
Mỗi cú phanh là một lần xoá sổ. Xe 200 kg chạy 40 km/h mang 12,3 kJ động năng; để tích được chỗ ấy động cơ đã đốt 82 kJ xăng — 2,5 mL, nên bốn chục lần dừng–đi là 0,1 lít bay vào cặp bố thắng. Mà 12,3 kJ cũng bằng đúng công cản đường của 127 mét chạy đều: mỗi lần dừng đèn đỏ là ném đi hơn trăm mét đường đã trả tiền, chưa kể chuyện xảy ra khi bạn phanh gấp.
Kéo thanh khối lượng 200 → 300 kg cho một người ngồi sau: ma sát lăn từ 49 lên 74 N, công cản đường lên 1,35 kW, mức tiêu thụ phải nhích lên khoảng 2,5 L/100 km.
Trường hợp biên: chậm lại không cứu được gì, và trần là 69%
Trực giác tiết kiệm bảo đi chậm cho đỡ tốn. Kéo tốc độ về 20 km/h: cản đường tụt còn 0,34 kW, nhẹ đi hơn ba lần — nhưng động cơ vẫn phải nuôi ma sát trong và công bơm khí của chính nó, nên với 2 L/100 km hiệu suất rơi xuống 9,5%. Một kilômét bò trong ngõ đắt hơn một kilômét đường trường, dù cảm giác nói ngược lại.
Còn đầu kia của thang đo? Chữa hết mọi khiếm khuyết cơ khí thì vẫn còn một loại thuế không cỗ máy nào trốn được: khí cháy trong xi-lanh cỡ 1 900 °C, thải ra khoảng 400 °C, và chỉ hai nhiệt độ ấy đã chặn trần ở 69,0%. Khoảng từ 15% lên 69% là phần thuộc về kỹ sư; từ 69% lên 100% thì không ai đòi được, kể cả khi bạn thay hẳn cỗ máy. Con số 15% vẫn tệ — nó chỉ không tệ vì cái lý do mà phần lớn người ta tưởng.