Tại sao khung và các bộ phận của xe đạp được làm bằng kết cấu ống?

Khung, tay lái và nhiều bộ phận khác của xe đạp thường được làm bằng ống thép rỗng. Nhưng bạn có biết vì sao người ta lại thiết kế như vậy không?

Nếu từng quan sát cây lúa, bạn sẽ thấy thân cây rỗng ruột. Khi gió lớn thổi tới, cây lúa có thể rạp xuống rồi lại đứng lên mà không bị gãy, trong khi những cành cây to hơn đôi khi lại bị bẻ gãy. Nguyên nhân là thân cây lúa có kết cấu rỗng ruột rất phù hợp với đặc tính chịu lực và chống biến dạng.

Ống thép rỗng của khung xe đạp cũng dựa trên nguyên lý tương tự. Hãy lấy gióng ngang của khung xe làm ví dụ để phân tích.

Khi có ngoại lực tác động, gióng ngang sẽ bị uốn cong. Mặt trên của gióng bị nén lại, mặt dưới bị kéo giãn, còn phần giữa chịu biến dạng nhỏ hơn. Càng gần bề mặt trên hoặc dưới, mức độ biến dạng càng lớn.

Nói cách khác, trong một thanh bị uốn cong luôn tồn tại biến dạng không đồng đều. Sự biến dạng đó tạo ra ứng suất ép và ứng suất kéo, hình thành mô men hồi phục chống lại sự uốn cong, giúp gióng ngang giữ cân bằng trước tác động bên ngoài.

Những vị trí gần bề mặt trên và dưới của gióng ngang chịu biến dạng và ứng suất lớn nhất. Nếu dùng cùng một lượng vật liệu và mặt cắt tương đương, kết cấu dạng ống thường bền vững hơn kết cấu đặc cùng chiều dài, vì vật liệu được phân bố nhiều hơn ra phía ngoài, nơi chịu lực hiệu quả nhất khi bị uốn.

Chính vì vậy, để giảm trọng lượng khung xe, tiết kiệm vật liệu mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực kéo và nén, người ta chế tạo nhiều bộ phận của xe đạp theo kết cấu ống rỗng.