Tàu lửa chạy như thế nào

Để hiểu được hiện tượng này, trước hết chúng ta hãy làm một thí nghiệm: để một miếng giấy nhỏ dính vào phía dưới của môi mình, dùng sức thổi thẳng hơi ra. Mảnh giấy không bay về phía trước mà lại bay lên trên. Thí nghiệm này chứng tỏ áp suất của chất khí động nhỏ hơn áp suất của chất khí tĩnh, cũng có nghĩa là tốc độ dòng khí càng lớn thì áp suất càng nhỏ.

Không khí ở bên đoàn tàu đang chạy nhanh cũng theo xe lửa mà chuyển động với tốc độ rất cao, còn không khí cách xe lửa tương đối xa thì về cơ bản là đứng yên. Vì vậy áp suất của không khí ở xa xe lửa thì lớn còn áp suất của không khí ở gần xe lửa thì nhỏ.

Nếu khi có người đứng gần đường ray xe lửa thì phía trước người chịu áp suất của không khí chuyển động với tốc độ cao sẽ nhỏ hơn áp suất của không khí đứng yên phía sau người, thân người sẽ bị đẩy về phía xe lửa. Khi xe lửa chạy với tốc độ 50 km/giờ, ước lượng có một lực đến 8 kg đẩy vào người đứng bên xe, vì thế khi xe lửa chạy với tốc độ nhanh, đừng bao giờ đứng quá gần đường ray, điều đó vô cùng nguy hiểm.

(News.oto-hui.com) – Liên tưởng đến tác dụng của vi sai ô tô, chắc hẳn chúng ta sẽ thắc mắc việc thế nào để tàu hỏa cua rẽ trên một con đường ray cong? Cả hai bánh xe được kết nối cứng với nhau thông qua một trục và rõ ràng là có cùng đường kính.

Vì sao ô tô cần có vi sai?

Khi ôtô chạy trên đường thẳng, các bánh xe có tốc độ như nhau. Nhưng khi vào cua, bánh xe phía trong có quãng đường lăn được sẽ ngắn hơn bánh xe phía ngoài, do đó để xe có thể vào cua, vận tốc của bánh xe phía ngoài lớn hơn.

Khi mới sinh ra ôtô, hai bánh nối với nhau bằng một trục cố định, không thể sinh ra sự khác biệt về vận tốc. Do đó bộ vi sai ra đời với nhiệm vụ tạo ra tốc độ quay khác nhau cho mỗi bánh xe, chính vì thế có tên là Differential trong tiếng Anh.

Quay trở lại với tình huống khi một đoàn tàu rẽ, bánh xe bên ngoài phải “bao phủ” một cung tròn nhiều hơn bánh bên trong. Tức, bánh xe bên ngoài phải có tốc độ lớn hơn bánh bên trong! Sao có thể như thế được khi cả hai bánh xe nối cứng và có cùng đường kính?

Làm thế nào để tàu hỏa cua rẽ mà không cần có vi sai?

Giải pháp để tàu hỏa cua rẽ rất đơn giản và thanh lịch!

Cả hai bánh xe đều có hình nón . Phần có đường kính lớn hơn của bánh xe hình nón hướng vào trong, đường kính nhỏ hơn hướng ra ngoài đường ray như hình minh họa dưới đây.

Bánh xe tàu hỏa khi cua rẽ!

Giờ đây, bất cứ khi nào tàu hỏa đi trên đường cong, các bánh xe sẽ trượt đi theo một trong hai hướng .

Điều sau đây xảy ra khi rẽ –

• Giả sử đoàn tàu đang rẽ trái (như trong hình trên). Có nghĩa là các bánh xe sẽ trượt sang bên phải (→), rõ ràng là do lực ly tâm .
• Lực ly tâm hướng ra ngoài dẫn đến sự gia tăng đường kính của bánh xe bên phải (↑) & sự giảm đi của bánh xe bên trái (↓) trong khi rẽ (mũi tên màu đen trên bánh xe trong hình trên).
• Như đã phân tích tốc độ 2 bánh xe trong và ngoài ở phần trước thì vì bánh bên phải có đường kính lớn hơn bánh bên trái và do đó vấn đề được giải quyết! 

Ngoài ra nó còn giải quyết một vấn đề lớn nữa. Bất cứ khi nào có va chạm trên đường ray, bánh xe đột ngột trượt ngay cả khi đang đi trên đường thẳng và có nguy cơ trật bánh rất lớn, vì vậy cùng một thiết kế giúp tàu ổn định và chạy êm ái hơn.

Các thiết kế đơn giản nhất được coi là giải pháp tốt nhất!

Vì vậy, bên cạnh khả năng làm việc, điều chúng ta cũng học được là – Không nhất thiết mỗi khi chế tạo máy móc phức tạp và thiết kế các cơ chế phức tạp, tất cả những gì chúng ta cần là thiết kế đơn giản những thứ chúng ta đã có.

“Chắc chắn bạn đã từng đi tàu. Từng toa tàu nối dài với nhau một cách chỉnh tề, chạy vùn vụt trên đường ray thẳng tắp về phương xa. Tuy nhiên có bao giờ bạn đã nghĩ rằng tại sao tàu hoả lại phải chạy trên đường ray thép không?

Khi bạn đi xe đạp trên đường bằng phẳng, bạn cảm thấy rất nhẹ nhàng, song khi gặp phải đường đá gồ ghề, thì sẽ cảm thấy tốn sức, khi lốp xe bơm căng, thì đạp xe cảm thấy nhẹ nhành, khi lốp non hơi, thì đạp thấy mệt. Tại sao vậy?

Những điều đó đều là vấn đề lực cản lăn. Đường sá bằng phẳng và lốp xe đạp bơm căng, làm cho lực cản lăn giảm đi, vì vậy người đi xe đạp cảm thấy nhẹ nhàng. Do đó, làm giảm lực cản lăn là mấu chốt để nâng cao hiệu suất vận chuyển.

Tàu hoả ban đầu là loại tàu bánh gỗ chạy trên đường ray bằng gỗ, lực cản lăn rất lớn. Mãi đến hơn 100 năm trước, sau khi phát minh ra đầu máy hơi nước, bánh xe và đường ray đều làm bằng sắt thép, do đó đã làm giảm rất nhiều lực cản lăn. Theo thí nghiệm, một chiếc ô tô chở đầy tải, nếu đỗ trên mặt đường bằng đá dăm, phải cần 125 người mới đẩy nó chạy lên được, nhưng một toa tàu hoả có cùng trọng lượng như thế đỗ trên đường ray bằng phẳng, thì chỉ cần hai người là có thể đẩy được. Rõ ràng là chạy trên đường ray thép, có thể làm cho tàu hoả tiết kiệm được nhiều năng lượng, và cũng làm tăng rất nhiều hiệu suất vận chuyển.

Ngoài ra, vì bản thân tàu hoả to nặng, nếu bánh của nó trực tiếp chạy trên đường sỏi đá hoặc đường xi măng thì sẽ làm cho mặt đường lún xuống, nên dùng ray thép và tà vẹt gỗ thì sẽ giảm được áp suất của tàu đối với nền đường. Hơn nữa, giữa hai thanh ray có một khoảng cách nhất định, nó vừa vặn với khoảng cách giữa hai mép gờ của bánh xe đồng trục của tàu. Như vậy, với sự ăn khớp giữa bánh xe của tàu và đường ray, tàu sẽ chạy theo phương đường ray, đó cũng là một nguyên nhân vì sao tàu hoả phải chạy trên đường ray thép.”