Khi ô tô rẽ trái hay phải, các bánh xe bên ngoài (trong khi rẽ) phải di chuyển một khoảng cách lớn hơn một chút so với các bánh xe bên trong. Điều này tương tự như khi bạn xem một cuộc chạy đua cự ly trong sân vận động, bạn sẽ nhận thấy rằng các làn đường quanh một khúc cua có khoảng cách khác nhau. Đó là bởi vì khoảng cách bên trong và bên ngoài đường đua là khác nhau.
Tuy nhiên, làm thế nào để tạo ra hai bánh xe có cùng đường kính và được gắn vào cùng một trục, đi được những khoảng cách khác nhau?
Đó là nhờ trục của ô tô, là phần nối hai bánh xe đối diện nhau.
Các trục này có một bộ phận – một bộ vi sai – cho phép bánh xe bên ngoài đi nhiều hơn một chút so với bánh xe bên trong.
tàu hỏa cũng giống như ô tô, cũng có các bánh xe có cùng đường kính, nghĩa là chúng cũng phải xử lý tình huống tương tự khi chuyển hướng, tức là bánh ngoài của chúng cần đi xa hơn bánh trong một chút khi vòng qua trái hay phải . nếu không tàu sẽ bị trật bánh.
Trong trường hợp ô tô, tình huống này được xử lý với sự trợ giúp của các trục được thiết kế thông minh, nhưng nó được giải quyết như thế nào khi các đoàn tàu dài, nặng và lớn (với hàng trăm bánh xe)?
tàu hỏa đã là xương sống cơ bản của giao thông vận tải và vận chuyển trong vài trăm năm. Bất chấp sự phổ biến của các đoàn tàu, các chi tiết về hoạt động của chúng vẫn còn một chút bí ẩn. Bánh tàu hỏa là một loại bánh xe được thiết kế đặc biệt để chạy trên đường ray kim loại. Nó được đúc và được xử lý bằng nhiệt để đạt được độ dẻo dai mong muốn cụ thể.
Bạn có thể đã nhìn thấy tàu hỏa vô số lần trong đời, nhưng bạn đã bao giờ thực sự chú ý đến bánh xe của chúng chưa? Nhìn thoáng qua các bánh tàu hỏa bạn sẽ biết rằng chúng có hình tròn, giống như các bánh xe tiêu chuẩn khác. Có lẽ chúng ta đã từng nghĩ rằng bánh tàu hỏa cũng là những hình tròn hoàn hảo… nhưng không phải vậy!
Mặc dù thoạt nhìn chúng có vẻ hình trụ, nhưng khi nhìn kỹ hơn, bạn sẽ nhận thấy rằng chúng có hình nón. chính xác là một nửa hình nón. Hình học đặc biệt này là thứ giữ cho đoàn tàu chạy trên đường ray.
Các bánh xe ở mỗi bên của toa tàu được nối với một thanh kim loại gọi là trục. Trục này giữ cho hai bánh tàu chuyển động cùng nhau, cả hai đều quay cùng tốc độ khi tàu chuyển động.
Thiết kế này không có vấn đề gì nếu đoàn tàu chạy thẳng. Nhưng khi một đoàn tàu cần đi vòng quanh một khúc cua, thực tế là cả hai bánh xe luôn quay cùng tốc độ có thể trở thành một vấn đề. Phần bên ngoài của một khúc cua dài hơn một chút so với bên trong, vì vậy bánh xe trên đường ray bên ngoài thực sự cần đi được quãng đường dài hơn bánh xe trên đường ray bên trong. Bạn có thể chứng minh điều này bằng cách vẽ một đường ray tàu hỏa—bao gồm hai đường ray—bằng cách xoay một tờ giấy. Lấy một thước dây (hoặc dây và thước kẻ) và đo chiều dài của mỗi dòng. Đường bên ngoài của đường đua phải dài hơn đường bên trong. Nhưng làm thế nào một bánh xe có thể đi được quãng đường dài hơn bánh xe kia nếu cả hai bánh xe đều quay với tốc độ như nhau?
Trước hết chúng ta cần lưu ý đến Lực Ly Tâm. Lực ly tâm là lực hướng ra ngoài tác dụng bởi một vật chuyển động theo đường tròn hướng ra khỏi tâm quay. Phương của lực này hướng ra xa trục quay và song song với trục quay. Ví dụ khi buộc một vật nặng vào sợi dây và quay tròn, nếu ta buông tay, vật nặng sẽ bay ra xa.
Để giúp bánh tàu hỏa đi đúng hướng, hình dạng của chúng thường hơi có hình nón. Để lợi dụng lực ly tâm giải quyết vấn đề bánh xe bên ngoài cần đi quãng đường dài hơn bánh xe kia mỗi khi tàu hỏa vào khúc cua, chúng ta cần thiết kế bên trong bánh xe có chu vi lớn hơn bên ngoài bánh xe. (Ngoài ra, Chúng cũng có một mặt bích, hoặc gờ nổi, ở mặt trong để ngăn đoàn tàu rơi khỏi đường ray.) Khi một đoàn tàu vòng quanh một khúc cua giả sử về bên phải, lực ly tâm sẽ đẩy toa tàu về phía trái và khiến bánh xe bên ngoài tiếp xúc với đường ray tại phần lớn hơn của hình nón. bánh xe bên trong tiếp xúc với đường ray tại phần nhỏ hơn của hình nón. Kết quả là khi một đoàn tàu đang chuyển hướng, nó sẽ tạm thời chạy trên các bánh xe có hai kích cỡ khác nhau. Trong ví dụ này, bánh xe bên trái sẽ giống như có kích thước lớn hơn bánh xe bên phải. Khi chu vi của bánh xe ngoài, bên trái trở nên lớn hơn, nó có thể di chuyển một quãng đường dài hơn mặc dù nó quay cùng tốc độ với bánh xe bên trong nhỏ hơn. Đoàn tàu đã thành công ở lại trên đường ray! Mà không bị trật bánh!
Việc bánh tàu hỏa có dạng hình nón với bên trong bánh xe có chu vi lớn hơn bên ngoài bánh xe cũng có tác dụng làm cho đoàn tàu luôn tự động cân bằng.
Chúng ta hãy xét những lực tác động lên bánh xe khi con tàu đang chạy. Suốt quá trình xe lủa đang chạy thẳng, sẽ có trọng lực của bản thân con tàu và phản lực tác động lên các bánh xe. Phản lực luôn vuông góc với bề mặt hình nón của bánh xe. Khi các bánh xe ở vị trí cân bằng, các phản lực sẽ triệt tiêu lẫn nhau và đoàn tầu chạy ổn định. Giả sử vì một lý do nào đó, bánh xe di chuyển qua bên phải. Khi đó toa tàu sẽ nghiêng. Các lực tác động cũng sẽ thay đổi. Khi đó, tổng các lực sẽ kéo toa tàu trở về vị trí cũ.
Ngày nay, tàu hỏa đã trở thành một trong những phương tiện giao thông quan trọng và ngày càng phát triển. Có được sự thành công như vậy, chúng ta không thể nào quên công lao của kỹ sư người Anh George Stephenson – người đầu tiên trên thế giới thành công trong việc chế tạo một đầu tàu hỏa chở hành khách, mở đầu cho ngành đường sắt hiện nay.
Năm 1814, Stephenson đã cho ra đời nguyên mẫu đầu tiên mang tên “Blücher”. Tuy “Blücher” hoạt động được nhưng gây tiếng ồn dữ dội và tốn nhiều nhiên liệu. Không nản lòng, ông tiếp tục cải tiến “Blücher”. Trải qua nhiều lần thí nghiệm, Stephenson tìm ra cách giảm được đáng kể sự chấn động của đầu máy, toa xe và tiếng ồn. Giữa đầu máy và toa xe, ông bố trí bộ phận lò xo. Ông lắp thêm một ống xả khói ở phía trên đầu máy để khói không tỏa ra xung quanh đoàn tàu hỏa. Nhờ thế, tốc độ đầu máy tàu hỏa cũng tăng lên đáng kể. Cuối cùng, đầu máy tàu hỏa kiểu mới mang tên “Locomotion” ra đời, và có nhiều tính năng khiến Stephenson và các cộng sự thấy hài lòng.
Năm 1821, Stephenson bắt đầu thiết kế xây dựng đường ray tàu hỏa đầu tiên, dài 32 km, nối hai thị xã Stockton và Darlington. Ngày 27-9-1825, tuyến đường này đã được thông xe. Vào thời đó, mọi người còn chưa thấy tàu hỏa, nên ai cũng muốn đến xem nó có hình dáng như thế nào, nên người tới dự lễ thông xe đông nghịt ở nhà ga, lại còn rải rác dài hai bên đường sắt. Đầu máy “Locomotion” của Stephenson kéo theo 22 toa hàng, 6 toa chở đầy các vị khách thuộc các giới xã hội tham gia lễ thông xe. Số toa còn lại thì chứa than và các hàng hoá khác.
Thành công của Stephenson đã đem tàu hỏa vượt ra ngoài nước Anh. Ngày 1/10/1828, con đường sắt đầu tiên tại nước Pháp được lập nên. Nước Đức lập con đường sắt đầu tiên vào ngày 7-12-1835. Từ đó, đường sắt dần dần trở thành một mạng lưới khổng lồ phát triển trên toàn cầu. Stephenson đã giúp mở ra một trang huy hoàng của lịch sử văn minh loài người. Ông xứng đáng được tôn vinh là “ông tổ” của tàu hỏa và đường sắt. Ngày 12/8/1848, nhà phát minh tàu hỏa George Stephenson qua đời.
Em là gà…!