Tại sao tàu hoả phải chạy trên đường ray thép?

Chắc chắn bạn đã từng đi tàu. Từng toa tàu nối dài một cách chỉnh tề, lao vùn vụt trên đường ray thẳng tắp về phương xa. Tuy nhiên có bao giờ bạn đã nghĩ rằng tại sao tàu hỏa 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 nhàng, 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 điểm mấu chốt để nâng cao hiệu suất vận chuyển.

Tàu hỏa 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 mặt đường đá dăm, phải cần 125 người mới đẩy nó chạy lên được, nhưng một toa tàu hỏa có 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 hỏa tiết kiệm được nhiều năng lượng, và cũng làm tăng rất nhiều hiệu suất vận chuyển.

Ngoài ra, vì bản thân tàu hỏa 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 hỏa phải chạy trên đường ray thép.