Tại sao xe lửa cần chạy trên đường ray?

Một ô tô tải nếu đỗ trên mặt đường đá vụn thì cần tới 15 người mới đẩy đi được. Nhưng một toa xe lửa có cùng trọng lượng nếu đỗ trên đường ray thép thì chỉ cần 2 người là đủ đẩy nó tiến lên. Vấn đề mấu chốt ở đây là sức cản lăn. Đại lượng này chênh nhau tới 7,5 lần giữa hai loại xe.

Khi đi xe đạp trên đường nhựa phẳng lì, bạn sẽ cảm thấy rất dễ chịu; còn khi đi trên đường đá vụn gồ ghề, khấp khểnh, bạn sẽ thấy tốn sức hơn nhiều. Tương tự, khi lốp xe đạp được bơm căng, ngồi lên xe sẽ thấy nhẹ nhàng; còn khi lốp non hơi, đạp xe sẽ rất tốn sức.

Vấn đề ở đây vẫn là sức cản lăn. Đường nhựa phẳng lì và lốp xe đạp bơm căng sẽ tạo ra sức cản lăn nhỏ, nên người ngồi trên xe cảm thấy dễ chịu. Vì vậy, giảm sức cản lăn là một khâu chủ yếu để nâng cao hiệu quả vận chuyển.

Những xe lửa đầu tiên là xe bánh gỗ chạy trên đường ray gỗ do ngựa kéo, nên sức cản lăn rất lớn. Sau đó, qua từng bước cải tiến, cho đến hơn 100 năm trước, khi máy hơi nước được phát minh, bánh xe và đường ray mới được chế tạo bằng thép, nhờ vậy sức cản lăn giảm đi rất nhiều.

Mặt khác, do bản thân xe lửa rất nặng, nếu chạy trực tiếp trên đường đá hoặc đường xi măng thì mặt đường sẽ bị lún xuống. Việc dùng ray thép và tà vẹt giúp phân tán trọng lực của xe lửa, nhờ đó tránh được tình trạng này.

Ngoài ra, giữa hai thanh ray của đường sắt có một khoảng cách nhất định, gọi là chiều rộng đường ray, phù hợp với khoảng cách giữa hai bánh xe cùng trục có gờ ở hai bên. Nhờ mối quan hệ giữa bánh xe và đường ray, xe lửa có thể chạy đúng theo hướng của hai đường ray.