Vì sao ở đoạn đường sắt vòng, đường ray phía ngoài phải đặt cao hơn một chút so với đường ray phía trong?

Khi xe lửa chạy trên đoạn đường vòng nó thực hiện một chuyển động tròn và đương nhiên cũng phải có tác dụng của lực hướng tâm. Lực hướng tâm ấy từ đâu mà ra?

Rõ ràng là xe lửa không thể làm giống như người ngồi xe đạp khi đến chỗ vòng thì tự giác nghiêng vào phía trong. Nhưng nói chung là có cách. Có thể thông qua ray thép chịu trọng lượng của nó để cấp cho nó một lực hướng tâm.

Nói chung khoảng cách bên trong hai thanh ray lớn hơn khoảng cách má ngoài của hai bánh xe bên phải và bên trái của xe lửa một chút. Khi xe lửa đang chạy trên đoạn đường bằng phẳng thì giữa đường ray và mặt bên bánh xe không tiếp xúc sát nhau; lúc đó đường ray chỉ có lực đẩy lên trên đối với bánh xe (tức áp lực thẳng đứng) không có lực đẩy theo hướng ngang xác định (tức áp lực ngang). Nếu ở chỗ đường vòng hai thanh ray vẫn cao thấp bằng nhau thì khi xe lửa chạy qua, mặt bánh xe ngoài của nó sẽ ép chặt vào ray phía ngoài, còn mặt bánh xe trong sẽ cách ray phía trong khá rộng, lúc đó đường ray bên trong chỉ có tác dụng của áp lực thẳng đứng đối với bánh xe còn đường ray bên ngoài, ngoài tác dụng của áp lực thẳng đứng đối với bánh xe còn chịu tác dụng của áp lực ngang. áp lực ngang này chính là lực hướng tâm mà đường ray cấp cho xe lửa.

Loại áp lực ngang này có thể làm cho mặt bên bánh xe và mặt bên đường ray bị mài mòn mạnh.

Tốc độ xe lửa nhanh thì áp lực ngang cũng lớn. áp lực ngang quá lớn, ngoài việc làm cho mặt bên bánh xe và mặt bên đường ray bị mài mòn nghiệm trọng ra còn có khả năng đẩy đường ray bên ngoài di chuyển ngang về phía ngoài, gây nên sự cố trật ray, thậm chí có khi còn xảy ra nguy hiểm đổ xe.

Làm thế nào để loại trừ sự cố nguy hiểm mà lại vẫn cấp được lực hướng tâm mà xe lửa cần? Khi làm những đoạn đường chạy vòng nói chung công nhân đường sắt đã dùng biện pháp đặt cao ray bên ngoài một cách thích đáng để giải quyết vấn đề này. áp lực của đường ray nghiêng vào bánh xe lúc này, hướng vuông góc với mặt nghiêng củ đường vòng. áp lực này là do hai phân lực hợp thành, một phân lực theo hướng thẳng đứng lên trên đỡ trọng lượng xe lửa, một phân lực theo hướng ngang và hướng vào tâm đường vòng. Phân lực này chính là lực hướng tâm mà khi chạy qua đường vòng xe lửa cần tới. Một khi đã như vậy thì loại áp lực ngang gây ra sự cố hầu như không tồn tại nữa.

Thế nhưng đường ray ngoài nên đặt cao hơn đường ray trong bao nhiêu thì mới được coi là thích hợp? Điều này phải căn cứ vào bánh kính đường vòng và tốc độ xe lửa để tính toán. Một khi đã xác định độ cao chênh lệch giữa ray trong vào ray ngoài thì tốc độ xe lửa khi đi qua đường vòng phải có giới hạn nhất định. Tốc độ quá lớn hoặc quá nhỏ đều có thể làm cho đường ray chịu áp lực ngang. Nếu khi tốc độ xe lửa vượt tốc độ chạy qui định nhiều quá thì lực hướng tâm do chênh lệch độ cao giữa ray trong và ray ngoài không đủ để làm cho xe lửa từ chuyển động thẳng biến thành chuyển động tròn, xe lửa vẫn có nguy có bị trật bánh.

School@net

Posted in: Câu hỏi vì sao,Vật lý