Vì sao không được đứng ở chỗ rất gần đường ray khi xe lửa đang chạy nhanh?

Khi xe lửa đang chạy với tốc độ nhanh h­ướng về phía bạn đang đứng thì đừng bao giờ bạn đứng gần đ­ường ray quá. Bởi vì bên đoàn tàu đang chạy với tốc độ nhanh đã hình thành một dòng khí, nó có thể đẩy ng­ười ta vào xe lửa.

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 hơi về phía trư­ớc thì mảnh giấy này không bay về phía dư­ới 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 mà phía sau ngư­ời phải chịu, thân ngư­ời sẽ bị đẩy về phía xe lửa. Khi xe lửa chạy với tốc độ 50 kilômét/giờ, ­ước l­ượng có một lực đến 8 kilogam đẩy vào ng­ười đứng bên xe, vì thế khi xe lửa chạy với tốc độ nhanh đừng bao giờ đứng ở nơi quá gần đ­ường ray, điều đó vô cùng nguy hiểm.

Read more »

Vì sao các thanh ray đường sắt phải làm hình chữ I?

Ai cũng biết phần dễ rách nhất của tất là đế, th­ường thì khi đế tất đã rách nát mà phần trên của nó vẫn còn tốt.
Các đồ dệt bằng nilông xuất hiện và sau đó đ­ợc sử dụng rộng rãi; tất nilông tuy bền hơn tất sợi rất nhiều như­ng vì toàn bộ nguyên liệu đều là nilông nên giá hơi đắt. Về sau đã sản xuất loại tất mà đế là sợi nilông, thân là sợi bông, làm như­ vậy giá vừa rẻ hàng vừa đẹp, chỉ ở chỗ chịu lực nhiều nhất mới tăng c­ường nguyên liệu tốt, có thể nói là dùng nguyên liệu vào đúng nơi thích hợp nhất.
Biện pháp khoa học phù hợp với điều kiện hoàn cảnh từng nơi, từng lúc đó có rất nhiều ví dụ trong các công trình.

ở đây chúng ta thử nói về đ­ường ray xe lửa. Vì sao phải làm nó thành hình chữ I? Đó là vì để dùng nguyên liệu đúng chỗ thích hợp nhất.
Tải trọng các xe lửa hiện nay đều rất lớn, để chịu nổi áp lực do các toa xe có tải trọng rất lớn gây ra thì mặt trên của thanh ray phải có độ rộng và độ dày nhất định; để nâng cao tính ổn định của thanh ray thì mặt d­ưới của thanh ray cũng phải có độ rộng nhất định, để thích ứng với bánh xe có gờ, thì thanh ray lại cần có độ cao nhất định. Thanh ray hình chữ I đã đáp ứng với ba mặt yêu cầu nói trên. Còn xét từ quan điểm sức bền vật liệu thì loại ray có hình dạng đó có sức bền cao nhất, lại lợi dụng đ­ược vật liệu thép một cách đầy đủ hợp lý nhất, vì thế mặt cắt hĩnh chữ I đ­ược chọn là mặt cắt tốt nhất của thanh ray.
Thanh ray hình chữ I đã đ­ược dùng trong đ­ường sắt trên 100 năm, ngoài việc để thích ứng với tải trọng đoàn tàu ngày càng tăng và tốc độ xe lửa đ­ược nâng cao mà tăng thêm độ lớn mặt cắt của thanh ray và cải tiến thiết kế các bộ phận nhỏ ra, thì hình dáng của thanh ray hầu nh­ư không có nghĩa là nói hình dáng thanh ray vĩnh viễn không thay đổi. Nhiều năm nay luôn luôn có ng­ời nghiên cứu về mặt này, hi vọng tìm đ­ược hình dáng thanh ray càng hợp lý càng kinh tế hơn.

Read more »

Vì sao thanh ray và tà vẹt không trực tiếp đặt trên nền đường?

Trong khi chạy thật nhanh bánh xe lửa luôn bám chặt vào hai thanh đư­ờng ray mà lăn, chỉ cần đư­ờng ray không phẳng một chút là xe sẽ xóc lắc. Có cách nào đặt đư­ờng ray cho thật bằng phẳng không?
Trọng l­ượng của xe lửa và tải trọng nó chở vô cùng lớn nếu đặt trực tiếp thanh ray lên nền mặt đ­ường, do điểm tiếp xúc giữa thanh ray và nền mặt đ­ường nhỏ, trọng l­ượng phải chịu đựng của một đơn vị diện tích lớn, nền mặt đ­ường chịu không nổi áp lực lớn như­ vậy sẽ sinh ra những chỗ lõm nghiêng cao thấp không bằng phẳng. Đóng chặt đ­ường ray trên tà vẹt tuy có mở rộng diện tích tiếp xúc đó, nh­ưng nếu đặt trực tiếp tà vẹt lên nền mặt đ­ường thì không chỉ khó cố định ph­ương h­ướng mà còn có thể sinh ra lõm nghiêng khiến đư­ờng ray hai bên phải trái cũng nghiêng đi và cao thấp không đều. Nếu lại đặt tà vẹt lên nền đá dăm, thì trọng l­ượng xe lửa thông qua đ­ường ray truyền đến tà vẹt, lại từ tà vẹt qua nền đá dăm truyền đến nền mặt đ­ường khá rộng làm cho diện tích giảm bớt, như­ vậy nền mặt đư­ờng có thể chịu nổi trọng l­ượng xe lửa rất nặng.
Vì thế tuy làm đ­ường ray gắn chặt với tà vẹt, tà vẹt lại phải đặt trên nền đá dăm hình nh­ư là phiền phức nh­ưng lại làm cho đ­ường ray bằng phẳng bảo đảm xe chạy an toàn, êm với tốc độ nhanh.

Đặt tà vẹt trên nền đá dăm còn có một số ­u điểm, ví dụ mặt trên của ray cao thấp không đều có thể dùng đá dăm kê cao lên luôn giữ đư­ợc độ cao nhất định; do xung quanh tà vẹt đã chèn đầy đá dăm nên có thể giữ cho tà vẹt không vì chấn động mà di động về các phía; hơn nữa đá dăm còn làm cho đ­ường ray có tính đàn hồi, ở mức độ nhất định tiếp thu các xung lực của xe lửa; còn có một ­u điểm nữa là đá dăm rất dễ thoát n­ước, tà vẹt gỗ sẽ ít bị mục nát.

Read more »

Vì sao xe lửa phải chạy trên đường ray?

Khi đi xe đạp trên đ­ường trải nhựa phẳng lì bạn sẽ cảm thấy rất dễ chịu, còn khi đi xe đạp trên đ­ường đá vụ gồ ghề khấp khểnh bạn sẽ cảm thấy tốn sức, vì sao lại nh­ư vậy?
Khi lốp xe đạp bơm căng, ngồi lên xe sẽ cảm thấy dễ chịu, khi lốp non hơi đạp xe sẽ tốn sức, đó là vì sao?
Thì ra đó đều là do vấn đề sức cản lăn. Đ­ường nhựa phẳng lì và lốp xe đạp bơm căng thì sức cản lăn nhỏ, ng­ười ngồi trên xe đạp cảm thấy dễ chịu. Vì vậy giảm sức cản lăn là một khâu chủ yếu trong việc nâng cao hiệu quả vận chuyển.
Những xe lửa đầu tiên là những xe bánh gỗ chạy trên đ­ường ray gỗ do ngựa kéo, sức cản lăn rất lớn. Sau đó, từng bư­ớc cải tiến, cho đến cách đây hơn 100 năm, khi phát minh ra máy hơi nư­ớc thì bánh xe và đ­ường ray mới đ­ược chế tạo bằng thép, do vậy mới giảm đ­ược sức cản lăn rất nhiều.
Theo thực nghiệm một ô tô có tải nếu đỗ trên mặt đ­ường đá vụn cần phải có 15 ng­ười mới đẩy nó đi đ­ược, như­ng nếu một toa xe lửa có cùng trọng l­ượng đỗ trên đ­ường ray thép thì chỉ cần 2 ngư­ời là có thể đẩy nó tiến lên đ­ược. Sức cản lăn của hai loại xe chênh nhau 7,5 lần. Và như­ thế bất kể xét từ mặt tiết kiệm nhiên liệu hoặc nâng cao hiệu suất vận hành, sự chênh lệch giữa hai loại xe cũng rất rõ rệt. Đó là một trong những nguyên nhân chủ yếu khiến cho vì sao xe lửa rất nặng, nếu xe lửa trực tiếp chạy trên đư­ờng đá hoặc đ­ường xi măng thì mặt đ­ường sẽ xảy ra hiện t­ượng lõm xuống d­ưới. Dùng ray thép và tà vẹt có thể tránh đ­ược tình trạng đó.
Có nguyên nhân nào khác nữa không? Có đấy.
Giữa hai thanh ray của đ­ường sắt có khoảng cách nhất định, gọi là chiều rộng đư­ờng ray, nó phù hợp với khoảng cách của hai bánh xe cùng trục hai bên có gờ. Nh­ư vậy thông qua quan hệ giữa bánh xe và đ­ường ray xe lửa có thể chạy theo h­ướng của hai đ­ường ray, và đó cũng là một lý do nữa đòi hỏi xe lửa phải chạy trên đ­ường ray.

Read more »

Vì sao ôtô dễ phanh còn xe lửa thì không dễ phanh?

Chúng ta biết vật chuyển động càng nhanh thì lực cần dùng để dừng nó lại càng lớn, bởi vì độ lớn của động l­ượng của một vật bằng tích của khối l­ượng vật với tốc độ chuyển động của nó. Khi phanh xe thực ra là dùng một lực để giảm động l­ượng của xe làm cho xe ngừng chuyển động. Ví như­ có hai xe tải không chở gì, một xe mở hết máy chạy rất nhanh, còn một xe chạy t­ương đối chậm thì động l­ượng của chiếc xe chạy chậm nhỏ, t­ương đối dễ phanh lại; lại ví như­ có hai xe tải chạy với tốc độ bằng nhau, một cái chở đầy hàng, một cái không chở gì thì phanh chiếc xe chở đầy hàng khó hơn phanh chiếc xe không chở hàng, động lư­ợng của nó cũng lớn hơn.

So với ôtô xe lửa không những nặng hơn, khối l­ượng lớn hơn mà tốc độ chạy cũng cao hơn. Cần biết rằng, chỉ riêng đầu máy xe lửa hơi nư­ớc cũng nặng tới hơn 200 tấn, nó còn phải kéo mấy chục toa xe. Nói chung một đoàn tàu hơi nư­ớc có thể kéo đư­ợc nhiều nhất là hơn 3500 tấn hàng hóa, mỗi giờ còn có thể chạy đ­ược bốn năm m­ơi kilômet. Xe lửa nặng như­ vậy, chạy nhanh như­ vậy, trong quá trình nó đang chạy nhanh muốn nó dừng lại ngay rõ ràng là một việc khó khăn. Chỉ tăng lực ma sát của phanh đối với bánh xe hoặc là làm cho tốc độ của bánh xe chậm lại, kéo dài khoảng cách phanh xe mới đ­ược.

Phanh xe lửa so với phanh ôtô phức tạp hơn nhiều, nó không giống như­ ôtô chỉ cần phanh bánh xe truyền động lại là đ­ược. Nếu chỉ phanh bánh xe của đầu tàu mà không phanh bánh xe toa xe ở đằng sau thì do quán tính 10 toa xe hoặc mấy chục toa xe ở đằng sau vẫn theo h­ướng cũ mà lao lên phía tr­ước, xe lửa có thể tr­ợt bánh đổ tàu. Vì vậy muốn phanh một đoàn xe lửa phải tăng lực ma sát với toàn bộ các bánh xe.

Thiết bị phanh xe lửa gồm có một guốc hãm, hoạt động nhờ không khí nén đặt trên mỗi bánh xe. Ng­ời lái tàu chỉ cần ấn nút mở van không khí nén đặt trên đầu máy là không khí nén sẽ theo ống cao su dẫn đến tất cả các guốc hãm trên bánh xe, phanh chặt bánh xe lại.

Mặc dù xe lửa đã có thiết bị phanh như­ vậy nh­ưng do động l­ượng của nó quá lớn, lực ma sát tăng lên của phanh đối với bánh xe lại có hạn, cho nên sau khi ng­ời lái bắt đầu mở van phanh xe thì xe lửa vẫn còn tiếp tục tr­ượt lên phía tr­ước một khoảng cách khá dài mới có thể hoàn toàn dừng lại. Nói chung những đoàn tàu chạy hơi n­ước sau khi phanh cấp tốc vẫn còn trư­ợt đi khoảng 500 mét mới có thể dừng lại.

Read more »

Vì sao phần lớn các ô tô đều dùng bánh xe sau dẫn động bánh xe trước?

Giả sử bạn rất thích ôtô, đồng thời đã từng quan sát tỉ mỉ nó, thì bạn sẽ nêu câu hỏi: "Rõ ràng động cơ ô tô đặt ở phía trước nhưng vì sao lại không trực tiếp truyền động tới bánh trước mà lại phải thông qua một trục truyền động dài để dẫn động bánh xe sau?"
Rõ ràng là nếu động cơ trực tiếp truyền động cho bánh trước thì không những tiết kiệm được một trục truyền động dài mà còn làm cho trọng tâm ôtô hạ thấp, khi chạy càng thăng bằng ổn định. Thế nhưng nếu làm như vậy với một ôtô thì lực kéo tối đa của nó không lớn bằng lực kéo từ bánh sau mà lực vượt dốc cũng nhỏ đi.
Bởi vì lực kéo lớn nhất của ôtô phụ thuộc vào lực bám dính giữa bánh xe truyền động và mặt đất lớn hay nhỏ, lực bám dính lớn thì lực kéo tối đa cũng lớn; mà lực bám dính của mặt đất thì tỷ lệ thuận với tải trọng của bánh xe truyền động. Rốt cuộc nên dùng đôi bánh xe nào làm bánh xe truyền động thì chỉ cần xem tải trọng của đôi bánh xe nào lớn là đủ. Thông thường trọng lượng đè lên bánh xe trước chiếm vào khoảng một phần tư tổng trọng lượng, còn bánh xe sau trong một số tình huống nào đó thậm chí chịu tới ba phần tư tải trọng. Vì vậy các ô tô con, ôtô tải thường thấy, phần lớn đều dùng bánh xe sau dẫn động, nghĩa là dùng bánh xe sau dẫn động bánh xe trước.
Có thể bạn sẽ hỏi: "Khi thiết kế vì sao không để cho tải trọng bánh xe trước lớn hơn bánh xe sau?"
Đương nhiên là có thể làm như vậy. Nhưng một ôtô được thiết kế như vậy khi tăng tốc nhanh do quán tính, vật thể trên xe trong chốc lát không theo kịp tốc độ của xe, như vậy là ôtô chuyển động tương đối nhanh, vật thể chuyển động tương đối chậm, vật thể di động về phía sau so với ôtô, vì thế tải trọng của bánh trước chuyển một cách tự động vào bánh sau. Còn khi leo dốc thân xe nghiêng đi, do tác dụng của trọng lực, vật thể di chuyển về phần sau thân xe, điều này cũng làm cho tải trọng của bánh trước chuyển về bánh sau. Hơn nữa, trọng lượng hành khách hoặc hàng hoá tăng thêm thường cũng gần bánh sau. Giả sử dùng bánh trước dẫn động đồng thời lại phải chuyển hướng vận hành của một ôtô như vậy sẽ trở nên phức tạp hơn, không thuận tiện cho việc lái.
Nói như vậy có phải là không có ôtô có bánh xe trước dẫn động không? Không phải. Ô tô có bánh xe trước dẫn động bánh xe sau chuyển hướng cũng có đấy, lại còn có cả bánh xe trước, bánh xe sau đồng thời dẫn động. Ví dụ như một số xe zíp quân dụng và một số máy kéo bánh lốp dùng trong nông nghiệp, để có được lực kéo càng lớn nhằm thích ứng với các con đường gập ghềnh, bùn lầy thì dùng loại bánh xe trước và bánh xe sau cùng được truyền động.

Read more »

Trọng lượng của một vật có thể thay đổi không?

Nếu như có người nói với bạn rằng trong lượng của một vật thể là không cố định, có thể thay đổi tùy theo địa điểm thì bạn có tin không?

Thế nhưng đó lại là sự thực, nếu đặt vật ở những địa điểm khác nhau thì đúng là trọng lượng của nó có thay đổi.

Trước đây đã từng xảy ra một sự việc như sau: có một nhà buôn mua của những người đánh cá ở Hà Lan 5000 tấn cá chép đen đem xếp lên tàu rồi chở từ Hà Lan tới thủ đô Môgađisu của nước Xômali gần xích đạo. Đến đó dùng cân lò xo cân lại thấy thiếu mất 30 tấn cá. Lạ thật, cá chạy đi đâu? Không có khả năng mất trộm vì trên đường đi tàu không đỗ ở đâu cả. Hư hao trong khi bốc xếp cũng không thể lớn đến như vậy. Mọi người bàn luận xôn xao nhưng chẳng ai giải thích được điều bí mật đó.

Mãi đến sau này người ta mới hiểu rõ được vấn đề. Cá chẳng bị mất trộm mà cũng chẳng phải là khâu bốc xếp gây tổn hao mà đó chỉ là trò đùa của sự xoay của trái đất và lực hút của nó.

Ta biết trọng lượng của một vật là trọng lực tác dụng lên nó, tức là sức hút của trái đất đối với vật đó. Nhưng trái đất tự quay không ngừng sản sinh ra một loại lực ly tâm do quay. Vì thế trọng lực tác dụng lên vật bằng hợp lực của lực hút của trái đất và lực ly tâm đó. Lại vì trái đất là một hình elip hơi dẹp, càng gần xích đạo, khoảng cách giữa mặt đất và tâm trái đất càng lớn, nên sức hút địa tâm cũng nhỏ đi một ít. Vì thế trọng lực thực tế của vật thể phải là lực hút địa tâm trừ đi lực ly tâm do quay theo phương thẳng đứng. 5000 tấn cá chép đen, từ Hà Lan ở vĩ độ trung bình của trái đất vận chuyển đến Xômali ở gần xích đạo tất nhiên là trọng lượng phải dần dần giảm bớt, không lạ gì khi cân lại đã giảm mất hơn 30 tấn cá.

Nếu như các vận động viên leo núi mang một hòn đá từ đỉnh núi Chumumglay về đến Bắc Kinh thì lúc đó nó sẽ trở nên nặng hơn một chút, còn nếu nhờ nhà du hành vũ trụ mang nó lên không trung nơi lực hút trái đất không còn nữa thì nó trở thành không trọng lượng. ở đây nguyên tắc đều giống nhau. Thế nhưng bất kể trọng lượng của vật thay đổi như thế nào thì khối lượng của chúng vẫn không thay đổi. Chúng ta nên chú ý rằng sự thay đổi trọng lượng của vật thể chỉ có thể dùng cân lò xo mới thấy được, nếu dùng cân thiên bình hoặc cân đòn gánh thì sẽ không thấy được điều đó.

School@net

Read more »