Tại sao bánh tàu hỏa gần giống hình nón chứ không phải hình tròn đều?

Bánh xe tàu hỏa có hình nón, chứ không phải hình tròn. Tại sao lại như vậy? Hãy cùng nhau tìm hiểu cấu tạo bánh xe tàu hỏa để có câu trả lời nhé!

Bạn đã bao giờ xem một đoàn tàu lăn bánh qua chưa? Nếu có, bạn có thể tự hỏi làm thế nào đoàn tàu có thể giữ được trên đường ray của nó. Bí mật nằm ở bánh xe của đoàn tàu. Mặc dù thoạt nhìn chúng có vẻ hình trụ, nhưng khi nhìn kỹ hơn, bạn sẽ nhận thấy rằng chúng có hình dạng hơi bán nón. (Tất nhiên, đừng bao giờ đến gần một đoàn tàu đang hoạt động!) Hình dạng đặc biệt này là thứ giữ cho đoàn tàu chạy trên đường ray. Ở bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu lý do tại sao bánh xe hình nón lại vượt trội hơn các thiết kế khác.

Các bánh xe ở mỗi bên của toa tàu được kết nối với một thanh kim loại gọi là trục. Trục này giữ cho hai bánh xe tàu chuyển động cùng nhau, cả hai đều quay với cùng tốc độ khi tàu đang di chuyển.

Cấu trúc này rất phù hợp với đường ray thẳng. Nhưng khi tàu cần đi qua khúc cua, thực tế là cả hai bánh xe luôn quay với cùng tốc độ có thể trở thành vấn đề. Bên ngoài của đường cong dài hơn một chút so với bên trong, vì vậy bánh xe trên đường ray bên ngoài thực sự cần phải đi được nhiều quãng đường hơn bánh xe trên đường ray bên trong.

Bánh tàu hỏa không phải hình trụ tròn đều hoàn hảo mà được thiết kế gần giống hình nón (phần có đường kính lớn hơn của bánh xe hình nón hướng vào trong, đường kính nhỏ hơn hướng ra ngoài đường ray) nhằm đảm bảo tàu không trật khỏi đường ray và dễ dàng chạy qua khúc cua.

Bánh tàu hỏa hơi giống hình nón là một yếu tố kỹ thuật tuyệt vời giúp điều chỉnh đường đi của tàu hướng vào trung tâm, đồng thời giúp đoàn tàu đạt được tác dụng vi sai, nhằm đảm bảo các bánh xe không trật khỏi đường ray.

Cấu trúc hình nón tạo ra lực tự hướng vào tâm. Khi chuyển động thẳng, các lực chính tác dụng lên bánh xe. Các lực thụ động luôn vuông góc với mặt nón. Những thành phần nằm ngang của các lực này triệt tiêu lẫn nhau để bánh xe tự hướng vào tâm.

Cấu trúc bánh tàu hỏa hình nón giúp các kỹ sư có thể đạt được tác dụng vi sai giúp tàu dễ dàng chạy qua khúc cua.

Khi tàu hỏa chạy qua khúc cua, các bánh xe sẽ trượt đi theo một trong hai hướng .

Giả sử đoàn tàu đang rẽ trái (như trong hình trên), khi đó, các bánh xe sẽ trượt sang bên phải (→) do lực ly tâm .

Lực ly tâm hướng ra ngoài dẫn đến sự gia tăng đường kính của bánh xe bên phải (↑) và sự giảm đi của bánh xe bên trái (↓) trong khi rẽ (mũi tên màu đen trên bánh xe trong hình trên). Vì bánh bên phải có đường kính lớn hơn bánh bên trái nên tàu dễ dàng chạy qua khúc cua.