Vì sao ray trên đường sắt phải làm thành hình chữ I ?

Vật lý

Tàu hoả phải chạy trên hai thanh ray sắt đặt song song với nhau, dưới những thanh ray này, cách một khoảng nhất định đều đặt một tấm gỗ dày to vuông vức. Nó sẽ làm cho nền đường có thể chịu được áp lực nặng của tàu.

Không biết bạn có chú ý không, thanh ray trên đường sắt không phải là hình “vuông góc” đơn giản mà là hình chữ I với kiểu thiết kế trên hẹp dưới rộng. Điều này là tại sao?

Mọi người đều biết trọng tải của xe lửa rất lớn:

  • Để có thể chịu được áp lực của xe có trọng tải lớn, mặt trên của đường ray cần có độ rộng và độ dày nhất định.
  • Cũng như vậy, để nâng cao tính ổn định của đường ray, mặt đáy của đường ray cũng cần có độ rộng nhất định;
  • Hơn nữa, để ăn khớp với bánh xe, đường ray lại phải có độ cao nhất định.

Kết quả hình ảnh cho duong ray tau lua

Đường ray hình chữ “I” vừa đủ đáp ứng đẩy đủ ba yêu cầu trên, mà xét từ quan điểm của vật liệu cơ học thì đường ray kiểu này có cường độ cao nhất, có thể tận dụng nguyên liệu một cách hợp lý. Do vậy mặt cắt chữ “I” được chọn là mặt cắt đường ray tốt nhất.

Đường ray hình chữ “I” đã được sử dụng trên đường sắt hơn một trăm năm. Ngoài việc để thích ứng với sự tăng trọng tải của đầu máy và nâng cao tốc độ của tàu thì ngoài việc thiết kế tăng mặt cắt của đường ray và cải tiến các chi tiết nhỏ của các bộ phận, hình dạng của đường ray hầu như không có gì thay đổi. Nhưng không thể là nói hình dáng của đường ray vĩnh viễn sẽ không thay đổi. Các kỹ sư đường sắt vẫn đang nghiên cứu vấn đề này, hy vọng có thể tìm ra hình dáng của đường ray hợp lý hơn và kinh tế hơn.

Kết cấu đường ray

Đường ray cùng với bộ phận chuyển ray (bẻ ghi) dẫn hướng cho tàu hoả hay xe điện di chuyển mà không cần lái. Tuyến đường ray gồm 2 ray song song với nhau đặt trên các thanh ngang gọi là tà vẹt, tà vẹt được đặt trên lớp đá dăm gọi là đá ba lát. Liên kết giữa các thanh ray và thanh nối tà vẹt là đinh ray, đinh ốc hoặc kẹp. Loại liên kết phụ thuộc một phần vào loại vật liệu tà vẹt, các loại đinh được dùng khi tà vẹt bằng gỗ, còn nếu tà vẹt bằng bê tông thì phần lớn dùng kẹp ray hoặc dùng liên kết bằng bu lông.

Với loại tà vẹt bằng gỗ, người ta thường đặt bản đệm giữa thanh ray và tà vẹt tăng diện tích truyền áp lực của thanh ray xuống tà vẹt (để làm giảm ứng suất). Hoặc người ta bắt đinh thẳng từ thanh ray xuống xuyên qua lỗ trên bản đệm, hoặc người ta bắt đinh liên kết bản đệm với thanh tà vẹt, còn thanh ray bắt vào bản đệm bằng kẹp.

Tà vẹt

Tà vẹt (từ chữ Traverse trong tiếng Pháp, có nghĩa là nối, ngang qua) thường có mặt cắt hình chữ nhật dặt dưới thanh ray.

Thanh nối tà vẹt được đặt theo chiều ngang so với hướng tàu chạy. Thanh ray gối lên tà vẹt và gắn cố định lên tà vẹt.

Vai trò của tà vẹt là truyền áp lực từ thanh ray xuống lớp đá ba lát rồi xuống nền đất và cố định khoảng cách giữa 2 thanh ray tạo thành khổ đường ray.

Thanh tà vẹt truyền thống làm bằng gỗ tốt, có loại bằng thép hoặc composite, ngày nay người ta càng ngày càng sử dụng nhiều tà vẹt bằng bêtông vì khan hiếm gỗ đồng thời do những ưu điểm của bêtông về khả năng chịu lực cũng như độ bền.

Khổ đường ray

Khổ đường ray là khoảng cách giữa hai mép trong của hai thanh ray. Có rất nhiều khổ đường ray từng được sử dụng trên thế giới từ 597 milimét (23,5 in) cho đến 1.829 milimét (72,0 in). Hiện nay khổ ray tiêu chuẩn quốc tế là 1.435 milimét (56,5 in) với 60% các tuyến đường ray trên thế giới sử dụng loại ray này. Khổ ray nhỏ hơn gọi là khổ hẹp và ngược lại là khổ rộng.