Tại sao xe lửa sử dụng bánh xe kim loại và ô tô sử dụng lốp cao su?

Xe có nhiều hình dạng và kiểu dáng, mỗi loại sử dụng các công nghệ khác nhau để vận hành hiệu quả. Ví dụ, ô tô và xe buýt di chuyển trên đường sử dụng lốp cao su, trong khi xe lửa và tàu điện ngầm chạy trên đường ray sử dụng bánh xe kim loại. Lý do đằng sau những lựa chọn khác nhau này bắt nguồn từ một yếu tố quan trọng: ma sát.

Ma sát là gì?

Ma sát là lực xảy ra khi hai bề mặt tiếp xúc, cản trở chuyển động của chúng. Các bề mặt tiếp xúc càng mịn thì càng ít ma sát, cho phép chúng chuyển động nhanh hơn so với nhau.

Khi xem xét thiết kế xe, ma sát đóng một vai trò quan trọng. Tốc độ di chuyển của một chiếc xe và loại địa hình mà nó đi qua ảnh hưởng rất lớn đến loại bánh xe mà nó cần.

Tại sao xe lửa sử dụng bánh xe kim loại?

Xe lửa được thiết kế để di chuyển với tốc độ cao trên quãng đường dài đồng thời mang theo tải trọng khổng lồ. Chúng chạy trên đường trơn tru, đều đặn, cho phép chúng duy trì tốc độ với ma sát tối thiểu. Bánh xe kim loại giảm ma sát đáng kể—từ 85% đến 99%—so với các vật liệu khác. Điều này là do cả đường ray và bánh xe đều được làm bằng kim loại mịn, cho phép chuyển động hiệu quả hơn, không ma sát hơn.

Hơn nữa, tàu không cần phải dừng đột ngột. Với trọng lượng và sức mạnh to lớn, chúng dựa vào động lượng để tiếp tục di chuyển, nghĩa là chúng không cần bánh xe tạo ra nhiều ma sát. Lốp cao su, vốn tạo ra nhiều ma sát hơn, sẽ cần nhiều năng lượng hơn đáng kể để di chuyển đoàn tàu hạng nặng, khiến chúng không thực tế.

Tại sao ô tô sử dụng lốp cao su?

Mặt khác, ô tô cần di chuyển trên đường và thường phải đối mặt với những địa hình không bằng phẳng, khó lường như ổ gà, đường đất. Để giải quyết vấn đề này, ô tô cần bánh xe có độ bám chắc chắn, điều này có thể thực hiện được nhờ lốp cao su. Ma sát giữa cao su và mặt đường mang lại cho xe lực kéo cần thiết để lái xe an toàn và êm ái.

Không giống như tàu hỏa, ô tô cần dừng và khởi động thường xuyên. Lốp cao su giúp dừng và khởi động nhanh chóng, mang lại lực ma sát cần thiết để lái xe an toàn. Ngoài ra, lốp cao su rẻ hơn và dễ thay thế hơn so với bánh xe kim loại, khiến chúng trở thành lựa chọn thiết thực hơn cho những phương tiện thường xuyên bị hao mòn.

Kết luận: Ma sát xác định thiết kế bánh xe

Tóm lại, ma sát là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến việc thiết kế bánh xe cho các loại xe khác nhau. Tàu hỏa cần di chuyển nhanh với tải nặng nên sử dụng bánh xe kim loại để giảm ma sát. Ô tô phải di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau nên cần có lốp cao su để tăng ma sát và cải thiện độ bám đường.