Nếu đã đi xe lửa, hoặc ngang qua đường ray thì chắc hẳn bạn sẽ cảm phục thiết kế tài tình của hàng ngàn km đường này, nó đứng đó qua năm tháng, mưa gió hay thiên tai, chịu hàng trăm tấn tàu đè lên, bạn hẳn cũng thấy dưới đường ray luôn rải đầy đá nhỏ – đó chính là bí quyết.
Chúng ta đều biết rằng đường ray xe lửa được thiết kế gồm hai thanh ray đặt song song nhau và được gắn cố định trên các thanh tà vẹt và tất cả đều được đặt trên một lớp đá dăm (còn được gọi là đá ba lát). Lớp đá lót này giúp các thanh tà vẹt không bị xê dịch, từ đó giúp cho hai thanh thép đường ray được giữ cố định.
Những kỹ sư thiết kế đường ray phải cân nhắc vô số vấn đề nan giải: Hai hàng thanh thép kéo dài nhiều km trên mặt đất có thể bị co giãn dưới tác dụng của nhiệt, mặt đất dịch chuyển hoặc rung động, tác động lâu dài của thời tiết khắc nghiệt, và cỏ dại rất dễ phát triển bên dưới đường ray. Ngoài ra, hầu hết thời gian hai thanh thép sẽ chỉ nằm yên ở đó, và chỉ 1% thời gian là chúng phải chịu trọng tải lên tới 400 tấn từ những đoàn tàu.
Từ 200 năm trước, các kỹ sư ngành đường sắt đã bắt đầu sử dụng nhiều vật liệu nhằm giải quyết tất cả vấn đề vừa nêu. Sau khi thử nghiệm qua nhiều loại vật liệu khác nhau thì đá ba lát tỏ ra thích hợp hơn cả, và bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ năm 1840.
Đá ba lát hiệu quả như vậy vì chúng sở hữu một đặc tính gọi là “nội ma sát của tập hợp đá”. Đặc tính này quan trọng như thế nào? Để đơn giản, hãy tưởng tượng trước mặt bạn một đụn cát và một đống đá ba lát có độ cao ngang nhau. Khi bạn đẩy đụn cát, nó sẽ bị di chuyển rất dễ dàng, nhưng đống đá ba lát thì hầu như chẳng xê dịch chút nào dù cho bạn có cố sức. Tương tự, khi bạn đứng trên đụn cát, nó dễ dàng bị sụt xuống, nhưng khi bạn đứng trên đống đá, nó vẫn không hề suy suyển. Đây chính là nội ma sát.
Nền đất dưới đường ray được đắp cao lên để tránh bị ngập nước. Trên nền tảng đó, người ta lót một lớp đá ba lát rồi xếp những thanh tà vẹt lên trên (mật độ là khoảng hơn 2000 thanh trên 1 km đường ray). Cuối cùng, những viên đá dăm sắc cạnh này lại được đổ vào khoảng cách giữa những thanh tà vẹt, giúp cố định chúng một cách hiệu quả.
Giải pháp này nghe có vẻ đơn giản nhưng lại có thể giải quyết rất nhiều vấn đề: Khối lượng của tàu hỏa được phân bố ra khắp nền đường ray, hai thanh ray có thể giãn nở mà không bị uốn cong, nước mưa hay tuyết dễ dàng thấm xuống nền đất, cũng ngăn ngừa cỏ dại phát triển.
Tàu hỏa là một phương tiện giao thông được đánh giá là khá an toàn, nhưng chỉ một sai sót nhỏ trên đường ray có thể dẫn đến tai nạn thảm khốc. Ở một mức độ nào đó, chính những lớp đá trông có vẻ rất thô kệch, xù xì kia lại đang bảo hộ sự an toàn của hàng triệu hành khách đi tàu khắp nơi trên thế giới.
Video:
Ngọc Thuần