Xe lửa

Vào 1 đêm mưa gió, chuyến xe lửa mang số N2 lầm lũi băng xuyên rừng rậm, không hề quan tâm đến mưa gió bên ngoài. Tùng, người lái đầu máy xe lửa, cảm thấy bất an, sợ rằng phía trước có cây ngã cản đường. Thỉnh thoảng anh thò đầu ra ngoài khung cửa, cố gắng nhìn. Nhưng, đường rừng tăm tối quá, anh không thấy được gì cả. Dường như phía trước đầu máy có 1 người đàn bà đang cố bám vào đầu máy, cuống quít vảy tấm khăn trắng, như đang cầu cứu khẩn thiết. Hình ảnh ấy mỗi lúc một rõ hơn, làm Tùng cảm thấy chột dạ. Anh quyết định ngửng xe để xem anh có thể giúp gì cho người đàn bà đó hay không. Xuống xe, anh đi lòng vòng tìm kiếm người đàn bà đó. Nhưng không có bóng dáng của ai cả, ngoại trừ 1 mảnh lá cây khá to, vướng vào đầu máy, còn đang phật phờ trong gió. Tùng rùng mình, tưởng như mình đã gặp ma. Sẵn lúc xe lửa còn đang ngừng, Tùng đi dọc theo đường ray về phía trước để xem có cây gảy ngã hay không. Bỗng anh hốt hoảng khi phát hiện chiếc cầu phía trước đã gảy đổ! Suýt chút nữa anh đã vô tình vùi chiếc xe lửa xuống dòng sông. Đây là 1 phần của 1 truyện ngắn được xuất bản nhiều năm về trước ở Sài Gòn (có lẽ truyện này đã được phóng tác từ The Signal-Man của Charles Dickens).

Chuyện người lái xe lửa có thể thò đầu ra ngoài đầu máy quả là 1 chuyện xưa, vì bây giờ buồng lái xe lửa kín mít và xe lửa không còn có lửa nữa (nhưng chúng ta vẫn quen gọi “xe lửa”, hay “tàu hỏa”)! Từ thời Trung cổ, con người đã có thể vận chuyển khối lượng hàng hóa lớn bằng đường thuỷ. Đến thời Cách mạng Công nghiệp, khi cần vận chuyển số lượng than đá to lớn trên đất liền, người ta đã chế tạo ra xe lửa. Sau đó, người ta canh tân xe lửa để di chuyển con người; và từ đó xe lửa tiếp tục được cải tiến cho đến thời cận đại. 

Đầu máy xe lửa đầu tiên được chạy bằng hơi nước (mang tên New Castle, do Richard Trevithick thiết kế năm 1803, ở Anh quốc). Điểm đáng chú ý là cái trục khuỷu (crankshaft) biến đổi chuyển đổi thẳng (linear motion) của piston thảnh chuyển động tròn của bánh xe. Về sau, phương cách này tiếp tục được sử dụng trong các loại xe dùng combustion engine. Hình bên dưới minh họa nguyên tắc sử dụng của đầu máy xe lửa hơi nước (steam locomotive). Mời bạn xem How a Steam Locomotive Works để biết thêm chi tiết.

Ở Việt Nam, chuyến xe lửa hơi nước chạy lần đầu tiên vào ngày 27 tháng 12 năm 1881 trên tuyến đường Sài Gòn - Chợ Lớn (ngưng hoạt động vào năm 1953) và ngày 20 tháng 7 năm 1885 trên tuyến đường Sài Gòn - Mỹ Tho (chấm dứt hoạt động vào năm 1958). Miền bắc Việt Nam từng chế tạo xe lửa hơi nước dựa theo phiên bản của Trung quốc, thí dụ như xe lửa mang tên Tự Lực được sản xuất trong thập niên 1960. 

tuyến đường Sài Gòn - Chợ Lớn

tuyến đường Sài Gòn - Mỹ Tho

Bên phải là hình chiếc đầu máy xe lửa chạy bằng hơi nước của Việt nam mang tên Tự Lực  số hiệu 141-179, hiện đang được phục hồi (năm 2024).  Nhắc đến xe lửa hơi nước, chắc nhiều người không quên tiếng xe lửa hì hục leo dốc trong bài Xe Lửa Mùng 5 - Trần Văn Trạch. Muốn biết thêm về các đầu máy xe lửa của Việt Nam, mời bạn đọc Các loại đầu máy toa xe từng được sử dụng ở Việt Nam.

Mời bạn xem chiếc xe lửa vận hành bằng hơi nước Cuyahoga Valley Scenic Railroad: Steam in the Valley ở OHIO (năm 2025!).  

                 

Năm 1897, Tiến sĩ Rudolf Christian Karl Diesel (1 người tài hoa, nhưng bạc mệnh) đã sáng chế đầu máy chạy bằng dầu cặn (hay còn gọi là dầu Diesel) để nâng cao công suất của combustion engine. Chiếc đầu máy xe lửa chạy bằng dầu Diesel cũng tương tự như máy chạy bằng hơi nước, như được minh họa trong hình dưới đây.

Năm 1837, lần đầu tiên thế giới có chiếc đầu máy chạy bằng pin do Robert Davidson ở Scotland sáng chế, nhưng máy này rất yếu. Năm 1879, Werner von Siemens trình làng chiếc xe điện chở hành khách ở Berlin, chạy bằng điện 150 VDC, với điện lấy từ 1 đường ray thứ ba. Hình bên phải minh họa 1 loại đường ray thứ ba (third rail).

Đến năm 1891, Charles Brown người Thụy Sĩ chế chiếc đầu máy chạy bằng điện đầu tiên “AC 3 pha” (với điện lấy từ đường dây điện treo ở phía trên đầu máy). Cấu trúc của đầu máy xe điện được minh họa trong hình dưới đây.

Khi xe “lửa” đổi thành xe “điện” thì trục khuỷu biến mất vì bánh xe được quay bằng động cơ chạy bằng điện. Các xe điện bây giờ chạy mau được, 1 phần là nhờ vào cách cấu trúc mới của đầu xe (nhằm giảm thiểu sức cản của gió - aerodynamic drag).

Gần đây hơn, xe lửa có thể “bay” vì khi chạy, xe được nâng lên cao khỏi đường ray vài mm! Người ta gọi loại xe này là xe đệm từ (maglev - magnetic levitation) vì người ta dùng nam châm trên thân xe và nam châm trên đường ray để nâng xe lên, đồng thời để đẩy xe. Hình dưới đây minh họa cấu trúc của xe đệm từ.

Muốn biết quốc gia nào trên thế giới từng sử dụng xe lửa để vận chuyển hành khách, mời bạn đọc Lịch sử phát triển của Tàu hỏa và How Trains Work.

Ngoài các đầu máy xe lửa ở phía trên, người ta cũng từng nghĩ đến việc chế tạo đầu máy xe lửa theo kiểu khác, thí dụ như:

·        chạy bằng lò nguyên tử (Dr. Lyle Borst, Utah University) vào đầu thế kỷ thứ 19; cuối cùng bị bỏ dở, vì không thực tế (not practical);

·        chạy bằng dầu lửa (do Gottlieb Daimler chế tạo năm 1887);

·        chạy bằng xăng (do Maudslay Motor Company chế tạo ở Anh quốc, vào đầu thế kỷ 20);

·        dùng máy diesel tạo ra điện và dùng điện quay bánh xe (diesel-electric) vào gần cuối thế kỷ 20 (vào năm 2024, Việt Nam vẫn đang dùng loại đầu máy này) - xin đừng lầm với electro diesel locomotive, 1 loại xe lửa có thể chạy bằng dầu diesel, hoặc bằng điện;

·        chạy bằng gas và điện (gas turbine-electric);

·        dùng khí hydrogen để chạy internal combustion engine, hoặc để chạy máy phát điện (hydrail).

Trong hàng trăm năm qua, xe lửa chạy càng ngày càng mau hơn. Mời bạn xem vận tốc kỷ lục của các loại xe lửa trong bảng dưới đây.

Vận tốc kỷ lục của xe lửa

Đầu máy xe lửa	Vận tốc kỷ lục	Ngày	Quốc gia
hơi nước “4468 Mallard Class A4”	160 km/h	1938	Anh quốc
dầu diesel (InterCity 175)	201 km/h	1976	Anh quốc
điện TGV  (Train à Grande Vitesse)	574.8 km/h	3 tháng 4, 2007	Pháp
đệm từ	603 km/h	21 tháng 4, 2015	Nhật bản

Mời bạn xem TRACK 101: How does track work? và How railroads design grades and curves để biết:

·        đường ray được lắp ráp như thế nào (xem Railway track để biết thêm chi tiết);

·        làm sao đặt đường ray xuyên qua trục giao thông trong thành phố (để đường ray bằng phẳng với mặt đường);

·        làm sao để giữ khoảng cách cố định giữa 2 đường ray;

·        cách đo độ cong của đường ray;

·        trong đoạn đường cong, 1 đường ray được nâng cao hơn 1 chút để lực ly tâm giúp xe không bị lật;

·        lý do bánh xe lửa bằng sắt (EA1N grade steel) có chỗ dày, chỗ mỏng;

·        độ dốc của đường ray (thường ít hơn 2%).

Đối với loại xe lửa leo núi, độ dốc thường rất cao, nên người ta phải lắp thêm răng cưa vào đường sắt (và xe lửa) để giúp xe lửa bám vào đường ray. Mời bạn xem Riding the World's Steepest Cogwheel Railway in Switzerland's Alps | Pilatus Bahn để biết thêm chi tiết. Loại xe lửa bình thường chạy trên đường không dốc lắm được gọi là adhesion railways (xe chạy nhờ vào sức ma xát giữa bánh xe và đường ray), và loại xe lửa leo núi được gọi là cogwheel railway. Việt Nam có đường sắt leo núi, nối liền nhà ga Tháp Chàm (Bình Thuận) với nhà ga Đà Lạt. Ngày xưa, đường sắt này bắt đầu được xây cất từ năm 1908; mãi đến năm 1932 toàn tuyến đường sắt dài 84 km mới được hoàn tất. Sau 1975, đường sắt Tháp Chàm – Đà Lạt bị hủy bỏ; xe lửa được tháo gỡ và bán cho Thụy Sĩ. Thụy Sĩ đã phục hồi đầu máy xe lửa để đón du khách trên vùng núi Apls. Dưới đây là 1 vài hình ảnh hiếm hoi về tuyến đường độc đáo này:
	Steepest Cogwheel

Xe lửa HG 4/4 do Thụy Sĩ sản xuất đang vận hành tại khu vực đèo Ngoạn Mục khoảng năm 1930	Răng cưa trên đường ray	Xe lửa phục hồi từ đầu máy cũ của Việt nam

Có lẽ bạn cũng như người viết đều nghĩ rằng xe lửa thường chạy trên 2 đường ray. Ít ai biết rằng vào năm 1903 kỹ sư Louis Phillip Brennan đã đăng ký bản quyền chế tạo xe lửa chạy trên 1 đường ray (monorail) dựa theo nguyên lý “con quay hồi chuyển” (gyroscopic principle) để giúp cân bằng. Vào ngày 10 tháng 11 năm 1909, ông trình làng sản phẩm của ông trước sự ngạc nhiên và thán phục của quan khách. Người chuyên môn cho rằng loại xe lửa này chỉ thích hợp với xe lửa chở hành khách vì toàn thể sức nặng của xe dồn lên 1 đường ray duy nhất, dễ bào mòn bánh xe và đường ray.

Từ đó kỹ thuật làm đường ray và hệ thống cân bằng xe lửa được canh tân cho đến ngày nay. Ở những nơi vui chơi giải trí (như Disneyland), hoặc ở các phi trường to lớn (có nhiều chi nhánh), người ta dùng xe điện không người lái chạy trên “trời” đưa hành khách đến các tụ điểm khác nhau (automated people mover). Cũng có loại monorail “treo ngược” (suspended) chạy trên trời như trong hình dưới đây. Một điểm đáng quan tâm là các monorails đều chỉ dành để vận chuyển hành khách (mà không thể vận chuyển khối lớn hàng hóa nặng nề). Mời bạn xem xe monorail ở thành phố Vũ Hán, Trung quốc, trong YouTube video clip The World WON'T Believe China's New Infrastructure.

	Disneyland Monorail	Japan's Upside Down Train Like a Thrill Ride

Mời bạn xem How a Diesel-Electric Locomotive Works để biết thêm nhiều chi tiết về xe lửa chạy bằng dầu diesel hiện đại, bao gồm:

·        các bộ phận trong đầu máy xe lửa và các thuật ngữ chuyên môn về xe lửa bằng tiếng Anh;

·        mắc xích (coupler) nối đầu máy với toa xe;

·        máy diesel hoạt động như thế nào;

·        động cơ quay bánh xe;

·        hệ thống thắng xe;

·        Phòng lái;

·        Phòng nghỉ ngơi của tài xế.

Muốn biết cách đổi đường ray của xe lửa, mời bạn xem How do TRAINS STEER? | Switches 101.

Ngày 14 tháng 10 năm 1966, Montreal Metro khánh thành tuyến metro đầu tiên trên thế giới, với xe điện ngẩm chạy bằng bánh cao su (rubber-tired underground rapid transit system). Các bánh xe cao su đặt ở 2 bên của toa xe, chạy trên nền xi măng, ít gây tiếng ồn hơn, so với các xe có bánh bằng sắt, chạy trên đường ray. Tuy nhiên, loại xe metro này cũng có đường ray (để hướng dẫn xe đi đúng đường).

Thay vì dùng đường ray bằng sắt, monorails (chạy bằng điện) dùng 1 đường làm bằng bê tông để hướng dẫn đường đi. Tương tự như vậy, xe đệm từ cũng dùng 1 đường bằng bê tông (guideway) để hướng dẫn đường đi (nhưng trong khi đang di chuyển, xe không “chạm” vào guideway).

Nếu bạn tò mò muốn biết:

1.     xe lửa thắng như thế nào, mời bạn xem How Train Brakes Work: A Comprehensive Guide;

2.   tín hiệu cổng xe lửa được điều khiển tự động như thế nào ở Hoa kỳ, mời bạn xem How Railroad Crossing Signals Work (so với việc điều khiển bằng tay ở Hà Nội như trong Hanoi train street);

3.  việc điều khiển xe lửa lưu thông được canh tân như thế nào, mời bạn xem How Centralized Traffic Control makes rail traffic more efficient;

4.   tại sao bây giờ khi chạy, xe lửa không còn gây ra tiếng động nhịp nhàng như ngày xưa, mời bạn xem Why Railroads Don't Need Expansion Joints;

5.   lịch sử đường sắt của Trung quốc và những biến chuyển trong thời cận đại, mời bạn xem Chinese Railways: The World's Fastest Growing Railway System;

6.   Trung quốc xây đường xe lửa hiện đại như thế nào, mời bạn xem Monster Vehicles on High Speed ​​Railway Construction;

7.   điểm thu hút khách du lịch với đường xe lửa đi xuyên qua khu phố đông người ở Bangkok (tương tự như ở Hà Nội), mời bạn xem Maeklong Railway Market in Bangkok, Thailand;

8.   những tuyến đường xe lửa nguy hiểm nhất thế giới, mời bạn xem 20 Most Dangerous Railway Tracks In The World;

9.   chơi game lái xe lửa (bằng simulation) như thế nào, mời bạn xem Train Sim World.

Sau khi biết phần nào về xe lửa, chắc hẳn bạn tự hỏi không biết xe lửa sẽ biến chuyển như thế nào trong tương lai. Nếu đúng như vậy, mời bạn xem TOP 15 Future Train Concepts. Trong phần đầu của video này, người ta nhắc đến Hyperloop trains như 1 loại “xe lửa” tối tân trong tương lai. Thật ra, khái niệm về loại xe này đã từng được 1 nhóm sinh viên ở Đại học McGill, Montreal, đề xướng và kiểm chứng thành công (proof of principle) vào đầu năm 1968 như được ghi lại ở trang cuối của quyển McGill Homecoming 2023 Reunion Address.

Cuối cùng, thay cho lời kết, đố bạn biết lý do tại sao hỏa tiễn SRB (Solid Rocket Booster) trong chương trình Space Shuttle có đường kính không lớn lắm hay không? Thoạt nghe, tưởng chừng đây là 1 câu hỏi “trật đường ray”. Nhưng, thật ra không phải vậy.  Hãng Thiokol chế tạo SRB ở tiểu bang Utah và họ phải chở SRB đến Florida bằng xe lửa. Trên đường đi, xe lửa phải đi qua đường hầm (tunnel) và đường hầm có kích thước chỉ hơi lớn hơn khoảng cách giữa 2 đường ray (= 56.5”, 1 con số bắt nguồn từ hàng ngàn năm trước = bề ngang của chiến xa, căn cứ vào kích thước của mông 2 con ngựa!).

	2 Solid Rocket Boosters