Hiểm hoạ từ những đoạn đường cong (Quán tính li tâm) pdf

Hiểm hoạ từ những đoạn đường cong
(Quán tính li tâm)
Chất lượng đường xá được nâng cấp từng ngày nhưng
ít người quan tâm tới việc điều chỉnh các đoạn đường
cong để hạn chế ảnh hưởng của lực ly tâm. Đây chính là
nguyên nhân gây ra những tai nạn "bí hiểm".

Lực ly tâm làm đồ vật trên xe chuyển động ngược với
hướng lái. (Hyperphysics)

Có thể đưa ra những đoạn đường cong thường xuyên xảy ra
tai nạn do lực ly tâm. Thứ nhất, đó là đoạn cong từ thành
phố Thái Bình về thị trấn Diêm Điền. Có thời gian, trên
quãng đường này xảy ra đến 20 vụ tai nạn cùng một hiện
tượng: Xe máy, ôtô đều bị đẩy về một phía bên đường, đập
vào cây hoặc đẩy xuống ruộng, gây hỏng xe và tử vong cho
người điều khiển và hành khách.

Đoạn đường sắt cong trên đèo Lăng Cô cũng ở vào tình
trạng đó, bán kính cong không thay đổi, nhưng thời gian
hành trình được khuyến khích giảm dần nên tốc độ tàu chạy
tăng lên, lại không có những cảnh báo, hạn chế tốc độ cụ
thể, chi tiết, tai nạn là khó tránh khỏi.

Đặc biệt nhất có lẽ là tuyến Pháp Vân - Cầu Giẽ, đoạn
đường thường xảy ra các vụ tai nạn lạ thường trong thời
gian qua. Một số ý kiến cho rằng, nguyên nhân do địa điện
từ gây ra. Tuy nhiên, theo tiến sĩ Hà Duyên Châu, Phó Viện
trưởng Viện Vật lý địa cầu, khó có thể khẳng định như vậy,
vì chỉ có bão từ xảy ra với cường độ mạnh mới ảnh hưởng
đến sức khỏe con người. Ông Châu nói: "Trên đoạn đường

Pháp Vân - Cầu Giẽ nếu có vấn đề về từ trường thì đó chỉ
là những dị thường về từ trường mà thôi, không có liên
quan đến việc lái xe an toàn".

Các thành phần của lực ly tâm. (Apollo)

Những tai nạn dị thường trên đoạn đường Pháp Vân - Cầu
Giẽ là do lực ly tâm gây nên. Nguyên nhân chính là do nền
đường không vững, sụt lún nhiều làm cho mặt đường vồng
lên, lõm xuống, không phẳng. Nguy hiểm hơn nữa là đoạn
vồng lên, lõm xuống nối tiếp nhau. Đứng ở phía bên
đường, nhìn dọc theo tuyến rất dễ nhận ra những đoạn
đường kiểu này. Ôtô hoặc xe máy chạy với tốc độ cao trên
những đoạn đường như thế này sẽ tạo ra lực ly tâm đứng,
tác động vào xe. Khi xe đi từ đoạn vồng lên sang đoạn lõm
xuống, trọng lượng xe đang từ nhẹ bỗng trở lên rất nặng, tự
như ta nhồi quả bóng, khiến xe trở nên bất định, bị lắc và
lăng sang ngang. Quy trình này lặp đi lặp lại liên tiếp vài
lần thì tai nạn xảy ra là điều dễ hiểu.

Dưới đây xin nêu ra cách tính toán cụ thể lực ly tâm, phát
sinh khi xe chạy trên đoạn đường cong. Có hai loại đường
cong là: cong trên mặt bằng và cong trên mặt phẳng đứng.
Ở hai loại đường cong này tuy lực ly tâm khi xe chạy là
một, nhưng chiều của lực so với mặt phẳng ngang là khác
nhau.

Đoạn đường cong trên mặt phẳng nằm ngang

Khi xe chạy trên đoạn đường cong, sẽ xuất hiện một lực ly

tâm có điểm gốc là trọng tâm xe, phương nằm ngang, chiều
hướng từ tâm của đoạn cong ra ngoài. Độ lớn của lực ly
tâm bằng khối lượng xe nhân với bình phương của vận tốc
và chia cho bán kính cong của đoạn đường.

Hình mô tả lực ly tâm khi đi vào đoạn đường cong.
(Muextension)
Center of Gravity: Trọng tâm
Tires becomes pivot points: Lốp trở thành những điểm chịu
lực
Centrifugal force: Lực ly tâm
Direction of turn: Hướng lái

Ví dụ, một xe có khối lượng là 5.000 kg, chạy trên đoạn
đường cong có bán kính cong là 50 m. Tốc độ xe chạy là 50
km/h, tức 13,89 m/s, bình phương lên được con số 192,9
(m/s)2. Lực ly tâm khi đó sẽ là 19.290 N, đẩy vào trọng
tâm xe theo phương nằm ngang, theo chiều từ tâm của đoạn
đường cong hướng ra ngoài. Ngoài lực ly tâm, xe còn có
trọng lực. Trọng lực bằng khối lượng xe nhân với gia tốc
trọng trường (g=10 m/s2). Lực ly tâm và trọng lực tạo
thành một hợp lực.

Hợp lực này cũng xuất phát từ trọng tâm xe kéo xuống theo
một phương nghiêng, điểm chạm với mặt đường sẽ có
khoảng cách đến tim của mặt đế xe bằng độ cao của trọng
tâm xe trên mặt đường nhân với tỷ số của lực ly tâm với
trọng lực xe. Như ở ví dụ trên, tỷ số của lực ly tâm với
trọng lực xe là 0,39, nếu trọng tâm xe cao hơn mặt đường là
1,5 m thì khoảng cách từ điểm chạm mặt đường của hợp

lực đến tim mặt đế là 0,585 m. Trong trường hợp này nếu
mặt đế xe có chiều rộng nhỏ hơn hai lần khoảng cách trên,
tức là nhỏ hơn 1,17 m thì xe bị đổ về phía đối diện với tâm
của đoạn đường cong. Chiều rộng mặt đế xe là khoảng cách
giữa hai mặt ngoài của bánh xe.

Cũng với trường hợp này, nếu xe chạy với vận tốc 80 km/h,
tức là 22,22 m/s, lực ly tâm sẽ tăng lên gần gấp đôi và bằng
49.372 N. Điểm chạm mặt đường của hợp lực sẽ cách tim
bản đế xe 1,5 m. Nếu chiều rộng của xe nhỏ hơn 3 m thì xe
sẽ bị đổ.

Như vậy có thể đưa ra 4 yếu tốc tác động tới hiện tượng lật
xe. Thứ nhất, tốc độ càng cao càng nguy hiểm, như đã thấy
ở ví dụ trên, tốc độ xe tăng 60%, lực ly tâm tăng 160%.
Thứ hai, bán kính cong của đoạn đường càng nhỏ càng bất
lợi. Thứ ba, xe càng chất nặng, xếp cao càng nguy hiểm, vì
trọng tâm xe càng cao so với mặt đường. Cuối cùng, chiều
rộng đế càng hẹp xe càng dễ đổ.

Điều này giải thích tai nạn đổ tàu E1 , vì tuy bán kính cong
của đường sắt thường không nhỏ hơn 100 m, nhưng khoảng
cách giữa hai thanh ray tức là chiều rộng của mặt đế lại
hẹp, thường không quá 1,2 m, nên hợp lực của trọng lực và
lực ly tâm dễ kéo ra ngoài mặt đế, gây đổ tàu. Do đó, ở
đoạn đường ray có bán kính cong 100 m, thường phải hạn
chế tốc độ dưới 60 km/h. Nếu chạy quá 60 km/h thì tai nạn
xảy ra là khó tránh khỏi.

Đoạn đường cong theo mặt phẳng đứng:

Đây là đoạn đường có tuyến thẳng trên mặt bằng, nhưng bị
uốn vồng lên hoặc lõm xuống, trường hợp này lực ly tâm
vẫn tính như trên và xuất phát từ trọng tâm xe, nhưng có
phương thẳng đứng, có chiều từ dưới lên trên nếu đường
cong vồng lên. Còn chiều từ trên xuống dưới, nếu đường
cong lõm xuống.

Với ví dụ xe có khối lượng 5.000 kg, chạy với tốc độ 60
km/h trên đoạn đường cong theo mặt phẳng đứng, vồng lên,
với bán kính cong 50 m. Trường hợp này, lực ly tâm bằng
27.750 N, nhưng có chiều thẳng đứng từ dưới lên trên.
Trọng lực xe vẫn tính như trên bằng 50.000 N. Do lực ly
tâm và trọng lực ngược chiều nên trọng lực xe còn 22.250
N, tức là xe nhẹ đi quá nửa, xe sẽ có hiện tượng như đi trên
đường trơn, hệ số ma sát nhỏ đi quá nửa, dễ bị trượt sang
ngang do tay lái đột nhiên nhẹ bỗng. Cũng trường hợp này,
nếu xe chạy với tốc độ 80 km/h, lực ly tâm sẽ bằng 49.327
N, nghĩa là xấp xỉ bằng trọng lực. Lúc này hầu như xe
không bám đường nữa, giống như bị nhấc bỗng lên, tay lái
mất tác dụng và xe hoàn toàn bất định, bị lăng sang ngang
theo quán tính.
PGS. TS. Nguyễn Duy Hạnh