Vì sao xe lửa phải chạy trên đường ray?

Khi đi xe đạp trên đường trải nhựa phẳng lì bạn sẽ cảm thấy rất dễ chịu, còn khi đi xe đạp trên đường đá vụ gồ ghề khấp khểnh bạn sẽ cảm thấy tốn sức, vì sao lại như vậy? Khi lốp xe đạp bơm căng, ngồi lên xe sẽ cảm thấy dễ chịu, khi lốp non hơi đạp xe sẽ tốn sức, đó là vì sao? Thì ra đó đều là do vấn đề sức cản lăn. Đường nhựa phẳng lì và lốp xe đạp bơm căng thì sức cản lăn nhỏ, người ngồi trên xe đạp cảm thấy dễ chịu. Vì vậy giảm sức cản lăn là một khâu chủ yếu trong việc nâng cao hiệu quả vận chuyển. Những xe lửa đầu tiên là những xe bánh gỗ chạy trên đường ray gỗ do ngựa kéo, sức cản lăn rất lớn. Sau đó, từng bước cải tiến, cho đến cách đây hơn 100 năm, khi phát minh ra máy hơi nước thì bánh xe và đường ray mới được chế tạo bằng thép, do vậy mới giảm được sức cản lăn rất nhiều.

Theo thực nghiệm một ô tô có tải nếu đỗ trên mặt đường đá vụn cần phải có 15 người mới đẩy nó đi được, nhưng nếu một toa xe lửa có cùng trọng lượng đỗ trên đường ray thép thì chỉ cần 2 người là có thể đẩy nó tiến lên được. Sức cản lăn của hai loại xe chênh nhau 7,5 lần. Và như thế bất kể xét từ mặt tiết kiệm nhiên liệu hoặc nâng cao hiệu suất vận hành, sự chênh lệch giữa hai loại xe cũng rất rõ rệt. Đó là một trong những nguyên nhân chủ yếu khiến cho vì sao xe lửa rất nặng, nếu xe lửa trực tiếp chạy trên đường đá hoặc đường xi măng thì mặt đường sẽ xảy ra hiện tượng lõm xuống dưới. Dùng ray thép và tà vẹt có thể tránh được tình trạng đó.

Có nguyên nhân nào khác nữa không? Có đấy. Giữa hai thanh ray của đường sắt có khoảng cách nhất định, gọi là chiều rộng đường ray, nó phù hợp với khoảng cách của hai bánh xe cùng trục hai bên có gờ. Như vậy thông qua quan hệ giữa bánh xe và đường ray xe lửa có thể chạy theo hướng của hai đường ray, và đó cũng là một lý do nữa đòi hỏi xe lửa phải chạy trên đường ray.