Tại sao xe lửa cần chạy trên đường ray?

Một ô tô tải nếu đỗ trên mặt đường đá vụn, 15 người mới đẩy nó đi được. Nhưng nếu một toa xe lửa có cùng trọng lượng đỗ trên đường ray thép, chỉ 2 người là đủ đẩy nó tiến lên. Vấn đề mấu chốt ở đây là sức cản lăn. Đại lượng này chênh nhau tới 7,5 lẩn ở hai loại xe.

Khi đi xe đạp trên đường rải nhựa phẳng lì bạn sẽ cảm thấy rất dễ chịu, còn khi đi xe trên đường đá vụn gồ ghề khấp khểnh bạn sẽ cảm thấy tốn sức. Tương tự, khi lốp xe đạp bơm căng, ngồi lên xe cảm thấy dễ chịu. Khi lốp non hơi, đạp xe sẽ tốn sức.

Vấn đề cũng vẫn là 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 đẩu 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 sức cản lăn giảm đi rất nhiều.

Mặt khác, do bản thân 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, trọng lực của xe lửa được dàn đều nên có thể tránh được tình trạng đó.

Ngoài ra, giữa hai thanh ray của đường sắt có khoảng cách nhất định, gọi là chiều rộng đường ray, nó phù hợp với khu vực 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.