Laido
22-03-2006, 04:03 PM
Được sự đồng ý của Phó Giáo sư, Tiến sỹ Nguyễn Duy Hạnh, Laido xin post lên đây bài viết về những đoạn đường thường xảy ra tai nạn giao thông mà báo chí đã nói đến trong những tháng gần đây cho mọi người tham khảo. Laido cho rằng đây là một cách nhìn theo khoa học (vật lý) rất đáng được quan tâm.
Tai nạn giao thông tiềm ẩn ở những đoạn đường cong
PGS. TS. Nguyễn Duy Hạnh
Có một loại tai nạn giao thông phát sinh ở các loại đường cong. Nguyên nhân do lực ly tâm gây ra, tuy đó là một hiện tượng vật lý mà hầu như ai cũng đã biết. Thế nhưng lại chưa bao giờ thấy có những lý giải đầy đủ. Cũng không thấy đề ra những biện pháp phòng chống đến mức biến thành quy định cụ thể. Cho nên tai nạn này có xu thế tăng dần. Bời vì nhiều con đường được nâng cấp nhưng những tuyến cong lại vẫn giữ nguyên như thiết kế ban đầu. Xe cộ thì tốc độ cứ tăng dần. Do đó tai nạn thường xảy ra trên các đoạn đường cong này.
Một đoạn cong trên đường từ thành phố Thái Bình về thị trấn Diêm Điền có thời gian đã xảy ra đến 20 vụ tai nạn cùng loại: Xe máy, Ôtô cùng 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 những người trên xe. Nhiều bài báo được đăng tải, nhưng hầu như không chỉ ra được nguyên nhân mà chỉ giải thích chung chung hoặc bỏ ngỏ lý do dẫn đến tai nạn. Có bài lại nói theo lời đồn đại là đoạn đường có ma, bà chúa bắt quân hầu, … Đoạn đường cong trên đường từ thành phố Hài Phòng và huyện Thái Thuỵ, đoạn đường cong ven hồ thuộc tỉnh Hà Nam … đến nay vẫn nảy sinh những tai nạn loại này. Đoạn đường sắt cong trên đèo Lăng Cô cũng ở vào tình trạng đó, bán kính cong vẫn không thay đổi, nhưng thời gian chạy tàu 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, nên tai nạn là khó tránh khỏi. Đặc biệt là đoạn đường Pháp Vân Cầu giẽ, thời gian qua được coi là đoạn đường thường xảy ra các vụ tai nạn lạ thường. Một số ý kiến cho rằng, những vụ tai nạn xảy ra trên đoạn đường Pháp Vân Cầu giẽ là do địa điện từ gây ra. Tuy nhiên, theo tiến sĩ Hà Duyên Châu, Phó Viện trưởng Viện Vật lý địa cầu, lại cho rằng khó có thể khẳng định nguyên nhân gây ra các vụ tai nạn là do trường điện từ, vì chỉ có bão từ xảy ra với cường độ mạnh mới ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Ông Châu nói: "Theo tôi, 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". Đây là ý kiến của một trong những Nhà khoa học hàng đầu nên rất đáng được quan tâm. Người viết cũng đồng ý với quan điểm này và cho rằng 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. Nếu 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, xe càng 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 khó tránh khỏi.
Để làm rõ vấn đề này, 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 xuất phát từ trọng tâm xe, có 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 xe và chia cho bán kính cong của đoạn đường. Ví dụ một xe có khối lượng là 5.000kg, chạy trên đoạn đường cong có bán kính cong là 50m. Tốc độ xe chạy là 50km/h, tức là 16,66m/s, bình phương của vận tốc là 277,5 (m/s)2. Lực ly tâm khi đó sẽ là 27.750N (Niu tơn), 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. Hai lực trên 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 là0,55, nếu trọng tâm xe cao hơn mặt đường là 1,5m thì khoảng cách từ điểm chạm mặt đường của hợp lực đến tim mặt đế là 0,825m. Trong trường hợp này nếu mặt đế xe có chiều rộng nhỏ hơn hai lần khoảng cách trên, tức là nhỏ hơn 1,65m thì xe bị đổ về phía đối diện với tâm của đoạn đườgn 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 80km/h, tức là 22,22m/s, lực ly tâm sẽ tăng lên gần gấp đôi và bằng 49.372N. Điểm chạm mặt đường của hợp lực sẽ cách tim bản đế xe 1,5m. Nếu chiều rộng của xe nhỏ hơn 3m thì xe sẽ bị đổ.
Có thể tóm tắt như sau: Khi xe chạy ở đoạn đường cong thì phát sinh lực ly tâm. Lực ly tâm tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc và tỷ lệ nghịch với bán kính cong của đoạn đường. Cho nên tốc độ càng cao càng nguy hiểm, như đã thấy ở ví dụ trên, tốc độ xe tăng 33,33%, lực ly tâm tăng 80%. Sau đó là bán kính cong của đoạn đường càng nhỏ càng bất lợi. Ngoài ra, xe càng chất nặng, xếp cao càng nguy hiểm, vì trọng tâm xe càng cao so với mặt đường. Mặt khác, chiều rộng đế xe càng hẹp xe càng dễ đổ. Điều này giải thích tai nạn đổ tàu, vì tuy bán kính cong của đường sắt thường không nhỏ hơn 100m, nhưng khoảng cách giữa hai thanh day tức là chiều rộng của mặt đế lại hẹp, thường không quá 1,2m, nên trọng lực của hợp lực và lực ly tâm dễ kéo ra ngoài mặt đế, gây đổ tàu. Do đó, ở đoạn đường ray có bán kính cong 100m, thường phải hạn chế tốc độ dưới 60km/h. Nếu chạy quá 60km/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 5.000kg, chạy với tốc độ 60km/h trên đoạn đường cong theo mặt phẳng đứng, vồng lên, với bán kính cong 50m. Trường hợp này, lực ly tâm vẫn bằng 27.750N, như tính ở ví dụ trên, nhưng có chiều thẳng đứng từ dưới lên trên. Trọng lực xe vẫn tính như trên bằng 50.000N. Do lực ly tâm, trọng lực xe còn 22.250N, 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 80km/h, lực ly tâm sẽ bằng 49.327N, 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. Nếu đường lõm xuống thì ngược lại xe sẽ nặng hơn, như ví dụ trên, xe sẽ nặng lên gấp rưỡi, gấp đôi.
Qua những phân tích ở trên thì hiện tượng xe tự đâm vào dải phân cách hoặc lao ra mép đường gây tai nạn là điều dễ hiểu. Và, với cách nhìn nhận vấn đề như vậy thì việc khắc phục mới có hiệu quả và dễ thực hiện.
Tai nạn giao thông tiềm ẩn ở những đoạn đường cong
PGS. TS. Nguyễn Duy Hạnh
Có một loại tai nạn giao thông phát sinh ở các loại đường cong. Nguyên nhân do lực ly tâm gây ra, tuy đó là một hiện tượng vật lý mà hầu như ai cũng đã biết. Thế nhưng lại chưa bao giờ thấy có những lý giải đầy đủ. Cũng không thấy đề ra những biện pháp phòng chống đến mức biến thành quy định cụ thể. Cho nên tai nạn này có xu thế tăng dần. Bời vì nhiều con đường được nâng cấp nhưng những tuyến cong lại vẫn giữ nguyên như thiết kế ban đầu. Xe cộ thì tốc độ cứ tăng dần. Do đó tai nạn thường xảy ra trên các đoạn đường cong này.
Một đoạn cong trên đường từ thành phố Thái Bình về thị trấn Diêm Điền có thời gian đã xảy ra đến 20 vụ tai nạn cùng loại: Xe máy, Ôtô cùng 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 những người trên xe. Nhiều bài báo được đăng tải, nhưng hầu như không chỉ ra được nguyên nhân mà chỉ giải thích chung chung hoặc bỏ ngỏ lý do dẫn đến tai nạn. Có bài lại nói theo lời đồn đại là đoạn đường có ma, bà chúa bắt quân hầu, … Đoạn đường cong trên đường từ thành phố Hài Phòng và huyện Thái Thuỵ, đoạn đường cong ven hồ thuộc tỉnh Hà Nam … đến nay vẫn nảy sinh những tai nạn loại này. Đoạn đường sắt cong trên đèo Lăng Cô cũng ở vào tình trạng đó, bán kính cong vẫn không thay đổi, nhưng thời gian chạy tàu 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, nên tai nạn là khó tránh khỏi. Đặc biệt là đoạn đường Pháp Vân Cầu giẽ, thời gian qua được coi là đoạn đường thường xảy ra các vụ tai nạn lạ thường. Một số ý kiến cho rằng, những vụ tai nạn xảy ra trên đoạn đường Pháp Vân Cầu giẽ là do địa điện từ gây ra. Tuy nhiên, theo tiến sĩ Hà Duyên Châu, Phó Viện trưởng Viện Vật lý địa cầu, lại cho rằng khó có thể khẳng định nguyên nhân gây ra các vụ tai nạn là do trường điện từ, vì chỉ có bão từ xảy ra với cường độ mạnh mới ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Ông Châu nói: "Theo tôi, 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". Đây là ý kiến của một trong những Nhà khoa học hàng đầu nên rất đáng được quan tâm. Người viết cũng đồng ý với quan điểm này và cho rằng 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. Nếu 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, xe càng 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 khó tránh khỏi.
Để làm rõ vấn đề này, 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 xuất phát từ trọng tâm xe, có 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 xe và chia cho bán kính cong của đoạn đường. Ví dụ một xe có khối lượng là 5.000kg, chạy trên đoạn đường cong có bán kính cong là 50m. Tốc độ xe chạy là 50km/h, tức là 16,66m/s, bình phương của vận tốc là 277,5 (m/s)2. Lực ly tâm khi đó sẽ là 27.750N (Niu tơn), 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. Hai lực trên 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 là0,55, nếu trọng tâm xe cao hơn mặt đường là 1,5m thì khoảng cách từ điểm chạm mặt đường của hợp lực đến tim mặt đế là 0,825m. Trong trường hợp này nếu mặt đế xe có chiều rộng nhỏ hơn hai lần khoảng cách trên, tức là nhỏ hơn 1,65m thì xe bị đổ về phía đối diện với tâm của đoạn đườgn 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 80km/h, tức là 22,22m/s, lực ly tâm sẽ tăng lên gần gấp đôi và bằng 49.372N. Điểm chạm mặt đường của hợp lực sẽ cách tim bản đế xe 1,5m. Nếu chiều rộng của xe nhỏ hơn 3m thì xe sẽ bị đổ.
Có thể tóm tắt như sau: Khi xe chạy ở đoạn đường cong thì phát sinh lực ly tâm. Lực ly tâm tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc và tỷ lệ nghịch với bán kính cong của đoạn đường. Cho nên tốc độ càng cao càng nguy hiểm, như đã thấy ở ví dụ trên, tốc độ xe tăng 33,33%, lực ly tâm tăng 80%. Sau đó là bán kính cong của đoạn đường càng nhỏ càng bất lợi. Ngoài ra, xe càng chất nặng, xếp cao càng nguy hiểm, vì trọng tâm xe càng cao so với mặt đường. Mặt khác, chiều rộng đế xe càng hẹp xe càng dễ đổ. Điều này giải thích tai nạn đổ tàu, vì tuy bán kính cong của đường sắt thường không nhỏ hơn 100m, nhưng khoảng cách giữa hai thanh day tức là chiều rộng của mặt đế lại hẹp, thường không quá 1,2m, nên trọng lực của hợp lực và lực ly tâm dễ kéo ra ngoài mặt đế, gây đổ tàu. Do đó, ở đoạn đường ray có bán kính cong 100m, thường phải hạn chế tốc độ dưới 60km/h. Nếu chạy quá 60km/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 5.000kg, chạy với tốc độ 60km/h trên đoạn đường cong theo mặt phẳng đứng, vồng lên, với bán kính cong 50m. Trường hợp này, lực ly tâm vẫn bằng 27.750N, như tính ở ví dụ trên, nhưng có chiều thẳng đứng từ dưới lên trên. Trọng lực xe vẫn tính như trên bằng 50.000N. Do lực ly tâm, trọng lực xe còn 22.250N, 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 80km/h, lực ly tâm sẽ bằng 49.327N, 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. Nếu đường lõm xuống thì ngược lại xe sẽ nặng hơn, như ví dụ trên, xe sẽ nặng lên gấp rưỡi, gấp đôi.
Qua những phân tích ở trên thì hiện tượng xe tự đâm vào dải phân cách hoặc lao ra mép đường gây tai nạn là điều dễ hiểu. Và, với cách nhìn nhận vấn đề như vậy thì việc khắc phục mới có hiệu quả và dễ thực hiện.