欠伸軽便鉄道通信27 ― 2024年07月14日 06:00
流線型の機関車（連載第27回）
「流線型」という言葉を知っていますか？ 僕が子供の頃には、小学生でも多くの人が使っていました。飛行機やレーシングカーなどは、速く飛んだり走ったりできるように、滑らかな曲面でおおわれています。この空気抵抗が小さくなるような形が流線型です。自然界にも、水中を泳ぐ魚や空を飛ぶ鳥など、流線型のお手本があります（図1、2）。
乗り物の最高速度は主に、パワー（馬力）ではなく、空気抵抗、つまりボディの形で決まります（パワーが影響するのは加速度）。ラジコンのレーシングカーも、ボディを被せた方が（重くなるのに）速くなります。自転車も、流線型のボディを被せると、最高速度が上がります。
飛行機が登場した頃、鉄道車両も流線型のボディで高速化しようというブームがありました。今から90年ほどまえには、流線型の蒸気機関車が各国で登場し、最高速度が競われました。皆さんが知っている蒸気機関車は、動輪やボイラの周囲に突起物が多く、いかにも空気抵抗が大きそうな形ですが、滑らかな流線型のボディでおおえば、きっと速く走れるだろうと考えたです（写真1～3）。
日本の蒸気機関車も、改造して流線型にしたものが幾つか作られました。当時の子供たちには、今の新幹線の新型のように人気があったことでしょう。
イギリスやドイツでは、時速200kmを超える蒸気機関車の記録も樹立されました（その後、今も破られていません）。しかし、効果は期待したほど大きくなく、むしろ、カバーされているため点検・整備の面でデメリットが多く、ほとんどの機関車が元の形に戻され、流線型のブームは去りました。
その後、電気機関車や電車、あるいはディーゼルカーなどで、前面を曲面にしたデザインが採用され、現在の鉄道車両では、流線型はごく一般的になりました（写真4）。
空気抵抗を小さくすることも大切ですが、形状によっては上下の力が作用します（図3）。また、カーブでは遠心力が作用するので、高速走行にはボディ形状以外に工夫が必要です（図4、写真5、6）。
かつての流線型は、人間が「格好良い」と感じる形状を基に、模型の風洞実験などで確認をしました。しかし、現在では流体力学に基づくシミュレーション（コンピュータ解析）によって、最適な形状を求めることが可能です。新幹線の先頭車両などは、魚にも鳥にも似ていない、自然界にもない形をしていますが、計算に基づいた形は、既に自然や人間の感覚を超えたといえるでしょう。
「格好良い」は、とても大事な感覚です。皆さんも、格好の良いものを沢山見て、格好良さを見る目を養いましょう。
写真1 ドイツの流線型蒸気機関車05型： 実機もこのような赤い塗装だった。模型は45mmゲージで、テンダに搭載したボイラとオシレーチングエンジンで走る。カバーはアルミ板で製作。
写真2 アメリカの流線型蒸気機関車： ペンシルバニア鉄道T1型の45mmゲージの模型。アルコールが燃料のライブスチーム。
写真3 イギリスの流線型蒸気機関車： ゴールデンアロー号を少しショーティにして自作した模型。動力は電動。45mmゲージ。
写真4 スイスの流線型電車： レッドアロー号をショーティにして木と金属で自作した模型。45mmゲージ。
写真5 高速実験車： ウェットティッシュのケースで作った高速実験車。45mmゲージ。
写真6 高速実験車： 重心を低く抑えた高速実験車。45mmゲージ。欠伸軽便では最速記録を保持。
図1 走行中の力のつり合い： 等速走行中は、駆動力と抵抗がつり合っている。抵抗には、主に空気抵抗ところがり抵抗がある。空気抵抗は速度とともに増加し、高速時には大部分が空気抵抗となる。
図2 流線型の基本的なフォルム：水や空気などの流体中を移動する物体が受ける抵抗は、その形によって大きな差がある。流線型は周囲の流れがなめらかになるため抵抗が少ない。流線型でない形は、後方に渦が発生して抵抗が大きくなる。
図3 浮き上がらない形： 飛行機の翼型を上下反対にすると、走行時に下方へ押しつける力（ダウンフォース）が作用し、脱線を防ぐ。
図4 カーブを高速で走るための工夫： カーブ外側を高くする（この傾斜をカントという）。高速になるほどカント角を大きくする必要がある。飛行機のように主翼とその舵（エルロン）があれば、遠心力を相殺できる。模型なら実験ができるのでは？
コメント
_ をかへま ― 2024年07月14日 06:19
_ 香 ― 2024年07月14日 11:26
万能な形なのかと思ってたので、デメリットもあるのが意外でした。
_ kouno ― 2024年07月14日 11:26
流線形と、速度への挑戦、とてもロマンがありますね。
機関車の速度を、どのようにして計っているかが気になります。
機関車の速度を、どのようにして計っているかが気になります。
_ KATO Masaya ― 2024年07月14日 15:00
流線形の言葉の響きに、小さいときは憧れがありました！ｗ
今も好きですが、少し好きな形が多様化したようですｗ
昔はそれほど恰好が良くないように思えていたものが、今は意外と恰好が良いのでは？なんて思ったりもしますｗ
ただ、現在のダウンフォースを意識したデザインは、苦手だったりしますｗ
今も好きですが、少し好きな形が多様化したようですｗ
昔はそれほど恰好が良くないように思えていたものが、今は意外と恰好が良いのでは？なんて思ったりもしますｗ
ただ、現在のダウンフォースを意識したデザインは、苦手だったりしますｗ
_ ネム ― 2024年07月14日 20:36
昔のアニメにもリュウセイ号という乗り物が
出てきたような気がします。
格好良いと思うことが、「とても大切な感覚」
という言葉に、とても共感しました。
出てきたような気がします。
格好良いと思うことが、「とても大切な感覚」
という言葉に、とても共感しました。
_ うみひろし ― 2024年07月15日 04:02
自然界、人間、物をたくさん見て
格好良い を追求します。
格好良い を追求します。
_ くつしたねこ ― 2024年07月23日 22:56
速度を優先するか、メンテナンスコストを優先するかで形が決まるのですね。
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子供の頃の僕は「教えてもらう」ことが大好きだったなあと思い出されます。
図４の森さんがにこにこ考えておられるのも素敵です。