リニアなどの高速鉄道に発生する「速度の２乗」問題 - 現役鉄道マンのブログ　鉄道雑学や就職情報

今回の記事では、リニア中央新幹線に絡めて物理の話をします。「わしゃー理科は嫌いじゃあ」という人にも読めるよう、簡単な部分だけを取り上げたので、ぜひご覧ください。

テーマは、高速鉄道で発生する空気力学的な問題です。具体的には、「車両の空気抵抗」と「トンネル内圧力変動」の二つを話します。高速鉄道の大変さを理解する一助になれば。

リニアの空気抵抗は新幹線よりも２～３倍は大きい

物体が大気中を移動すると、空気抵抗（＝空気との摩擦）が発生しますよね。人間が歩いたり走ったり、はたまた自転車に乗る程度なら、空気抵抗は特に問題になりません。

しかし高速鉄道の場合、空気抵抗が非常に大きくなります。空気抵抗を軽減する有効な策がないと、高速化の妨げになるのはもちろん、電力もムダに消費してしまいます。

速くなればなるほど空気抵抗が増すのは、体感としてわかるでしょう。では、速さに伴って空気抵抗はどれだけ増していくのか？

空気抵抗の大きさは、「速度の２乗」に比例します。……と書いてもピンとこないと思うので、具体的な数字を見てみましょう。以下は、日本の高速鉄道の最高速度です。

東海道新幹線　　　285㎞/h
東北新幹線(将来) 　360㎞/h
リニア　　　　　　500㎞/h

それぞれの速度を「２乗」してみましょう。

東海道新幹線　 285 × 285 ＝ 81,225
東北新幹線(将来) 360 × 360 ＝ 129,600
リニア　　　　 500 × 500 ＝ 250,000

仮に、速度以外の諸条件（＝車両形状や空気密度など）が同じだった場合、285㎞/hと500㎞/hでは、空気抵抗が約３倍！も違います。

また、東北新幹線（将来）の360㎞/hというのは、ＪＲ東日本で試験中のALFA-X（アルファエックス）のことですが、これと比べてもリニアは約２倍の空気抵抗です。

もちろん、リニア車両は空気抵抗を減らすための研究が続けられているので、「リニアは新幹線よりも空気抵抗が２～３倍」と単純にはいえません。しかし、新幹線より空気抵抗が大幅に増えるのは間違いないはず。

「リニアは多大な電力を消費する」といわれていますが、こうやって実際に空気抵抗の数字を見ると、それも納得です。

ただし、リニアの消費電力を抑える取り組みは進展しています。先日、改良型リニア車両が、空気抵抗を従来より約13％減らすことに成功したとニュースになっていました。

ＪＲ東海は、リニアが全線開業した際、ピーク時に約74万kWの電力を消費すると想定しています。

しかしこれ、2012（平成24）年の資料での数字。そこから８年が経ち、車両の改良に成功するなど技術は向上していますから、実際には、消費電力は74万kWよりも少なくなるのではないでしょうか。

ここまで、「空気抵抗は速度の２乗に比例する」と説明してきました。しかし、「速度の２乗」に影響されるのは、車両の空気抵抗だけではありません。トンネル側の問題もあります。

高速走行する車両がトンネルに突入すると、圧力波というものが形成され、トンネル内に圧力変動が発生します。トンネル内の圧力が高くなったり低くなったりするのですね。

読者のみなさんは、「耳ツン」をご存じでしょうか？　列車がトンネルに入ると、耳の奥に何かが詰まったかのようにツンッ！と痛くなる。唾をゴックンすると治る。

私のように、ある程度歳を食った人なら経験したことがあるはずです。

この耳ツン、トンネル内の圧力変動が車内に入り込んだせいで起きる現象です。昔の鉄道車両は気密性が高くなかったため、トンネル内の圧力変動が車内に入ってきて、耳ツンを引き起こしていました。現代の車両は、技術が進歩して気密性を保てるようになったので、耳ツンは起きにくくなっています。

少し話が逸れました。

このトンネル内圧力変動の大きさも、「速度の２乗」にほぼ比例するそうです。ようするに、リニアのような超高速鉄道では、トンネル内圧力変動も大きくなる。

これが何を意味するか？
「設備の強度を高くしなければいけない」です。

トンネル内には、さまざまなモノが存在します。

これらの設備は、トンネル内圧力変動に繰り返し晒されます。ヤワな作りだと圧力変動で壊れてしまうので、一定以上の強度が求められます。

先ほど計算しましたが、同じ高速鉄道でも、新幹線とリニアでは「速度の２乗」の数値が２～３倍違います。トンネル内圧力変動の大きさも「速度の２乗」にほぼ比例するので、リニアのトンネル内設備は、新幹線のそれよりも高い強度が求められるわけです。

鉄道の高速化というと、どうしても車両のスピードアップに目が行きがちです。しかし高速化は、線路設備側の条件も整わないと実現しないことが、この話からも理解できると思います。

ちなみに、走行する車両自身も、トンネル内圧力変動の影響を受けます。鉄道車両の寿命は、生涯に通過するトンネルの数と密接な関係があるそうです。リニア車両の寿命は、新幹線よりも短くなるかもしれませんね。