電車の車輪の形に隠されたおもしろい工学

列車の車輪は完全な円筒形ではなく、やや円錐形になっています。私たちは、この円錐形の形状は、列車の進路を中心に向かって修正すること、列車の作動を支援することという、2つの大きな偉業を達成した工学における大発明だと考えています。

まずは一つ目の偉業を理解するために、のり付けした紙コップを使った簡単な実験を考えてみましょう。のり付けした紙コップを線路の上で転がしてみると、完全にまっすぐ動いているのがわかります。最初に少しだけ傾けてみても、ちゃんと動いています。

さて、次のセットはどうでしょうか。これは接着方法が逆になっており、同じ線路上でカップを転がしても失敗しています。鉄道の車輪はこのような円錐形をしています。この角度で車輪が線路から離れないようにしているのですが、問題はなぜです。

この円錐形の配置はセルフセンタリング的な力を生み出します。どのようにそうなっているのかを理解するには、車輪に働く力をチェックする必要があります。直線走行時に車輪に作用する主な力はこの通りです。反力は常に塩水の表面に垂直になります。車輪が中心にあるときは、これらの力の水平成分は互いに相殺されるのです。

さて、何らかの原因で車輪が右に移動したと仮定します。軸に沿って移動すると、列車の車輪には面白い現象が起こります。お気づきでしょうか。図を見ても明らかなように、列車の車輪セット全体がこのように傾いているのです。この傾きにより、方戦力も傾いてしまいます。この状態で力の解析を行うと、左方向に薔薇の力が働くことがわかります。この力は車輪を自動的に中心に近づけ、車輪が中心に近づくとセルフセンタリングの力はなくなります。

シンプルながら素晴らしい技術だと思いませんか。車輪の両サイドには、安全のためにフランジが取り付けられています。では試しに、列車の車輪が逆の角度になっていると仮定してみましょう。ここで右に変異した時に同じ力の解析を行うと、発生する正味の力は再び右に向かっていることが分かります。これが、この車輪の形状では車輪が常に軌道から外れてしまう理由なのです。

次に、車輪が円錐形であるべき二つ目の理由を見てみましょう。円錐形にすることで技術者はディファレンシャルアクションを実現することができました。例えば、図のように列車がカーブを曲がるとします。ここでは左の車輪が右の車輪よりも長い距離を移動をしなければなりませんが、車輪を共通の宿で繋いだ時に、どうして片方の車輪がもう片方の車輪よりも長い距離を移動できるのでしょうか。

ここで円錐形が役に立つのです。車輪が回転すると、少しずつ左にスライドしていきます。車輪の接触点を考えてみると、サリンの方がうりんよりも半径が大きくなっています。つまり、同じ角度で回転させた場合、左の車輪の方がより長い距離を移動し、作動を得ることになるのです。児童書で作動を実現するためには、車輪を分離して異なる速度で回転させる必要がある点を覚えておいてください。しかし電車においては、車輪を円錐形にしただけで作動を実現しています。

面白いですよね。もちろん、車輪が左にスライドすると、先ほど見たように自動的に右に向かう力が発生します。コーナリング時にはこの力でターンに必要な求心力を供給します。これにより、コーナリング中に車輪が中央に戻ってくることがなくなります。

れ6は、車輪にテーパーをつけるだけで2つの技術的偉業を達成したエンジニアに大きな敬意を表したいと思います。動画をご覧頂きありがとうございました。また次回の動画でお会いしましょう。