新幹線のダウンフォースについて

質問

時速３００キロで走る新幹線にはフラッシュサーフェイス化は
凄まじいのですがスポイラー類が全くありません。
（スポイラーコテコテの新幹線も見たくは無いですが‥‥）
高速域では揚力により浮いてきたりしないのでしょうか？
Ｆ１などではヘタをすると離陸してしまうぐらいの力が発生すると
聞いたことがあります。新幹線は自重が重いので何とかなるの
でしょうか？
また最近のスポーツカーやＦ１は路面と車体との間の
空気の流れの整流に苦心なさるそうですが新幹線はレールや台車が
ある中でどうやっているのでしょうか？
教えていただければ幸いです。

回答No.2

prop_and_jet · ベストアンサー

＞スポイラー類が全くありません

昔、ネコ耳のエアーブレーキの構想があったのですが、結局廃止されてしまって残念です。
しかしこれも、ダウンホース用のものではなく、単なるエアーブレーキです。
（http://images.google.co.jp/images?hl=ja&q=%E6%96%B0%E5%B9%B9%E7%B7%9A%E3%80%80%E3%83%8D%E3%82%B3%E8%80%B3&lr=&um=1&ie=UTF-8&sa=N&tab=wi）

風洞を使った研究や設計をされているようですが（http://www.rtri.or.jp/rd/maibara-wt/index.html）、これの最大の目的は、風きり音の軽減。次には、省エネ（空気抵抗の軽減）でしょう。

１６両編成で700t程度あるようですので、１両43トン。「新幹線は自重が重いので何とかなる」というよりも、浮こうにも浮くはずも無いくらい重いので大丈夫。といったところでしょうか。

もちろん、高速でも浮き上がって線路から脱線しないような研究のほうは、初期の新幹線から非常によく研究されていました。
（http://www.shinkansen-jreast.jp/shikumi/syousai/shikumi04.htm）（http://www.jreast.co.jp/development/tech/pdf_13/Tec13-58-63.pdf）
これも、レールと車輪との摩擦の問題で、空力は関係ないです。
「関係ない」とは、そもそも新幹線の初期のものを設計したころは、空力の知識もあまり無かったようです。
（http://72.14.235.104/search?q=cache:owPfC8-eKuEJ:oshiete1.goo.ne.jp/qa2993555.html%3Fans_count_asc%3D2+%22%E6%96%B0%E5%B9%B9%E7%B7%9A%E3%81%AE%E8%A8%AD%E8%A8%88%E6%99%82%22+site:http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2993555.html&hl=ja&gl=jp&strip=1） の （http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2993555.html）の ANo.4

もちろん、現在のものは、多少の軽量化、高速化、そして、学術的な進歩等により、当然、「なるべく浮き上がらないような」、というか、「あえて浮くような格好にはしていない」のでしょうが、
ダウンフォースを生じさせるためには、ドラッグ（空気抵抗）も増加させてしまうことになるので、省電力化とは逆行することになってしまい、ダウンフォース云々よりは、むしろ、省電力化のためのボディーラインのほうを主眼に設計されているのでしょう。

そういえば、当方、以前、JRのリニアモーターカーの開発をやっている技術者の講義を聞いたことがあります。講義のあと、直接お話もする機会もあり、いくつか質問させて頂いたりもしました。
講義の内容は、
「国は軍事費にばっかり金をかけて、その中からもう少しリニアに回してくれれば、もっと早く開発が進むのに。」とかいう大意だったと思いますが、その中で、開発のあれこれの苦労話も、とても興味深いおもしろい話を聞かせて頂きました。
電磁波の話とか、ダウンフォースの話もありました。
リニアは、浮かせることが目的なので、軽く造るのだが、
それをもともと浮かせたまま走らせて最高速度位に達すると、むしろ電磁石で浮かせる必要もなく、浮いてしまい、そのままどこか空中に行ってしまわないように制御したりする工夫が必要だと言っていました。
トンネルに入る瞬間にどうなるかの実験も行ったが、これは問題なく通過したとも言っていました。

何か、怖いような気もしてきましたね。
最高速走行中に、大地震でも起きたら、大丈夫なのでしょうかね？
私は航空機のパイロットなので、
空中に浮いてしまうかもしれない乗り物に、空中でのコントロールができる操縦桿が無い乗り物には、ゾクッとしますね。
私は車も運転しますが、
鉄道のように、レールから脱線してしまったらステアリングホイール（ハンドル）も無いような乗り物にも、ゾクッとします。

リニアには、ネコ耳じゃないですが、緊急用の、地面に押し戻す大型スポイラーでも装備して頂きたいものです。

新幹線には、そんなもの付けても、脱線する時は脱線するのでしょうね。
その重さの車体が浮き上がるほどの場合には、エアスポイラー位では到底押し戻せそうもありません。
（http://www.jreast.co.jp/development/theme/safety/safety03.html）こういった研究で、何とか大惨事だけは起きないように願う限りです。

＞また最近のスポーツカーやＦ１は路面と車体との間の空気の流れの整流に苦心なさるそうですが新幹線はレールや台車がある中でどうやっているのでしょうか？

N700径は、台車部分は、スパッツのような形状のカバー（台車スカートと言うようですね）が付いていますよね。
これらも含めて、やれることは全部やっていると思いますが、
それは、ダウンフォースのためというよりは、騒音防止と省エネのためでしょうね。
（http://n700.jp/know/）
（http://n700.jp/closeup/03-2.html）（床下の徹底的な平滑化）

もちろん、わざわざ“浮く”ような形状だけは避けるでしょうが。

お礼

いやぁ～素晴らしい回答ありがとうございます。
鉄道ファンの方かと思ったらパイロットだったのですね。
＞浮こうにも浮くはずも無いくらい重いので大丈夫。
これが解かっただけでも感謝してます。
Ｆ１でクラッシュがあったりすると簡単に飛んでしまい
その後そのドライバーは「フライング～～」なんて
あだ名が付いたりしていますから、一体　新幹線はどうなんだろうと
思った次第です。
リニアが浮きすぎて困るという話はただ単に「凄い」という言葉以外
見つかりません！！コロンブスの卵みたいです。
ありがとうございました。

回答No.3

masa2211

>今の鉄道の形状ではＴＧＶなどの320km/hぐらいが限界だそうです
あまり無茶は書かないように。
リニアモーターカーの世界記録：580ｋｍ/ｈ
普通の鉄輪式の世界記録　　　：575ｋｍ/ｈ
であり、ほどんど互角です。

で、空力的にごく普通（？）の形状の鉄輪式鉄道（電気機関車）で、
実は、1955年に330km/hをたたきだしています。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E9%80%9F%E9%89%84%E9%81%93%E3%81%AE%E6%9C%80%E9%AB%98%E9%80%9F%E5%BA%A6%E8%A8%98%E9%8C%B2%E3%81%AE%E6%AD%B4%E5%8F%B2
※ただし、このとき、レールがひん曲がりその後の通行に耐えられる状態ではなかった。

ですので、鉄輪式の最高速度を決めるのは浮き上がるかどうかは関係なくて、
１.列車が蛇行することをどう防ぐか。
２.架線を如何にしてピンと張るか。
と、この２点。

先頭部分の空力特性：無関係とまではいいませんが、あまり関係ありません。
事実、空力特性無視のノーマル電気機関車で1955年に330km/hを達成しています。
で、新幹線の先頭があんな格好をしているかというと、トンネルに突入したときの
衝撃波を抑えるのが最大の理由。

＞Ｆ１は路面と車体との間の空気の流れの整流に苦心
まあ、ちょっと理由が違います。
たとえば、ダウンフォースが敵よりちょっと大きければ、タイヤのグリップが良くなるから、加速最高速度もカーブのときの速度も向上するため
限界ぎりぎりで走るＦ1なら空気の整流に苦心する意味はあるけど、
営業用なら、限界ぎりぎりでは走らないのであまり関係ないです。
また、
＞Ｆ１などではヘタをすると離陸してしまう
というのは、
・Ｆ1などは、揚力が下向きに働くように設計されているため浮くことは無いが、
　車の上下がひっくり返ったら力が上向きに働き離陸してしまう
という意味であり、
空力無視＝ダウンフォースはほとんどゼロ
空力を計算するときはダウンフォースとなるよう設計する
であるので、どちらにせよ浮くことはありません。
※唯一、空力を計算し、車（鉄道）の上下がひっくりかえったとき
　には、鉄道といえども浮き上がるかも。でも、上下がひっくりかえった
　時点で大事故は確実だから、わざわざ、上下がひっくりかえったら浮くかどうか
　心配しても意味ないでしょう。

お礼

先頭部分の空力特性が最高速度にあまり関係ないとは知りませんでした
何しろ空力的には普通の車輌で３３０キロ出たというのは驚きです。
トンネルの衝撃波対策とは聞いておりましたがそれは付属的なもので
空力対策の方が大きいのだと思い込んでました。
詳しいご説明ありがとうございました。

追伸：　最後の※以下の文面面白かったです。

回答No.1

noname#103600

ある本で読んだのですが今の鉄道の形状ではＴＧＶなどの320km/h
ぐらいが限界だそうです
それ以上のスピードになると離陸までは行かないでしょうが車輪が空回りしてそれ以上加速しないそうです
それを逆に浮いてる状態でも加速できるようにしたのがリニアモーターカーです

お礼

御解答ありがとうございます。
ダウンフォースが無いことに心配するあまり
その先のことにまで考えが及びませんでした。
摩擦係数が低いからでしょうか？
空転してしまうとは凄まじいですね。