２地点を重力を利用して地下トンネルを進む乗り物は実現できない？

質問

例えば、東京と大阪を下図のように地下トンネルを掘ります。

-東京--------------大阪-
--↓----------------↓--
**＼＼************／／**
****＼＼********／／****
******＼＼＿＿／／******
********＼＿＿／********
************************

その後、トンネル内にジェットコースターのようにレール、乗り物などを整備します。
＃できればトンネル内を真空状態にし空気抵抗をなくすなどできればなおよし。

そうすれば、東京から大阪までジェットコースターのように重力の位置エネルギーのみで到達できるのではないでしょうか？

電力も必要なく、これほどエコな乗り物はないと思いますが実現は無理なものでしょうか？
過去にそんな計画はあがったことはないですか？トンネルを掘るコストがたかすぎ？

回答No.10

mazeran · ベストアンサー

トンネルではありませんが、地上で同じく重力を利用する乗り物は既に開発が進んでいます。

http://news.livedoor.com/article/detail/3996453/

質問内容も理論上不可能ではありません。恐らくコスト面、トンネルの深さなどの問題で案もないものと思います。

しかし紹介した乗り物については、実際に実現の一歩手前まできているもので、水平方向へ人や物を運ぶ手段として重力を使うのは恐らく最もエルネギーを必要としない輸送手段となるでしょう。

始点と終点の高低差分の位置エネルギーが、摩擦などで消費するエネルギーとなります。そのエネルギーで水平方向に移動するので、単純に２点間の移動を目的にするのであれば、非常に効率は良く、車体を軽くすればするほどメリットは出てきます。

「エコライド」は短距離を目的としているようですが、長距離にするのであればやはり「トンネル」方式が良く、進行方向に風を送ることで空気の抵抗は減らすことができます。今では「送風機」の技術も進んでおり、効率も良いことから、この手のアイデアには「真空」よりも「送風」の方が総合的なメリットは大きいです。

摩擦などの抵抗で失ったエネルギーだけで、水平方向へ移動ができると言うことなので、今後はこのような乗り物が可能な限り増えてくるのでは？と思います。

参考URL：

http://news.livedoor.com/article/detail/3996453/

回答No.9

pochi2tama

No.8です。

今、思いついたのですが、トンネルをほらなくとも、スタート・エンド地点のみ高くして後は地上に水平に敷設してもよいですね。

エネルギー保存則から
mgh = (mv*v)/2
2gh = v*v
h = v*v/(2g)

たとえば、移動速度を500[km/h]とすると
スタート地点の高さｈ「ｍ」は、
h ＝ (500/3.6)*(500/3.6)/(2*9.8) ≒ 984[m]
（空気抵抗が無視できる場合）

スタート地点が1000メートルくらいの設定で良さそうです。

たとえば東京の高尾山（599[m])をスターと地点にすると海抜０メートル付近で
時速２００キロくらいになりますね。
トンネル全体を地上に持ち上げただけですが。

> 重力式だと、仮に真空でなくても８０％程度の距離は稼げると思います。
トンネルが地下にあろうと地上にあろうと、トンネルのような管形状の中を移動させるにはトンネルの直径を移動体より相当大きくしないと相当な力がかかるとおもいますよ。空気を薄くしないと。
移動体前方は気圧が上がり（空気が圧縮される）、後方は気圧が下がりますが、管が狭いとこの圧力の逃げ場がありません。（極端な例ではピストン）

回答No.8

pochi2tama

同程度の事は重力式にせずとも、現状の様な地上のリニアモーターカーの車路をすべて真空にして、ブレーキを高性能な回生ブレーキにすれば済むと思います。転がり抵抗をなくすには磁気浮上型にするだろうと思いますし。

加速時のエネルギーを減速時に回収できれば使ったエネルギーは差し引きゼロになります。（もちろん効率が１００％なわけはないので、現実的にはゼロにはなりえませんが）

定常速度ではほぼモーターの内部損失のみ必要になります。

トンネル式ではトンネルを掘るのに使うエネルギー（やコスト）が大きすぎます。

補足

たしかにリニアモーターカーが全て真空ならば、重力式にしなくとも、初動の運動エネルギーさえ与えればことたりますね。

ただ、こちらだと移動空間が真空であることが大前提になりますね。

重力式だと、仮に真空でなくても８０％程度の距離は稼げると思います。実際遊園地のジェットコースターを見るとそのくらい行ってそうです。

でも、リニアモーターカーの場合、さすがにそこまで距離を稼げないのではないでしょうか？

また、自分的には長距離にわたる空間を真空状態に保つのは難しそうと感じますので、あくまで「可能であればなおよし」レベルの前提として考えていたのですが、いかがでしょうか？

回答No.7

nourider

確か最も深い坑道の深さが３０００メートルくらいだったと思いますが、地中は深く掘れば掘るほど熱くなります。ご希望のトンネル列車用のその深さのトンネルを掘る技術が、今のところありません。ほとんどの物質が個体で存在できない温度と圧力です。
落下の重力加速度で加速して重力で減速して、たしか地球上どこでも同じ時間で到達できたと思います、時間は忘れましたが４５分か７０分だったと思います。あくまで理論上ですが。

先にも書いたようにすさまじい温度と圧力に耐えられるトンネルは、いまのところ掘れません。

補足

現状の最大深度３０００メートルだと東京から大阪はきつそうですね。

規模は小さくなりますが、東京から川崎くらいまでは、なんとかいけないですかね？

東京から蒲田の地下何１００メートルくらいまでの距離を、位置エネルギーだけで稼ぎ、残りは、空気抵抗、摩擦などでロスした残りを電動で這い上がって川崎到着というのでも、私は、十分夢のある構想と感じてしまいますが、いかがでしょう？

回答No.6

touan

皆さんが色々コメントされていますので、まず結論的に。

「現実的メリットが十分にあるのであれば、すでに国を挙げて計画され、実行されているはず」です。

学問的世界の話としては…車輪が回転するときの摩擦、車輪がレール上を進むときの摩擦（転がり摩擦）、風などの空気抵抗…
位置エネルギーを運動エネルギーに変えてもエネルギーロスの存在を無視することはできず、これを補うエネルギーの必要性は「エコ」を期待通りに満足してくれないでしょう。電力不要は、一切のエネルギーロスが存在しない場合のみ考えられることです。
実際、トンネル内を走らせると言うことは、流体力学的に空気抵抗の損失を大きく受けることになります。直管にやや小径の物体を入れ、直管を垂直にしたときをイメージ下さい。ですから、あなたがおっしゃるような真空状態化とかが必要になります。しかし、この地球で真空状態を維持するには、真空状態を維持するための機器が必要ですね。この機器の継続的な稼働に継続的なエネルギー供給が必要であり、これだけでも余分のロスの発生になります。乗客のための生命維持装置も必要です。この装置へのエネルギー供給も必要です。
余分なエネルギー消費はエコと逆の世界になります。

重力の位置エネルギー…正しくは、重力加速度が働いている場における物体が有している位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー）
を運動エネルギーに変えて利用することの実際的価値は、「どれほど早く到達させるか？」といった命題に対して存在します。「エコ」ではなく。（参照下さい：回答番号４のコメント）

回答No.5

ultraCS

SFではなく、いままでにも、構想はありました。ある程度距離があれば一直線に掘ったとしても曲率があるので十分使えるという話です。
費用はともかく、土木的にはトンネルは掘れるそうです(地殻の中だけの話ですが)。で、計算式は忘れましたが、重力を使う場合、地球上のどの二点を結んでも到達時間は同じになるのだそうです。ですから、深く掘る必要は無く、一直線で十分です。

ただ、問題は、トンネル内を真空に保ち、かつ、超伝導などで車体を浮上させる必要があることです(それでも、渦電流損失などがあるので、抵抗ゼロは不可能)。真空のトンネル内で何かあったら、乗客の生命は一気に脅かされますね。

回答No.4

Kon1701

すばらしいですね。
トンネルをサイクロイド曲線で作れば最短時間で移動できます。計算していませんが、東京大阪間なら10分以内でしょう。摩擦などはありますが、なんとでもなるでしょう。
でも、このトンネルの深さ、100Km以上でしょう。地殻を越えてマントルの領域です。残念ながらこれだけの深さは掘れません。

回答No.3

aburakuni

実際には他の回答者さんのご指摘の様に摩擦がありますが、動力で若干補助駆動するだけで済むと言う点では画期的な省エネ交通ですね。
その原理で移動すれば、地球上のどの2点間でも45分で移動出来る筈ですが、かなり昔の欧米SFで重力は働く亜空間を利用すると言う都合の良い設定で話が展開するものが在りました。
現在計画中のJR東海のリニア新幹線については、元々摩擦が少ないリニアで殆どがトンネル、ルートも一案ではほぼ直線と言う事ですので、ちょっと検討する余地がある様な気がしますが・・・。

回答No.2

SilverThaw

>そうすれば、東京から大阪までジェットコースターのように重力の位置エネルギーのみで到達できるのではないでしょうか？
無理です。
いまだ実現していない「永久機関」と一緒の発想です。
真空状態にし、空気抵抗を無視したとしても「レール」という接触点がある時点で摩擦が発生し損失が起きます。
振り子がの振幅がどうなるか考えれば理解できるでしょう。

回答No.1

Tiffa9900

こんにちは。

素人感覚ですが、問題点をあげてみます。

空気抵抗を抑えたとしても、レールなどの抵抗は０に出来ない為、ある程度は位置エネルギー以外に外部からのエネルギーが必要。
しかも以外と大きいと思われる。

・トンネルを掘るコストが高すぎ。
青函トンネルなどを考えてもかなりのコストが掛かっていると思いますので、その比ではないかと。
更に、かなり深くまで掘る必要があると思います。その分の圧力(深いほど上にある土の量が多くなる訳ですから)がトンネルにかかる訳ですから、相当頑丈に作らなければならないので………

と言う事で現実的ではないかと。