機関車はどうして貨物列車を引っ張る事ができる？

以前から素朴な疑問として感じていた事があります。

貨物列車なんですが、蒸気やディーゼル、あるいは電気などを動力とする機関車が先頭となって長い列車を引っ張りますよね。

特殊な状況は別として、平地を走る貨物列車の場合は、大体１台の機関車で引っ張っていると思います。

長い場合だと数十両の列車編成になりますが、その総重量は数百トンから場合によっては千トン超になるんでしょうか　・・・　最近のコンテナは軽いでしょうが、タンク車とか重量物運搬車の場合は相当な重量になるように思います。

この超ヘビー級の貨物列車を引っ張る機関車の重量は重くても１００トン前後でしょうか　・・・

この程度の車重しかないわけですから、ちょっと考えると、「発車オーライ」 と前進しようとしても、どう頑張っても、あまりの重さで機関車の動輪がレール上で空回りするだけのように思うのですが、なぜ前進できるのでしょうか？

機関車のパワー ＞ 貨物列車の全重量
機関車の動輪がレール上で発生する摩擦力 ＞ 貨物列車の全摩擦力

この２点がクリアしないと１ｃｍも動く事は無いように思えるのですが　・・

No.1 ベストアンサー 回答者： miracle3535 回答日時： 2007/10/27 11:21

良くこの素朴な疑問に気が付かれましたね。

発車の時に「ガタガタガタガチャーン」と音がしているのに気が付きませんでしたか。
連結部分に少し遊びがあり、発車のときにこの遊びの部分で音が出ます。
抵抗で一番大きいのは静止物を動かす瞬間です。一度動くと動摩擦力は小さくなります。
従って、初めの車両から１車両ずつ動いていくから、長い車両を機関車は引っ張ることができます。
最近の電車にはこの「遊び」部分がないので発車時に「ガタガタガシャーン」はありません。
動力車が多いためです。
国鉄ＯＢの父に昔この事を聞かされました。

この回答へのお礼

有難うございました。
ふ～む、連結器の「遊び」が大きな要素になっているんですねえ。
考えると、セ～イノ、で一気に発車するのではなく、連結器がガチャン、ガチャンと鳴りながら徐々に前進して行っていると思います。
このシーンが大事なんですね。

でも次の謎なんですが、連結器って蒸気機関車が発明された時から存在したわけではないように思うのですが、もしそうだとすると、当時はどうやって発車していたんでしょうね。　ちょっと気になりました。

お礼日時：2007/10/27 13:15

No.2 回答者： binba 回答日時： 2007/10/27 11:35

専門家ではありませんが、面白そうなので私なりに考えてみました。

貨車は何十台あっても、一体になっている訳ではなく、
ジョイント（正式名称が分かりません）で繋がってますよね。

機関車が、自分だけ動く力があれば、すぐ後の貨車１台目とのジョイントの遊び距離だけ動きます。
そのジョイント部は、かませた形になっているので、
機関車が動くと貨車１台目にも、力が伝わります。
その引っ張られる力で貨車１台目が貨車２台目とのジョイントの遊び距離だけ動けば、
同様に、貨車２台目にも力が伝わります。
そうして順々に、後の貨車に力が伝わって、ジョイントの遊び距離分だけ動くのだと思うのです。
ホンの少しでも動き始めれば、慣性で動き出すと思うのです。
スピードを上げるときも同様だと思います。
停まる時も、そうやってジョイント部で力が伝わっていうのではないかと思います。

と言うことで、全貨物列車分の合計で考えずに、機関車の自走力だけの力と、
貨車同士をつないでいるジョイント（正式な名前が分かりませんが）の強さで
何十台でも何百台でも動かせるのだと思います。

この回答へのお礼

有難うございました。
やはり連結器の存在が大きな要素になっていたんですねえ。
でも１００両近くの編成になると、ガッシャン、ガッシャンと続けていって、あまりの長さでリズムが狂い、エネルギーが後方に伝わらなくなって、逆に途中で止まってしまう事はないのかなと感じてしまいました。
その時には、また最初の貨車から１台づつ、ガッシャン、ガッシャン、とやるんでしょうか　・・

お礼日時：2007/10/27 13:22

No.3 回答者： binba 回答日時： 2007/10/27 11:38

No.２です。

一生懸命回答を書いているうちに、正解が先に出てました。
むだ投稿ですみませんでした。ｍ(_ _)ｍ

この回答へのお礼

むだ投稿なんて、とんでもない。
同じ内容でも解説の仕方で理解度が変わると思います。
とても感謝しています。　

お礼日時：2007/10/27 13:23

No.4 回答者： sentakun 回答日時： 2007/10/27 11:46

こんにちは、専門家でもなく説明する頭もない私が、お返事する事自体おかしいのですが、聞いてみて感心しました。

化学や物理が好きな人は、こういうところから入っていくのかなあ？と思いました。
月９のガリレオに出てきそうな話しですが、そう言われれば、本当面白いですね。

回答にならずに、ごめんなさい。

この回答へのお礼

有難うございました。
性格的には本当は理科が好きなのに、どうも学校の授業がつまらなくて、途中で興味が失われたように自分では思います。
でも自然界には素朴な疑問というか、謎に感じる事が本当に多いです。

お礼日時：2007/10/27 13:26

No.5 回答者： AmuroRay 回答日時： 2007/10/27 12:25

ども。

>>機関車のパワー ＞ 貨物列車の全重量

とありますが、機関車は貨物列車の全質量を持ち上げるわけでないですよね。貨物列車の質量は重力方向、鉛直方向です。
機関車の牽引方向は、鉛直ではなく水平方向ですね。だから貨物列車の全質量を持ち上げるほどの牽引力は使っていないのです。

簡単な例を、
ここに100kgの冷蔵庫があり移動させることになりました。

方や冷蔵庫を鉛直方向に持ち上げて移動する。
方や台車の上に冷蔵庫を乗せけん引、移動する。

さてどちらの方が力が少なくて済むでしょうか？

物理学的に表現すると基本中の基本、ニュートンの運動の法則（第3の法則）があてはまります。

F=m・a

F:力(N)
ｍ：質量(kg)
a:加速度（m/s^2）

力(N)は、1kgの質量の物体に働くとき、加速度の大きさが1m/s^2の加速度を与える力の大きさです。
加速度（m/s^2）は、1秒間で速度（m/s）がどれだけ増加するかを示すものです。（停止している場合は初速が0m/s）

ですので、停止状態から速度1m/s=3.6 km/hにするために必要な牽引力は、

F=100000(kg)×1（m/s^2）
=100000(N)
です。

これに対し垂直に持ち上げる力は、地球重力加速度9.8（m/s^2）以上の加速度を必要とするので、

F=100000(kg)×9.8（m/s^2）
=9800000(N)以上

と、約10倍以上の力で持ち上げないと動かないことになります。
実際には、
JR貨物機関車EF200では、

定格牽引力
F=261000(N)
100000(kg)貨物を1m/sまでに加速する場合
F=100000(N)

となり、速度は遅いですが、充分けん引できる力だということがわかります。


機関車の動輪がレール上で発生する摩擦力 ＞ 貨物列車の全摩擦力

摩擦力について触れられていますが、機関車、貨物列車ともに車輪がついていますね。
貨物列車に車輪がある理由は、貨物を引きずるよりも摩擦を少なくする→摩擦を無くすことが目的ですね。先ほどの台車に乗せた冷蔵庫のように、地面との摩擦を限りなく0にするためです。
ですから確かに貨物列車は大きいので相当な摩擦力があり、動かないのかなと思いがちですが、実は摩擦は限りなく少ないと思います。

では機関車の動輪での摩擦力は？
ですが、長くなりましたので、他の方代わりにお願いします。

この回答へのお礼

有難うございました。
理科系の頭ではないので、法則を理解するのは出来なかったのですが、要は同じ重量物でも、持ち上げるのと横方向にスライドさせるのとでは、求められるパワーが全然違うという事なんでしょうね。
たしかに、仮に貨物列車の全重量が千トン超になったとしても、持ち上げるわけではないので、牽引する機関車にそんな巨大なパワーは必要ないという事になると思います。

でも摩擦力に関して、機関車の動輪の摩擦力も限りなくゼロになるのではないかという疑問は残りました。　これだと、いくら頑張っても線路の上でツルツル滑るだけのような感じがします。
次のご回答を待ちたいと思います。

お礼日時：2007/10/27 13:35

No.6 回答者： binba 回答日時： 2007/10/27 14:05

No.２です。

コメントありがとうございました。

以前、アンビリーバボーという番組で、同じ話が２回も放送されたのをみました。
アメリカで、暴走した貨物列車を命がけで停める鉄道マン達の実話でした。
ものすごい加速度のついてしまったものすごく長蛇の貨物列車を、
大して大きくない力の機関車が、猛スピードでバックで追いかけていって、
最後部車両のジョイント部に機関車のお尻のジョイントをかませる挑戦でした。
物語の詳細は別にして、軌跡的に成功して停める事が出来ました。

そのジョイント部が如何に重要で、丈夫で、って話なのですが、
もし途中で伝達出来る力が減少してしまったとしても、
前進したい機関車はどんどん引っ張る力を送ってます。
仰るとおり、
ジョイントが壊れたり離れてしまわない限り、次の力が伝わってきますから、
ガシャンガシャンガシャン・・・・・・と
駄々こねた貨車も抵抗むなしく引っ張られていくと思います(^o^)丿。

そうそう、レールと車輪の摩擦ですが、
レールの巾間隔内法寸法より、車輪の巾間隔外寸が微妙に広めになっているようで、
きつめに嵌っているのだと思います。
レールの内側には車輪がこすった跡が線になって残っています。
（踏み切りで見ることが出来ます。）
ここに摩擦が起こっているのだと思います。

だからレールは、何年かして磨り減ったら交換するんですよね。

この回答へのお礼

有難うございました。
へー、アメリカでそんな事故があったんですねえ。
不謹慎ですが、映画の題材にうってつけのような感じがしました。
でも、ジョイント部というのは鉄道で最も重要な部分なんですね。
これが無いと、貨物列車は１ｃｍも動かないという事になりますよね。

お礼日時：2007/10/29 09:50

No.7 回答者： binba 回答日時： 2007/10/27 14:31

またまた、好い気になった素人のNo.２です。

私の摩擦の考え方は、どうも間違っているような気がしてきました。
私の言っているのは、機関車のブレーキのような気がします。

貨車の車両は車輪とレールの摩擦を起こさないように、
車両を置くだけの形の車輪になっているのではないかと思うのです。
電気機関車の頭に、パンタグラフ？とかいうダイヤ型に折れた金属が乗ってますよね。
電気の通電の仕方で、磁石みたいな＋と－が出来て、
引き合う力と反発する力が交互に発生して、
重い機関車が前進させられるとか・・・・？

それをレールの方位で処理したのがモノレール・・・とか。

ちょっと楽しかったので、勝手に想像してみました。すみません(*^.^*)。

この回答へのお礼

有難うございました。
＞　引き合う力と反発する力が交互に発生して、重い機関車が前進させられるとか・・
もしかして、これはリニアモーターの原理かも？

お礼日時：2007/10/29 09:53

No.8 回答者： ultraCS 回答日時： 2007/10/27 14:37

>でも１００両近くの編成になると、ガッシャン、ガッシャンと続けていって、あまりの長さでリズムが狂い、エネルギーが後方に伝わらなくなって、逆に途中で止まってしまう事はないのかなと感じてしまいました。

重量列車や区間区間での発進(引き出しといいます)の際には、圧縮引き出しという方法を使います。これは、一旦少し後退して列車の連結面の遊間を最小にしておいてから一気に加速して列車を引き出す(ガチャガチャの余裕が増える)方法です。
それでも、動き出している列車全体の転がり抵抗と動き出す瞬間の抵抗の和が大きいと引き出しできません。貨車、客車には牽引定数として、空車、実車の数字が記載されており、この総和より機関車の牽引定数が大きくなるように列車を仕立てています。

なお、それでも、引き出せない場合はあり、現在は廃止されていますが、夕張鉄道平和駅(すり鉢の底にあるような駅で両側に登り勾配がある)では、運炭列車を一旦逆方向に押し出した後、一気に勾配を下って加速を付けて反対側の勾配に挑むような運転が行われていました。

機関車の牽引力は、原動機の出力と車体の重量を動軸に分散した軸重によって軌道との間に生ずる摩擦力(粘着力といいます)で決まります。原動機出力だけを大きくしてもそれを有効に使える粘着力がないと空回りしてしまうので、死重をつむこともあります。
なお、軸重をむやみに大きくすると軌道が持たない(国鉄幹線だと16t位がMAX)ので、牽引力の限界もこの辺りから決まってきます。

なお、アメリカでは巨大なマイルトレインという1.6Km以上の長さの列車を引くこともあります。これは、軸乗30tを越える強靱な軌道に200tクラスの機関車(2両目以降は運転席がなく、無線操縦可能なブースター)を何両も連ねることで実現しています。これだけの列車でも、乗員は最小2名です。

なお、車輪のレール踏面には円錐形の勾配がつけられており、カーブなどではこれが移動することにより、軌道の行程差を吸収するようになっています。ですから、フランジ間はレール幅より狭く設定されており、通常、レールと車輪の接触部分はレールや車輪の表面よりかなり狭い幅(幅のある線状)となります(接地面を広くすると軸重が下がったのと同じになってすべってしまいます)。

この回答へのお礼

有難うございました。
謎がほとんど解けたように感じます。
連結器の遊びが何かの理由でなくなった時、どうやって発車するのかなと思っていたのですが、逆に少しバックして遊びを意図的に作るわけなんですね。
もしこの連結器の遊びが無くなって全車両がピンと一つの固まりのような物になっていたら、いくら機関車が頑張ってもビクともしないでしょうね。

お礼日時：2007/10/29 09:58

No.9 回答者： daitei 回答日時： 2007/10/27 14:40

鉄道のレールと車輪は互いに鉄でできていて、転がり抵抗が少ないことが逆に、駆動の際に車輪が滑るこになります。

鉄道の車輪とレールの間の摩擦は「粘着」と呼ばれ、レールの上を走る速度と、車輪の周速の差が小さい時には「粘着力」が働きます。この速度の範囲は非常にせまく、おおよそ１％以内といわれています。
そのため、走り初めに車輪の回転速度が速すぎると、滑って駆動力を得られません。１％以内の「粘着力」の働く狭い速度差の中で、徐徐に車輪の回転速度を上げて生きます。駆動していない車輪は、速度差がないので、
転がり抵抗の少ないままで周り出します。摩擦力＝粘着力を補強するためには、車輪とレールの間に砂を撒いて摩擦を大きくすることもあります。
古い蒸気機関車時代は実際に撒いて駆動していました。
現在は、車輪の回転速度をセンサで検出し、速度差を最適にする電気的な制御方式を採用しているようです。時速３００Kmを超えるとこの速度差の範囲がますます狭くなり、高速鉄道は粘着駆動の限界まできています。将来は
粘着駆動によらないり磁気浮上の方法で高速を得るように研究されています。

この回答へのお礼

有難うございました。
なるほど、粘着力が１％を越えると動輪が空回りするんですねえ。
よく自動車のタイヤが砂の中にめり込んでしまって、いくらアクセルを踏んでもタイヤが空回りするだけというシーンがありますが、これなどは１％をはるかに越えている典型なんでしょうね。
鉄道の不思議が一つ一つ解明されてきました。

お礼日時：2007/10/29 10:02

No.10 回答者： AmuroRay 回答日時： 2007/10/27 22:12

ども。

ANo.5です。

>>仮に貨物列車の全重量が千トン超になったとしても、持ち上げるわけではないので、牽引する機関車にそんな巨大なパワーは必要ないという事になると思います。

ニュアンスとして理解されていると思います。

>>でも摩擦力に関して、機関車の動輪の摩擦力も限りなくゼロになるのではないかという疑問は残りました。　これだと、いくら頑張っても線路の上でツルツル滑るだけのような感じがします。

はい。では理論的にではなく置き換えて説明します。

タイヤを外した自動車があるとします。
これを一般的な斜面に置いたらどうなるでしょうか?

１．路面との摩擦で自動車は動かないですね。

２．では、タイヤを装着してブレーキ、ハンドブレーキを解除、ギヤもニュートラルにしたらどうなりますか?
路面との摩擦が小さくなる(自動車ボディと路面は接していないので摩擦はなくなりますね。)ので、自動車は重力の引っ張る力を借りて斜面を下りますね。→貨物列車が引っ張られた状態と同じ。

３．では、同様斜面でエンジンの力で走り出したら自動車はどうなりますか?斜面を登りますね。→機関車がけん引、走り出すのと同じ。

つまり、

１．の状態は摩擦が大きく動かない。
２．の状態はタイヤによって転がり抵抗が少なくなったので、小さな力でも動いた。
３．の状態はタイヤによって転がり抵抗が少なくなったので動いた上、エンジンの動力はタイヤと路面に摩擦力があるため、駆動力を路面に伝えることができ、前進した。

ということです。

貨物列車では、車輪によって転がり抵抗、「貨物」と「レール」間の摩擦が少なくなっているが、車輪とレールとの摩擦力は変わらない。
（貨物列車のブレーキをかければ、車輪とレール間の摩擦によって減速しますね。）

機関車では、車輪とレールとの摩擦力があることによって、動力をレールに伝えることができ、空転することなく前進する。
と、まとめるとこうなるでしょうか。

>>機関車の動輪の摩擦力も限りなくゼロになるのではないか

この疑問の答えは、動輪とレールの摩擦力はゼロではない。ただ転がり抵抗が少ない。ということですね。
車輪を取っちゃって機関車をレールの上に直接乗せて、滑車などを使って機関車自身を引っ張ったらそれは簡単には動かないですね。
車輪があり、転がり抵抗が少ないので機関車は容易に移動でき、車輪とレール間で摩擦力があるから車輪を回転させれば、動力がレールに伝わり進むということですね。

どうでしょうか？
まだ疑問点がありましたら、どうぞ遠慮なく。

この回答へのお礼

再度のお答え、有難うございました。
高校時代は物理が本当に苦手だったのですが、一つ一つ、ゆっくりと考えながら読んでいくと何となく理解できたように感じがします。
車輪については、転がり抵抗と摩擦の両面から考えないといけないわけですね。
とても勉強になり、感謝します。

お礼日時：2007/10/29 10:10