小学生でもわかる！「電車（でんしゃ）」

はじめに
なぜ動うごくの？電車でんしゃのパワーを生うみ出だすひみつ
なぜ曲まがれる？レールから落おちない車輪しゃりんのひみつ
新幹線しんかんせんはなぜ時速じそく300キロで走はしれるの？
まとめ

はじめに

もし駅で電車の運転士さんに「ちょっとハンドルを握らせて！」と頼んだら、どんな顔をされると思う？

実は、電車の運転席のどこを探しても、車のような丸いハンドルなんて1つもないんだ！

学校の通学や休日のお出かけ、家族旅行などで、みんなも一度は「電車」に乗ったことがあるよね。駅のホームで待っていると、遠くから「ガタゴト、ガタゴト……」と大きな音を立ててやってくる長い車体。たくさんの人を乗せてぐんぐんスピードを上げ、あっという間に遠くの街まで連れて行ってくれます。

でも、窓の外を流れる景色を眺めながら、こんな疑問を持ったことはないかな？

「自動車みたいにガソリンを入れないのに、どうして電気だけであんなに重い鉄の車両が動くの？」「車輪もレールもツルツルの鉄なのに、どうしてすべって線路から落ちないの？」「ハンドルがないのに、カーブはどうやって曲がっているの？」

実は、電車には100年以上の歴史の中で生み出された、びっくりするような「科学のひみつ」や「安全の工夫」がぎっしり詰まっているんだ。

今回は、毎日乗っている普通の電車から時速300キロ以上で走る新幹線まで、電車のすごいひみつをワクワク解き明かしていくよ！

はると

駅のホームで電車が入ってくるときって、風がビュンと吹いてすげー迫力だよな！俺、大きくなったら新幹線みたいに速く走れるサッカー選手になりたいんだ！

ひまり

ふふ、はるとは本当に走るのが好きね。でも、あんなに重い鉄の電車がどうして電気の力だけでスイスイ走れるのか、不思議に思ったことはないかしら？

なぜ動くの？電車のパワーを生み出すひみつ

車はガソリンを燃やしてエンジンを動かしているけれど、電車はガソリンスタンドに行かないよね。電車を動かしているのは、目に見えない「電気のエネルギー」なんだ。

でも、空っぽの車体のどこから電気をもらって、どうやって車輪を回しているんだろう？その謎を解く鍵は、「屋根の上」と「床の下」にあるよ！

屋根の上の「パンタグラフ」が電気をキャッチ！

電車の屋根の上をじっくり見たことはあるかな？ひし形や「く」の字の形をした、銀色の金属アームがピンと伸びているよね。あれを「パンタグラフ」と呼ぶんだ。

線路の上空を見上げると、長い電線がずーっと張られているのが見えるはず。あれは「架線」といって、発電所から送られてきた1500ボルトものものすごい高圧電流（おうちのコンセントの15倍以上！）が流れているんだよ。

パンタグラフはバネや空気の力で上に押し上げられていて、時速100キロ以上で走っている間も、電線にピタッとくっついて離れないように工夫されているんだ。

「電線と金属がこすれ合ったら、火花が出たりすり減ったりしないの？」と思うよね。実はパンタグラフの先端には、電気を通しやすくて滑りのよいカーボン（炭素）などでできた特殊な板がついていて、電線を傷つけることなくスムーズに電気を吸い込んでいるんだよ。

床下の「モーター」が車輪を力強く回す！

屋根のパンタグラフから車内に取り込まれた電気は、そのまま車体を通って「床の下」へと送られます。床下には、電車の心臓部である「モーター」が隠されているんだ！

理科の実験で、小さな豆モーターに電池をつないでプロペラを回したことがある人も多いよね。モーターは、電気を流すと磁石の力（N極とS極が引き合ったり反発したりする力）が生まれて、中の軸が猛烈な勢いでグルグル回転する機械なんだ。

電車の床下にあるモーターは、理科の実験用とは比べものにならないくらい巨大で超パワフル！なんと1台で自動車何台分ものパワーを生み出すことができるんだよ。

みんなが乗る自転車も、足でペダルを漕ぐとチェーンや歯車を通じて後ろのタイヤがグルンと力強く回るよね。電車の床下でも同じように、巨大なモーターが電気の力で歯車を回し、鉄の車輪を猛烈な力で回転させているんだ！この力があるからこそ、何十トン・何百トンもある重い車両をグイグイ前へと走らせることができるんだね。

STEP 1 屋根のパンタグラフが電線から電気を受け取る！

線路の上の電線（架線）にパンタグラフをピタッと押し当てて、走るために必要な巨大な電気エネルギーを取り込みます。

STEP 2 床下の制御装置が電気の強さをコントロール！

運転士さんが運転レバー（マスコン）を動かすと、床下のコンピューターがモーターに送る電気の量を細かく調節してスピードを変えます。

STEP 3 強力なモーターが車輪を力強く回して出発進行！

電磁石の力でモーターがものすごい勢いで回転！その回転パワーが歯車を通じて車輪に伝わり、重い電車が一気に走り出します。

さらに電車は、ブレーキをかけるときにモーターを発電機に変えて電気をつくり出し、電線に戻して他の電車に使ってもらう「回生ブレーキ（かいせいブレーキ）」という超エコな仕組みも持っているんだ。排気ガスを出さないだけでなく、エネルギーを上手にリサイクルできるクリーンな乗り物なんだね！

はると

屋根の上のパンタグラフって、電線から電気をゴクゴク飲んでいるストローみたいだな！床下のモーターも自動車何台分もの力があるなんて、力持ちすぎてかっこいいぜ！

ひまり

そうね！ガソリンを燃やさないから、空気を汚す煙も出ないのよ。たくさんの人を一度に安全に運べる、地球にとても優しい乗り物なのね。

▲ 電車の屋根にあるパンタグラフ。架線（電線）にピタッとくっついて電気を受け取っているよ

なぜ曲がれる？レールから落ちない車輪のひみつ

電車の車輪を近くで見たことがあるかな？車のようなゴムタイヤではなく、カチカチの「鉄」でできているよね。レールも同じくツルツルの「鉄」だ。

鉄と鉄が触れ合っているだけなら、ツルッと横に滑って線路から落ちて（脱線して）しまいそうに見えるよね。しかも電車の運転台には、車のような丸いハンドルがない。それなのに、電車はどうして線路から外れずに、急なカーブでも滑らかに曲がれるんだろう？

そこには、小学校の算数や理科にもつながる、驚きのアイデアが隠されているんだ！

車輪の内側にある「命綱の出っ張り」

まず1つ目のひみつは、車輪の形にあるよ。電車の車輪を正面からじっくり見ると、まっ平らな円盤ではなく、内側だけがぐるりと一周、壁のように飛び出しているんだ。

この出っ張りのことを「フランジ」と呼ぶよ。

電車が走っているとき、もし車体が左右にグラッと揺れても、このフランジがレールの内側にガチッと引っかかるようになっているんだ。だから、横から強い風が吹いたりカーブで外側に引っ張られたりしても、レールから外に落ちることがないんだね。

ハンドルがないのに曲がれる「ナナメ」の科学！

でも実は、フランジはあくまで「最後の命綱」。普通のカーブを曲がるとき、フランジはレールにほとんど当たっていないんだ！もし毎回フランジがレールにガリガリこすれていたら、ものすごい摩擦熱で削れてボロボロになってしまうよね。

ハンドルもないのに、電車はどうやってカーブに合わせて曲がっていると思う？

その秘密は、車輪の地面と接する部分（踏み面）が「ナナメ（すり鉢状・テーパー）」に傾いていることにあるんだ！

電車の車輪は、外側（車体の外）に向かうほど細く、内側（フランジ側）に向かうほど太くなっている。そして、左右の車輪は1本の硬い鉄の車軸でガッチリつながっていて、必ず同じ回転数で回るようになっているんだ。

ここで、電車が右カーブにさしかかった場面を想像してみてね。

カーブに入ると、遠心力によって車体が左（外側）へグッと押し出される。
すると、外側の左車輪は「太い部分」がレールに乗り、内側の右車輪は「細い部分」がレールに乗る。
太い車輪は円周が大きいから、1回転でたくさん進む。細い車輪は円周が小さいから、1回転で少ししか進まない。
外側の車輪がたくさん進み、内側の車輪が少ししか進まないから……ハンドルを切らなくても、自然と右へクイッと向きを変える！

紙コップを横にして転がしてみよう！

飲み終わった紙コップを横にして、机の上でコロコロ転がしてみよう。飲み口（太いほう）が外側を大きく回り、底（細いほう）が内側を小さく回って、勝手にクルクルと円を描くよね。電車の車輪もこれと全く同じ！車輪をナナメにしておくことで、ハンドルがなくてもカーブに合わせて自動で曲がってくれるんだよ。

昔の鉄道技師さんたちが「どうすれば安全にカーブを曲がれるか」を考え抜いて生み出した、シンプルだけど驚くほど見事な科学の知恵なんだね！

はると

紙コップを転がしたときのカーブと同じ原理だったのか！車輪をナナメにしておくだけで、ハンドルがなくても勝手に曲がってくれるなんて、発明した人天才すぎるじゃん！

ひまり

ええ！もし車輪がまっ平らだったら、カーブのたびに外側のレールにガリガリぶつかって大変なことになっちゃうわ。目に見えない工夫でみんなの安全を守っているのね。

▲ 鉄のレールの上を力強く走る山手線（E235系）。車輪の工夫でカーブもスムーズに曲がるよ

新幹線はなぜ時速300キロで走れるの？

街中を走る普通の通勤電車は、最高でも時速80〜130キロくらい。これでも自転車や車と比べると十分速いよね。

ところが、日本の誇る超特急「新幹線」は、なんと時速300キロ以上で駆け抜けるんだ！これはチーターが全力疾走する速さ（時速約100キロ）の3倍以上、サッカー選手の強烈なシュートよりもずっと速いスピードだよ。

あんなに猛烈なスピードで走っているのに、新幹線は1964年の誕生から60年以上もの間、乗客の命に関わる脱線・衝突などの列車事故を「一度も」起こしたことがないんだ。世界中から「奇跡の列車」と絶賛される新幹線には、どんな特別なひみつがあるんだろう？

新幹線が安全に超スピードを出せる3つの理由

新幹線が安全に時速300キロを出せる理由は、普通の電車とは走る「環境」も「デザイン」もまったく違うからなんだ。

線路に「踏切」が1つもない！
- 普通の電車の線路には、人や車が横切る踏切があるよね。でも新幹線には踏切が絶対に1つもありません。線路全体が高い高架橋（空中の橋）やトンネル、頑丈なフェンスで完全に囲まれていて、車や動物が入り込めない専用のルートになっているんだ。
カーブがとてつもなくゆるやか！
- 時速300キロで急なカーブを曲がったら、いくら車輪が工夫されていても脱線してしまうよね。だから新幹線の線路は、できるだけ直線に近く、曲がる場合も半径数千メートルという超巨大でゆるやかなカーブになるよう作られているよ。さらに、カーブでは外側のレールを高くして線路全体を内側に傾ける「カント」という工夫をして、遠心力で外に倒れないようにしているんだ。
空気の壁を切り裂く「カモノハシの鼻」！
- 新幹線の先頭車両をよーく見ると、鼻が長くて平べったい、まるでカモノハシのような不思議な形をしているよね。新幹線が猛スピードでトンネルに突入すると、トンネル内の空気がギュッと押し縮められて、出口で「ドーン！」と雷のような巨大な破裂音（トンネル微気圧波）が鳴ってしまうんだ。あの長い鼻（ロングノーズ）は、鳥のカワセミが水中に飛び込むときのくちばしの形などをヒントにして、空気の壁をスムーズに切り裂くために計算された最先端の形なんだよ。