How the Kingfisher's Beak Solved the Bullet Train's Sonic Boom

第1章: とても長い「鼻」を持つ新幹線

日本にっぽんの新幹線しんかんせんを見みたことがありますか。

駅えきで見みると、前まえがとても長ながいです。

まるで長ながい「鼻はな」のように見みえます。

どうしてこんな形かたちなのでしょうか。

実じつは、ある鳥とりの形かたちをまねて作つくられました。

自然しぜんの生いき物ものから学まなぶ技術ぎじゅつです。

これを「バイオミミクリー」と呼よびます。

第2章: トンネルで鳴る「ドーン」という大きな音

話はなしは30年以上いじょう前まえからはじまります。

JR西日本にしにほんは、もっと速はやい新幹線しんかんせんを作つくろうとしていました。

それが「500系けい」という車両しゃりょうです。

しかし、大おおきな問題もんだいがありました。

それはトンネルを出でるときの音おとです。

新幹線しんかんせんはとても速はやく走はしります。

狭せまいトンネルに入はいると、前まえの空気くうきが強つよくおされます。

そして、出口でぐちから「ドーン」と大おおきな音おとがひびきます。

空気くうき鉄砲てっぽうと同おなじ仕組しくみです。

この音おとは「トンネルドン」と呼よばれました。

遠とおくの家いえまで音おとが届とどいて、困こまる人ひとがたくさんいました。

第3章: 鳥が大好きな技術者のひらめき

この問題もんだいを解決かいけつした人ひとがいます。

エンジニアの仲なか津つ英治えいじさんです。

仲なか津つさんは、鳥とりを見みるのが大好だいすきでした。

ある日ひ、カワセミという鳥とりを思おもい出だしました。

カワセミは、魚さかなをとる青あおくてきれいな鳥とりです。

空そらから水みずの中なかへ、速はやいスピードで飛とびこみます。

でも、水みずしぶきをほとんど上あげません。

水みずに入はいるときの抵抗ていこうを、上手じょうずに減へらしているのです。

「あのくちばしの形かたちを使つかえばいいのではないか」[1][3]

仲なか津つさんはそう考かんがえました。

実験じっけんをすると、カワセミの形かたちが一番いちばん静しずかに入はいることがわかりました。

また、屋根やねの上うえの電気でんきをとる部品ぶひんには、フクロウの羽はねをまねました。

フクロウは音おとを立たてずに飛とびます。

羽はねのギザギザをまねて、音おとを30パーセント減へらしました。

第4章: 1997年に走りはじめた500系

こうして1997年に、500系けい新幹線しんかんせんがデビューしました。

先頭せんとうの鼻はなの長ながさは15メートルもあります。

カワセミのくちばしにそっくりな形かたちです。

この形かたちのおかげで、トンネルドンの問題もんだいは消きえました。

時速じそく300キロで走はしれるようになりました。

走はしるスピードは10パーセント上あがりました。

それなのに、使つかう電気でんきは15パーセント減へりました。

生いき物ものの知恵ちえが、新幹線しんかんせんを強つよくしたのです。

第5章: 新幹線に乗るときに見てみよう

今いまの新幹線しんかんせんも、鼻はなが長ながい形かたちをしています。

山やまが多おおい日本にっぽんには、トンネルがたくさんあります。

静しずかに速はやく走はしるために、この形かたちが今いまも大切たいせつです。

日本にっぽんで新幹線しんかんせんを見みるときは、ぜひ先頭せんとうを見みてください。

川かわに飛とびこむ鳥とりの姿すがたが、そこに隠かくれています。

日本にっぽんの駅えきのホームに立たち、滑すべり込こんできた最さい新鋭しんえいの新幹線しんかんせんを眺ながめると、その独特どくとくな前ぜん頭部とうぶの長ながさに目めを奪うばわれることでしょう。先端せんたんに向むかって鋭するどく尖とがり、あるいは平ひらたく伸のびるその形状けいじょうは、単たんなる未来みらい的てきな意匠いしょうではなく、長年ながねんにわたる流体りゅうたい力学りきがく上じょうの難題なんだいを解決かいけつするために生うみ出だされた機能きのう美びそのものです。

かつて日本にっぽんの高速こうそく鉄道てつどう開発かいはつは、ある深刻しんこくな環境かんきょう騒音そうおんという目めに見みえない壁かべに直面ちょくめんしていました。その危機ききを救すくったのは、野鳥やちょう観察かんさつを愛あいする一人いちにんの技術ぎじゅつ者しゃと、清流せいりゅうを飛とび交かう一羽いちわの小鳥ことりでした。

第1章: 山あいに響く轟音――「トンネルドン」の正体

1989年、時速じそく300キロでの営業えいぎょう運転うんてんを目指めざして新型しんがた車両しゃりょう「500系けい」の開発かいはつが本格ほんかく化かした頃ころ、技術ぎじゅつ陣じんの前まえに立たちはだかったのが騒音そうおん問題もんだいでした。とりわけ深刻しんこくだったのが、新幹線しんかんせんが高速こうそくでトンネルに突入とつにゅうした瞬間しゅんかんに発生はっせいする現象げんしょうです。開放かいほうされた空間くうかんから狭せまいトンネル坑内こうないへ猛もうスピードで進入しんにゅうすると、列車れっしゃが巨大きょだいなピストンのように空気くうきを激はげしく圧縮あっしゅくします。押おし固かためられた空気くうきは圧縮あっしゅく波はとなって音速おんそく（時速じそく約やく1225キロ）でトンネル内ないを走はしり抜ぬけ、反対はんたい側がわの出口でぐちから一気いっきに放射ほうしゃされます。その際さい、あたかも爆発ばくはつが起おきたかのような「ドン」という凄すさまじい破裂はれつ音おんと低てい周波しゅうは振動しんどうを周囲しゅういに撒まき散ちらしてしまうのです。

この現象げんしょうは「トンネル微び気圧きあつ波は」、通称つうしょう「トンネルドン」と呼よばれ、坑口こうこうから数百すうひゃくメートル離はなれた住宅じゅうたく地ちから苦情くじょうが寄よせられるほどの被害ひがいをもたらしました。列車れっしゃの速度そくどを上あげれば上あげるほど圧縮あっしゅく波はは強つよまり、環境かんきょう基準きじゅんを満みたすことができなくなります。さらなる高速こうそく化かのためには、何なにとしてもこの轟音ごうおんを抑おさえ込こまなければなりませんでした。

第2章: 野鳥観察から生まれた大自然の幾何学

この難問なんもんに立たち向むかった開発かいはつチームのリーダーが、JR西日本にしにほんの技術ぎじゅつ開発かいはつ部門ぶもんを率ひきい、自身じしんも日本にっぽん野鳥やちょうの会かいのメンバーとして活動かつどうしていた仲なか津つ英治えいじ氏しでした。解決かいけつの糸口いとぐちを探さぐるなか、ある若手わかて技術ぎじゅつ者しゃが漏もらした「列車れっしゃがトンネルに入はいるとき、車体しゃたいが縮ちぢんだように感かんじる」という言葉ことばや、空気くうき抵抗ていこうの急激きゅうげきな変化へんかという物理ぶつり現象げんしょうを前まえにして、仲なか津つ氏しの脳裏のうりにある光景こうけいが浮うかび上あがりました。それが、水辺みずべの宝石ほうせきとも称しょうされる「カワセミ」の狩かりの姿すがたです。

カワセミは空中くうちゅうから水中すいちゅうへ、猛もうスピードでダイブして小しょう魚さかなを捕とらえます。空気くうきと水みずとでは密度みつどが大おおきく異ことなり、およそ1000倍もの抵抗ていこう差さが存在そんざいします。それにもかかわらず、カワセミはほとんど水みずしぶきを立たてることなく、滑なめらかに水面すいめんを突つき破やぶっていきます。「空気くうきから水みずへ突入とつにゅうするカワセミと、開あけた空間くうかんから狭せまいトンネルへ突入とつにゅうする新幹線しんかんせんは、同おなじ現象げんしょうに直面ちょくめんしているのではないか」――仲なか津つ氏しはこの直感ちょっかんを検証けんしょうに移うつしました。

実験じっけん装置そうちを用もちいてさまざまな形状けいじょうの模型もけいを管内かんないに打うち込こみ、圧力あつりょく波はを測定そくていしたところ、カワセミの長ながいくちばしから頭部とうぶにかけての形状けいじょうを模もしたデザインが、最もっとも抵抗ていこうを抑おさえ、静しずかに突入とつにゅうできることが判明はんめいしました。スーパーコンピュータによる詳細しょうさいな解析かいせきも、自然しぜん界かいが何百万年なんひゃくまんねんもの進化しんかの末すえに獲得かくとくしたその流線型りゅうせんけいこそが工学こうがく的てきな最適さいてき解かいであることを裏付うらづけたのです。

第3章: 青き名車「500系」が証明したバイオミミクリー

1997年、カワセミのくちばしを忠実ちゅうじつに反映はんえいした先頭せんとう車両しゃりょうを持もつ500系けい新幹線しんかんせんが営業えいぎょう運転うんてんにデビューしました。先頭せんとう車両しゃりょうの全長ぜんちょう27メートルのうち、なんと15メートルが尖とがった「鼻はな」に割わり当あてられ、車体しゃたい断面だんめんも空気くうき抵抗ていこうを極限きょくげんまで減へらす円筒えんとう形状けいじょうが採用さいようされました。この流麗りゅうれいなノーズによってトンネル微び気圧きあつ波はは見事みごとに抑制よくせいされ、山陽新幹線さんようしんかんせんにおいて当時とうじ世界せかい最速さいそくタイとなる時速じそく300キロでの運行うんこうが実現じつげんしたのです。

カワセミの恩恵おんけいは騒音そうおん低減ていげんにとどまりませんでした。走行そうこう時じの空気くうき抵抗ていこうが従来じゅうらいに比くらべて30％削減さくげんされたことで、走行そうこう速度そくどが10％向上こうじょうしたにもかかわらず、消費しょうひ電力でんりょくは15％も節約せつやくされました。自然しぜん界かいの仕組しくみを技術ぎじゅつ開発かいはつに応用おうようする「バイオミミクリー（生物せいぶつ模倣もほう技術ぎじゅつ）」の威力いりょくが遺憾いかんなく発揮はっきされた瞬間しゅんかんでした。

なお、鳥類ちょうるいから学まなんだ知恵ちえは先頭せんとう形状けいじょうだけではありません。屋根やね上じょうで架線かせんから電気でんきを取とり込こむ「パンタグラフ」から生しょうじる風切かざきり音おんに対たいしては、夜間やかんに音おともなく飛翔ひしょうするフクロウの翼つばさ（セレーションと呼よばれる微細びさいな凹凸おうとつ構造こうぞう）を模倣もほうし、支柱しちゅうの騒音そうおんを30％削減さくげんしました。さらにパンタグラフの台座だいざ部分ぶぶんには、抵抗ていこうなく滑なめらかに海うみを泳およぐアデリーペンギンの体形たいけいが参考さんこうにされています。500系けいは、まさに鳥とりたちの英知えいちを結集けっしゅうした「空そらを飛とばない鳥とり」だったのです。

第4章: 次世代へと受け継がれる「鼻」の進化

しかし、完璧かんぺきに見みえた500系けいの設計せっけいにも実用じつよう上じょうの課題かだいが残のこされていました。15メートルにも及およぶ尖とがった先頭せんとう形状けいじょうと円形えんけい断面だんめんを採用さいようした結果けっか、先頭せんとう車両しゃりょうの客室きゃくしつ空間くうかんが圧迫あっぱくされ、乗降じょうこうドアや座席ざせき数すうが削けずられるという運用うんよう上じょうの制約せいやくが生しょうじてしまったのです。鉄道てつどう車両しゃりょうには、環境かんきょう性能せいのうだけでなく乗客じょうきゃくの快適かいてき性せいや大量たいりょう輸送ゆそうという使命しめいも求もとめられます。

その後ごの700系けいでは、流体りゅうたい力学りきがくの綿密めんみつな計算けいさんに基もとづき、先頭せんとう長ちょうを約やく9.2メートルに抑おさえながら客席きゃくせき定員ていいんを確保かくほする「エアロストリーム形がた」が生うみ出だされました。この独特どくとくな形状けいじょうは、水辺みずべで暮くらす「カモノハシ」のくちばしに例たとえられ、その後ごのN700系けいや最新さいしんのN700Sへと受うけ継つがれる現代げんだいの新幹線しんかんせんデザインの礎いしずえとなっています。

日本にっぽんを訪おとずれて新幹線しんかんせんに乗のる機会きかいがあれば、ぜひ乗車じょうしゃ前まえにホームの先端せんたんまで歩あるき、その先頭せんとう部ぶを間近まぢかで観察かんさつしてみてください。複雑ふくざつな曲面きょくめんを描えがく優美ゆうびなノーズの奥おくには、山やまあいの暮くらしを騒音そうおんから守まもり、より速はやく、より静しずかに駆かけるために自然しぜんの摂理せつりへと耳みみを澄すませた技術ぎじゅつ者しゃたちの情熱じょうねつが今いまも息いきづいています。