新幹線の先頭形状の遷移

新幹線の０系、１００系の先頭形状はまるで飛行機のようですね。速く走るということで飛行機の流線形状をイメージしたものでしょう。ただし、本来の流線形というのは後尾部の形状が重要で、これは空気が形に添って流れ去る形状のことをいいます。そのためには後尾部が滑らかにすぼまっていく必要があります。

ところが、新幹線の場合、先頭部は復路になると後尾部になる。そうすると０系の形状では、鼻先の丸みや運転席の切り立ったフロントガラス部からの空気の流れが壁から剥はがれてしまう（剥はく離り流れという）。こうなるともはや流線形ではなく、空気抵抗も大きくなります。

そこで１００系では、後尾部への切り替えを考慮し、鼻先を少し尖らせやや長めにしましたが、それでもまだ運転席のフロントガラス部は角度がついていて剥離します。次の３００系ではフロントガラス部は滑らかにつながる設計に変更しました。さて、この段階までは空気抵抗を考慮した設計でした。その後の７００系以降となると鼻先がやたらと長くなりました。トンネルに入るときの気圧変化を緩慢にするためです。

トンネルという筒の空気を、たとえばピストンのように平らのもので急に押すと、その押し込んだ部分の空気密度が急に上昇し、衝撃波のようになってトンネル出口からドーンという音として放出されます。そうした衝撃を和らげるようにトンネルに入るピストンの断面積がゆっくりと増加するように鼻先を長くしたわけです。設計基準が根本的に違うんですね。ですから、先頭形状は水に飛び込むカワセミのくちばし形状を模倣した形なっています。トンネルの多いところを走るリニアモーターカーも同じなので、機会があれば見比べてみるのも面白いでしょう。

出典：『眠れなくなるほど面白い　図解　すごい物理の話』著/望月修