JP5458002B2 - 発射装置用移動体模型 - Google Patents

Description

本発明は、高速で移動する移動体によって生ずる圧縮波などの空気力学的現象を再現するために行われる実験に用いられる移動体模型に関する。

鉄道列車等の移動体が高速でトンネルに突入すると、トンネルの入口で圧縮波が生じ、出口方向に伝播する。トンネル内を伝播する圧縮波は、トンネル出口でパルス状の圧力波を放射したり、トンネル内を走行する別の移動体に振動を与えたりする。トンネル出口で放射されるパルス状の圧力波をトンネル微気圧波といい、坑口から発破音が発生したり、坑口付近の家屋の建具を揺らしたりすることがある。
この現象を解明するために、移動体模型を発射する装置を用いた、圧縮波の再現実験が行われる。図５に圧縮波の再現実験装置の構成を示す。移動体が鉄道列車の場合など実物大で模型を製作できないときには、適当な縮尺で移動体模型１を製作する。移動体模型１は、上下１対の発射輪２１に挟まれている。発射輪２１は互いに異なる方向に高速回転することで、移動体模型１に摩擦により駆動力を与え、移動体模型１を加速する。発射輪２１は、１対でも良いし、複数対あっても良い。
加速された移動体模型１は、発射装置２から発射される。発射された移動体模型１は、ピアノ線３で案内されながらトンネル模型４に突入する。この際に生じる圧力変動を、適当な箇所に設置した圧力計で測定する。

移動体模型１の移動速度は、移動体模型１の後端に埋め込んだ磁石１８を用いて測定する。つまり、移動経路の複数箇所にコイル５を設け、これらのコイル５を移動体模型１が通過する際にコイル５に生じる電圧を測定すれば、コイル間の距離と電圧を測定した時間差から、移動体模型１の移動速度を算出することができる。
トンネル模型４を通過した移動体模型１は、最終的には停止装置６で停止する。停止装置６は、いわばクッションであり、この停止装置６に移動体模型１がぶつかることで、移動体模型１は停止する。

移動体模型１には、案内用のピアノ線３を通す必要があるため、分割可能に製作する。図９に従来の移動体模型１を分割したところを示す。分割された各部を本体部分１１と呼ぶことにする。図９では前端部１５を含む本体部分１１と中間の本体部分１１とを表している。図１０は従来の移動体模型１の接合部を示す図であり、図１１は従来の移動体模型１の結合を表す断面図である。分割された各本体部分１１は、移動体模型１の各断面でそれぞれを接続するために、断面を挟んで一方の本体部分１１には雄ねじ１３を、もう一方の本体部分１１には開口７を設けその内側に雌ねじ１４をそれぞれ形成し、雄ねじ１３を雌ねじ１４にねじ込んで結合している。

長尺物体の結合に関する従来技術がいくつかある。
特許文献１は、ケーシングパイプの結合構造に関する従来技術である。一方のケーシングパイプの内側に他方のケーシングパイプの端部が挿入可能となっており、設けられたねじで互いにネジ結合する。
特許文献２は、管継手構造に関する従来技術である。継手部の左右に管体を挿入可能となっており、継手部の筒体の内周には雌ねじが、管体の端部に設置したリテーナの外周には雄ねじが設けられ、互いにネジ結合することで、管体が結合される。
しかし、いずれの構造においても、継手部でパイプ（管体）の径が変わってしまうが、鉄道列車を模した移動体模型では、その断面積を変化させることなく、移動体模型を分割し、結合できる構造が必要である。

特開２００１−２００６８５号公報 特開２００２−２４３０７５号公報

図１０に示すように、従来の移動体模型１は、重量を軽くするために、本体部分を断面から長手方向にくり貫いて中空に成形していた。一方で、従来、発射された移動体模型１は、停止装置６（図８参照）に衝突する際、移動体模型１の接続部に相当する雄ねじに衝撃による応力が集中し、接合部の雄ねじが破損することがあった。そこで、雄ねじの強度を増加させるために雄ねじの厚さ（図１０中の厚さｄ２）を増加させる対策をとっていたが、雄ねじは本体部分と一体成型しているため、移動体模型１を中空にしようとしても、雄ねじの厚さ（ｄ２）を増すと本体部分をくり貫く量が減少し、結果的に移動体模型１の総重量が増加するという問題点があった。
移動体模型１の重量の増加は、発射装置と停止装置とへの負荷を増し、また移動体模型１の取扱いを難しくする原因となる。

また、図１２に示すように、従来の移動体模型１では、後端部１６に磁石１８を埋め込んでいたため、移動体模型１の後端部１６では、磁石１８を埋め込む穴１９のために、表面がでこぼこしていた。圧縮波の再現実験では、移動体模型１の断面積の変化率を現実と等価にする必要があることから、前端部１５の表面に凹凸があることは好ましくない。従って、停止装置６に移動体模型１が衝突を繰り返し、移動体模型１の前端部１５が破損したり変形したりした場合、後端部１６を前端部１５と交換することはできず、前端部１５を再度製作する必要があり、時間的経済的に負担が大きいという問題があった。
さらに、後端部１６に埋め込まれた磁石１８に衝撃力が加わり、磁石１８を埋め込んだ穴１９やふた２０が破損することで、磁石１８ががたついたり、飛び出したりすることがあった。

本発明は、これらの問題を解決するために、移動体模型１が停止装置６に繰り返し衝突しても継手部１２が破損せず、また重量の軽く取扱いの容易な移動体模型１を提供することを目的とする。
また、移動体模型１が停止装置６に衝突を繰り返し、前端部１５が破損しても、前端部１５を後端部１６と交換することで、取り替えを安価に行える移動体模型１を提供することを目的とする。

以下、符号を付して本願発明を説明する。ただし、符号は参照のためであり、本願発明を実施形態に限定するものでない。

本願に係る第１の発明は、上記の目的を達成するために、進行方向に略垂直な断面で複数に分割可能な発射装置用の移動体模型１であって、複数の前記本体部分１１と、前記本体部分１１の個数より１つ少ない個数の継手部１２とから構成され、前記継手部１２のうち少なくとも１つに磁石１８を内蔵しており、各本体部分１１どうしは、断面に設けられた開口７に前記継手部１２を挿入することで互いに連結し、該移動体模型１を構成すること、を特徴とする。

また、本願に係る第２の発明は、前記複数の本体部分１１のうち、進行方向端部の本体部分１１の形状と、進行方向反対側端部の本体部分１１との形状が合同となるようにした。

また、本願に係る第３の発明は、本体部分の断面に設けられた開口７には雌ネジ１４が、各継手部の表面には雄ネジ１３が形成されており、前記各本体部分どうしは、前記継手部とネジ止めすることで互いに連結し、該移動体模型１を構成することとした。

このように構成することで、継手部１２の厚さ（図２の厚さｄ１）を増加させて、その強度を増すことができるので、継手部に設けられた雄ねじ１３が破損することがない。一方、継手部１２とは独立した本体部分１１を断面からくり貫くことができるため、任意の肉厚に形成し軽量化を図ることができる。

さらに、このように構成することで、停止装置６に移動体模型１が衝突を繰り返したとしても、磁石１８は、本体に内包される継手部１２に内蔵されているため、磁石１８ががたつくことはない。

さらに、このように構成することで、移動体模型１の後端部１６で表面がでこぼこするという問題は生じ得ないし、また停止装置６に移動体模型１が衝突を繰り返した結果、移動体模型１の前端部１５が破損したとしても、前端部１５と後端部１６との形状が合同であるので、進行方向反対側端部の本体部分と進行方向端部の本体部分とを交換すれば、再度移動体模型１を圧縮波の再現実験に使用することができる。従って、このような構成にすることは、経済的でありかつ交換用の前端部１５を製作する時間が不要となる。

移動体模型の外観を表す図である。 本願発明に係る移動体模型の結合を表す図である。 本願発明に係る継手部のうち、磁石が内蔵された継手部を表す図である。 本願発明に係る移動体模型の結合を表す断面図である。 圧縮波の再現実験装置の構成を表す図である。 圧縮波の再現実験装置の発射装置の構成を表す図である。 圧縮波の再現実験装置のトンネル模型とコイルとを表す図である。 圧縮波の再現実験装置の停止装置を表す図である。 従来の移動体模型の結合を表す図である。 従来の移動体模型の前端部を含む本体部分を表す図である。 従来の移動体模型の結合を表す断面図である。 従来の移動体模型の後端部に内蔵した磁石を表す図である。 各種列車の先頭形状と移動体模型の前端部の形状との対応例を表す図である。 鉄道列車がトンネルに突入した際に生じる圧縮波の概念図である。

［発明にかかる移動体模型］
本願発明に係る移動体模型１について説明する。

図１は、移動体模型１の外観を示す図である。移動体模型１の縮尺は通常１／６０〜１／１００である。移動体模型１は、案内用のピアノ線３を通す必要があるため、進行方向に略垂直な断面で複数に分割可能な構造となっている。図１では、４つの本体部分に分割可能な移動体模型１を表しているが、再現実験の目的に応じて、移動体模型１の長手方向の長さを変更するために、２つ以上の本体部分から構成するようにすればよい。ピアノ線３は該断面の中心に通される。

図２は本願発明に係る移動体模型１の結合を示す図であり、前端部１５を含む本体部分１１と中間の本体部分１１と、これらの継手部１２とを表している。図４は本願発明に係る移動体模型１の結合を表す断面図である。分割された本体部分１１の各断面には、それぞれを接続するために、断面に開口７が設けられている。また、開口７に挿入可能な継手部１２が本体部分１１の数より１つ少ない個数だけあり、本体部分１１どうしは、断面に設けられた開口７に前記継手部１２を挿入することで互いに連結し、全ての断面ですべての本体部分１１が連結されると、移動体模型１を構成する。

図２に示す本実施例では、本体部分１１の開口７の内側に雌ねじ１４を形成し、一方継手部１２を円筒形状に形成した上でその外側曲面に雄ねじ１３を形成し、継手１２の雄ねじ１３と本体部分１１の雌ねじ１４とを互いにねじ込んで結合する。このように構成することで、移動体模型１の分割および結合がしやすくなる。図４は、本実施例に係る移動体模型１の結合を示す図である。本体部分１１と継手部１２との結合は、スプライン結合、嵌合等の機械的結合でもよい。

継手部１２のうち少なくとも１つには、磁石１８を埋め込むため、移動体模型１の長手方向の穴１９が４カ所設けられている。図３に、本願発明に係る継手部１２のうち、磁石１８が内蔵された継手部１２を示す。それぞれの穴１９に磁石１８が埋め込まれ、継手部１２に磁石１８が内蔵される。

移動体として鉄道列車を模擬した実験を行う際には、移動体模型１の前端部１５と後端部１６との形状を合同にすることが多い。一般に鉄道列車の場合、前端部１５の形状と後端部１６の形状とが略合同だからである。

図１に示すように、模型製作のしやすさ、および取扱いの容易さから、移動体模型１は軸対称、すなわち進行方向と垂直方向の断面が円形になるように成型される。

移動体模型１は、棒状の原材料を旋盤で削り出すことで製作する。旋盤を用いることで、進行方向に直角な断面は円形となるが、後述のように圧縮波の再現実験には、移動体模型１の断面形状は影響しない。

図１に示すように、移動体模型１の前端部１５と後端部１６は、それぞれ先端になるほど断面積が小さくなるように成型されることがあるが、移動体模型１の前端部１５と後端部１６の形状は、再現しようとする移動体（本実施例では鉄道列車）の形状によって定まる。これは、トンネル内で生じる圧縮波の再現のためには、トンネル模型４の断面積と移動体模型１の断面積の比と、移動体模型１の前端部１５の断面積変化率、および移動体模型１がトンネル模型４に突入する速度を現実と等価にする必要があるためである。つまり、鉄道列車を模した実験では、日本国内で通常見られるような切妻型の通勤列車を再現しようとすれば、前端部１５と後端部１６の形状は、おおむね円筒状になる。一方、高速列車のような流線型の列車を再現しようとすれば、前端部１５と後端部１６の形状は、先端になるほど断面積が小さくなるようになる。図１３に、切妻型車両（通勤列車）、流線型車両（高速列車）、およびこれらの中間型（特急列車）の先頭形状と移動体模型１の前端部１５（または後端部１６）の形状との対応例を示す。

［圧縮波の再現実験］
本発明に係る移動体模型は、主に圧縮波の再現実験に用いられる。以下、圧縮波の再現実験について説明する。

移動する移動体がトンネルに突入すると、トンネルの入口に発生した圧縮波が、音速でトンネル内を出口方向に伝播する。この圧縮波は、トンネル内を走行する別の移動体に振動を与えたり、トンネル出口に達するとその一部がパルス状の圧力波となって外部に放射され低周波音を生じたりする。また、トンネル出口で反射した圧縮波が、トンネルを走行中の移動体自身に振動を与えることがある。トンネル出口で放射されるパルス状の圧力波をトンネル微気圧波という。図１４に圧縮波の発生するメカニズムを示す。
この現象を解明するために、移動体模型を発射してトンネル模型に突入させる装置を用いた実験が行われる。ここでは、移動体として鉄道列車を例に説明するが、移動体は自動車等、他の移動体であっても良い。

［実験装置の構成］
図５に圧縮波の再現実験装置の構成を示す。通常、移動体として鉄道列車を模擬した実験を行うため、模型を実物大で製作できない。このため、適当な縮尺で模型を製作して実験を行う。
図５に圧縮波の再現実験装置の構成を示す。この実験装置は、模型発射装置２、ピアノ線３、トンネル模型４、コイル５、停止装置６、および移動体模型１から構成される。

［模型発射装置］
模型発射装置２は、移動体模型１を後述のトンネル模型４に向けて発射するための装置である。図６に発射装置２の構成を示す。図６では発射輪２１は３対となっているが、実験の目的や実験の規模に応じて１対以上の発射輪２１を用いればよい。また、図６では発射輪２１を上下に設置しているが、移動体模型１を挟むように、水平に設置したり、斜めに設置したりすることも可能である。

発射輪２１は、移動体模型１を摩擦駆動によって加速するためのものである。発射輪２１は上下１つずつで１対をなす。発射輪２１は移動体模型１を上下から挟み、互いに異なる方向に高速回転することで、移動体模型１に摩擦により駆動力を与え、移動体模型１を加速する。

発射装置２から発射される前の移動体模型１は、発射輪２１の手前に設置されている。発射の際に、移動体模型１はバネ（図示せず）によって発射輪の間に送り出され、発射輪２１によって摩擦駆動され加速し、トンネル模型４に向けて発射される。例えば、本実施例の発射装置２で、移動体模型１を３００ｋｍ／ｈに加速しようとした場合、３つの発射輪２１は、トンネル模型４に遠い方から、徐々に回転数を高くし、最終の発射輪２１を３００ｋｍ／ｈの速さで回転し、移動体模型１を加速する。

［ピアノ線］
ピアノ線３は、移動体模型１を案内するために、移動体模型１の移動経路に設置される。図５に示すように、ピアノ線３の両端は緊張装置３１に固定される。ピアノ線３は垂れ下がらない程度に張力が加えられる。本実施例では直径５ｍｍのピアノ線を用いた。ピアノ線３の代わりに他の鋼線、ナイロン製の線等、実験の目的や規模に応じて他の適当な材料を用いることができる。また、ピアノ線３の太さは、実験の目的などに応じて太さを変えることもできる。

［トンネル模型］
図７は、トンネル模型４とコイル５を表す図である。トンネル模型４は、トンネルを模擬した模型で、本実施例では、透明アクリル製の管体を用いた。

ここで、トンネル微気圧波の現象を再現するためには、トンネル模型４の断面積と移動体模型１の断面積との比と、移動体模型１の前端部１５の断面積変化率、および移動体模型１の速度を、現実と等価に再現すればよい。従って、本実施例では、トンネル模型４の断面は円形としているが、トンネルの断面形状は現実のトンネル実断面形状であってもよい。

また本実施例では、装置の製作のしやすさ、入手のしやすさ、費用の面等の観点から透明アクリル製の管体を用いているが、他の材質、例えばポリ塩化ビニルなどのプラスチック樹脂製の水道管でもよい。ただし、後述するように、コイル５と磁石１８とを用いて移動体模型１の移動速度を測定するので、トンネル模型４の材質としては、磁力を透過するものの方が望ましい。

［コイル］
移動体模型１の速度は、移動体模型１に埋め込まれた磁石１８が、移動体模型１の移動経路に設置されたコイル５を通過する際に生じる電圧によって計測できる。図７にコイル５の設置例として、トンネル模型４の入口と出口付近に設置した場合の例を示す。

具体的には、移動体模型１の移動経路の２カ所以上に、ピアノ線３を囲むようにコイルを設置する。これらのコイル５を移動体模型１が通過すると、移動体模型１に埋め込まれた磁石によりコイルに電圧を生じる。２カ所以上にコイル５を設置しておけば、コイル５間の距離をそれぞれのコイル５に電圧が生じた時間の差で除すことで移動体模型１の速度が算出できる。
本実施例では、トンネル模型４の入口近傍と出口近傍の２カ所にコイル５を設置したが、３カ所以上にコイル５を設置しても良い。例えば、トンネル模型４の入口近傍に２カ所、出口近傍に２カ所、コイル５を設置すれば、移動体模型１がトンネル模型４に突入した際の速度とトンネル模型４から脱出する際の速度とを測定することができる。

［停止装置］
発射された移動体模型１は、停止装置６に衝突して停止する。図８は停止装置６を表す図である。停止装置６は、いわばクッションであり、この停止装置６に移動体模型１がぶつかることで、移動体模型１は停止する。停止装置６は、トンネル模型４の後方（移動体模型の移動方向）に設置される。本実施例では、停止装置６のクッション材６１としてスポンジを用いている。移動体模型１は高速鉄道の速度並みの時速５００ｋｍ／ｈに達することもあるので、移動体模型１が停止装置６と衝突した際に破壊しない程度の、十分な厚さとやわらかさのクッション材６１を用いて停止装置６を製作する。

［発明に係る移動体模型を用いた圧縮波の再現試験］
次に、移動体模型１を用いた圧縮波の再現実験について、順を追って説明する。

移動体模型１を発射する際には、まず移動体模型１を、前記発射装置２の発射輪２１のうち最も手前側（進行方向反対側）の発射輪の手前に設置する。次に、発射輪２１を回転させ、設定した回転数に達したときに移動体模型１をバネによって発射輪２１に送り出し、摩擦駆動により移動体模型１を加速する。複数対の発射輪２１は手前から徐々に回転速度が速くなるように調整されており、移動体模型１は隣の発射輪２１の対に移動する度に、徐々に加速する。そして、最後の発射輪２１を通過する際の速度が、実験で求められる移動速度になるよう、発射輪２１の回転速度を調整する。

複数対の発射輪２１がある場合、移動体模型１の長手方向の長さは、発射輪２１の間隔より短くする必要がある。すなわち、複数対の発射輪２１で移動体模型１を徐々に加速する場合には、隣接する発射輪２１の間で回転速度が異なるため、もし移動体模型１の長手方向の長さが発射輪２１どうしの間隔よりも長いと、移動体模型１に長手方向の力が加わり、移動体模型１を破損する原因となる。従って、移動体模型１の長手方向の長さは発射輪２１どうしの間隔に比して同程度か短くする必要がある。

発射された移動体模型１は、トンネル模型４に突入する。この際トンネル模型４の入口で圧縮波が生じてトンネル模型内を出口方向（進行方向側）へ伝播する。これを、圧力計（図示せず）を用いて測定する。

発射された移動体模型１の移動速度は、２カ所以上に設置したコイル５を通過した際に生じる電圧が生じた時間の差から算出する。

トンネル模型４を通過した移動体模型１は、トンネル模型４の先（進行方向側）に設置された停止装置６に衝突して停止する。

本実施例に係る移動体模型１を圧縮波の再現実験に用いたことにより、以下の効果を奏する。

発射された移動体模型１が、停止装置６に衝突して停止する際、移動体模型１の継手部１２には衝撃による応力が集中する。また、移動体模型１の前端部１５は衝突を繰り返すうちに徐々に磨耗していく。しかし、本願発明のように移動体模型１を構成すれば、継手部１２の厚さ（図２の厚さｄ１）を増加させて、その強度を増すことができので、継手部１２の雄ねじ１３が破損することがない。

また、移動体模型１の前端部１５が停止装置６と衝突して磨耗したとしても、移動体模型１の後端部１６の表面は平滑で凸凹はなく、形状が前端部１５と合同であるため、後端部１６を含む本体部分１１と前端部１５を含む本体部分１１とを交換することができる。

また、分割された本体部分１１を中空にすることができるが、各本体部分１１は継手部１２から独立しているため、継手部の厚さｄ１に依らず中空に作成することができる。このように構成すれば移動体模型１全体として軽量化が図られ、作業時の取り扱いが容易になる。また、同じ発射速度を与えようとした場合でも、移動体模型１が軽量であれば発射装置２が移動体模型１に与える駆動力が少なくてすむ。さらに、移動体模型１が衝突することによる停止装置６への負荷を軽減することができる。

また、継手部１２に磁石１８を内蔵する構成とすれば、発射された移動体模型１が停止装置６に衝突を繰り返したとしても、内蔵された磁石１８は本体部分１１の内側にあるので従来の移動体模型１に比べて破損しにくく、また衝撃で磁石１８が飛び出すことはない。

移動体模型１の前端部１５と後端部１６は、それぞれ先端になるほど断面積が小さくなるように成型されることがある。これは、圧縮波の再現のためには、トンネル模型の断面積と移動体模型１の断面積の比と、移動体模型１の前端部の断面積変化率および移動体模型１がトンネル模型４に突入する速度を現実と等価にする必要があるためである。すなわち、鉄道列車を模した実験では、現実の鉄道列車、特に高速鉄道の車両は、先頭形状が流線型となっていることが多いため、移動体模型１の断面積変化率を等価に再現するために、先端になるほど断面積が小さくなるように、移動体模型１が形成される必要があるからである。

１ 移動体模型
１１ 本体部分
１２ 継手部
１３ 雄ねじ
１４ 雌ねじ
１５ 前端部
１６ 後端部
１７ 中空
１８ 磁石
１９ 穴
２０ ふた
２ 発射装置
２１ 発射輪
３ ピアノ線
３１ 緊張装置
４ トンネル模型
５ コイル
５１ 電圧計
６ 停止装置
６１ クッション材
７ 開口

Claims (3)

1. 移動体模型発射装置用の移動体模型であって、
   該移動体模型は、進行方向に略垂直な断面で複数に分割可能な本体部分と、
   前記本体部分の個数より１つ少ない個数の継手部と、から構成され、
   前記継手部のうち少なくとも１つは、磁石を内蔵しており、
   各本体部分どうしは、断面に設けられた開口に前記継手部を挿入することで互いに連結し、該移動体模型を構成すること、
   を特徴とする移動体模型。
2. 前記複数の本体部分のうち、進行方向端部の本体部分の形状と、進行方向反対側端部の本体部分との形状が合同であること、
   を特徴とする請求項１記載の移動体模型。
3. 前記各本体部分の断面に設けられた開口には雌ネジが、各継手部の表面には雄ネジが形成されており、
   前記各本体部分どうしは、前記継手部とネジ結合することで互いに連結し、該移動体模型を構成すること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の移動体模型。

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