鐵道的科學（暢銷修訂版）：認識鐵道的運行技術與原理，更快速、更便捷、更舒適的祕訣是什麼？

什麼是鐵道
為了追究鐵道的根源，首先就來看看和其他交通工具相較之下的鐵道特徵以及鐵道誕生的歷史，試著來探究「什麼是鐵道」吧。

1-01 什麼是鐵道？
公共性高的路上交通工具
說到大家再熟悉不過的陸上交通工具─鐵道，其種類包羅萬象。一般來說，是指在鋪有兩條軌道上方行駛的車輛，但是只有單一路軌的單軌鐵道、或是沒有軌道存在的無軌電車，在日本也被歸納於鐵道。
那麼，鐵道到底是什麼呢？法律上的定義是依國家或地域而異，但廣義來說，一般則是被定義為「沿著軌道等指引路線來行駛、載運旅客（人）或貨物的車輛」。運送旅客的索道，在現今的日本，是依據鐵道事業法來營運的，因此本書會把它當作是鐵道的同一族群。
交通工具除了鐵道之外，還包括飛機、汽車、船舶，但鐵道具有其獨特的特徵，其一就是它是個公共性高的交通工具。
就像飛機會有私人專機、汽車會有自用車、船會有遊艇一樣，它們都是可被個人所擁有、並可以去駕駛的。可是，即使個人可以擁有鐵道車輛，基本上也無法去行駛營業用路線。由於與鐵道事業毫無關係的個人無法取得鐵道車輛的駕照，因此基本上也無法去駕駛。因此即使人們所利用的車輛都是獨立的，但無謂身分或收入，都會利用同樣的列車或車站，所以公共性會提升。但正因如此，作為會和許多人擦身而過、邂逅的場所，它逐漸成為了文學或電影、戲劇、音樂等的題材。在那樣的層面當中，也許它是個凌駕於單純只是交通工具領域的存在。

1-02 鐵道是半調子？
沒有「舵」的陸上大量運送工具
鐵道具有優缺點，光看它的缺點，其實是半調子的交通工具。移動的速度贏不過飛機，而且陸上移動的自由度也無法贏過汽車。耗能的程度和船差不多，但鐵道只能在陸地上使用。
因此，當第二次世界大戰後飛機或汽車發展之後，鐵道在歐美衰退了，但日本的衰退程度並不如歐美。那不僅是因為飛機或汽車的發展落後於歐美，由於都市人口密度提高、道路變得擁塞，只好倚賴運送效率高的鐵道。當然，由於新幹線的登場，過去只有飛機辦得到的長距離高速運送，現在鐵道也可以了，這也是一大主因。
鐵道不過是一種交通工具，但和其他交通工具相比，特徵是安全性較高、可以在陸上進行大量運送，原因就是不需要操作「舵」之故。
交通工具要到達目的地，不是只是前進而已，必須制定前進路線。因此，就像汽車會有方向盤、飛機會有操作桿、船會有船舵一樣，雖然會有切換掌舵的裝置，但像是電車等鐵道車輛並沒有這個裝備。鐵道車輛的前進路線，是由鋪有路線的軌道來引導，因此不需要操作舵，同時能連結數個鐵道車輛來行駛。所以不會發生因掌舵失誤而引起的事故，因此安全性高，還可以一次運送許多人或貨物，因此運送效率很高。之所以會有沒有駕駛的電車存在，就是因為不需要只有人類才辦得到的掌舵工作。

1-07 鐵道的原點是古代的石疊
馬車的「車轍」誕生了鐵道？
在1-01當中，我們已說明鐵道車輛的前進路線是因為有軌道的指引，所以不需要舵，但究竟是如何思考出這樣的結構呢？探究其理由的關鍵，就在於馬車的「車轍」。
在鐵道登場之前，陸上交通工具的代表就是馬車。當馬車行走在地面的道路上，車輪行經的痕跡就形成了車轍，但一旦下雨之後，車輪就會陷入濡溼柔軟的地面上而變得難以行走。放晴後，車轍變得凹凸不平而凝固，於是馬車就會愈來愈難以通行。
於是就將能承受車輪重量的石子鋪設在道路上，變成了石疊，那就是鋪設道路的原點。石疊從紀元前起就出現了，但要將石子鋪滿整個道路很費時，因此就想出了事先將車輪會行經的部分做出凹槽，然後只鋪設該處的點子。犯下同樣的過錯叫作「重蹈覆轍」，這裡反而是一直在「重蹈覆轍」。
在希臘，紀元前1500年的邁錫尼（Mycenae）文明時代，建設了設有車轍的道路。這個道路和現在的鐵道很像，具備了前進路線的分歧點、行駛錯誤時所預備的待避線等。
同樣的例子，也出現在義大利南部的龐貝古城遺址。龐貝古城遺留了一世紀時火山爆發毀滅前的街道樣貌，在道路遺跡的石疊上刻畫有兩條車轍。當時那個凹陷之處就是馬車的車輪在行走的。這兩條車轍，被視為是現在兩條軌道的原點。

1-08 為何是「鐵」道？
利用堅固而容易加工的性質
鐵道從字面上來看就是「鐵」道。為何是鐵呢？如果只是支撐車輪的話，木頭或石頭應該也可以。所以我們就來思考看看以各個材料的板材來支撐車輪吧。
木頭雖然容易加工，但特性是不耐衝撞且容易損壞。石頭雖然比木頭堅固，但要把長板狀的石頭切開很困難，所以板材的接縫會變多、變得凹凸不平，車輪承受到撞擊，坐起來就會不舒服。因此在板材及車輪方面，就選擇了堅固又容易加工的鐵了。
可是，只是鋪設鐵板的話，車輪會脫軌。於是在工業革命前的英國，就想到了在軌道或車輪上增設防止脫軌的「護軌」。
1804年登場的世界第一輛蒸汽機關車「潘尼達倫號」，就曾在設有護軌的鑄鐵軌道上行駛。所謂的鑄鐵，是以鐵為原料、含有大量碳元素的材料，由於不耐衝擊又脆弱，鑄鐵的軌道似乎無法承受蒸汽機關車而經常損壞。
因此，鋼製的軌道就開始被應用。鋼也是以鐵為原料的材料，但含有碳元素的比例比鑄鐵還要低，具有耐衝撞的特性。另外，由於可加熱變形（延展），因此很適合製造長型的軌道。容易磨損的護軌，於是就開始裝設在車輪上，原因是車輪比軌道更容易汰換。
就像這樣，形成了現在的鐵軌與鐵製車輪的組合。裝設在車輪邊緣的護軌，現在則被稱為「凸緣」。

1-09 為何車輪可以通過彎道
隱藏在車輪形狀中的祕密
軌道並非一直都是直線，其中也有曲線。為了讓車輪不要脫軌，必須要有引導前進路線的結構，但若是只仰賴與車輪的凸緣和軌道的摩擦，凸緣一被摩擦就會磨損，無法流暢地通過彎道。
另外以彎道來說，外側的軌道會比內側的軌道來得長。在鐵道方面，左右的車輪和車軸是固定的，因此左右的車輪會以同樣的回轉速度來繞轉，但這樣下去就會無法對應軌道長度的差異。
因此在鐵道方面，會將車輪接觸軌道的那一面（踏面）裁切成圓錐狀。朝著軌道的外側，半徑會逐漸縮小。
請想想看紙杯，紙杯是裁切成圓錐狀的，因此在桌子上會有弧度滾動。
鐵道的車輪從直線切換成彎道之後，為了想要直接前進，就會往彎道的外側偏移。於是，和軌道接觸部分的左右車輪半徑就會出現落差，為了可以去對應左右軌道長度的落差，因此可以像紙杯般流暢地轉彎。另外，左右軌道的間隔（軌距）基本上是固定的，但彎道的話會彎曲得更為流暢，因此會稍微留多一點空間，這叫作「Slack緩衝」。
車軸會自行配合軌道的彎曲程度來做調整。因此，鐵道車輛不需要裝設舵。

什麼是鐵道
為了追究鐵道的根源，首先就來看看和其他交通工具相較之下的鐵道特徵以及鐵道誕生的歷史，試著來探究「什麼是鐵道」吧。

1-01 什麼是鐵道？
公共性高的路上交通工具
說到大家再熟悉不過的陸上交通工具─鐵道，其種類包羅萬象。一般來說，是指在鋪有兩條軌道上方行駛的車輛，但是只有單一路軌的單軌鐵道、或是沒有軌道存在的無軌電車，在日本也被歸納於鐵道。
那麼，鐵道到底是什麼呢？法律上的定義是依國家或地域而異，但廣義來說，一般則是被定義為「沿著軌道等指引路線來行駛、載運旅客（人）或貨物的車輛」。運送旅...

鐵道是隨處可見的交通工具。平時使用鐵道來上下學、上下班的人，或是用來逛街或旅行的人也不少。尤其是居住在都市的人，搭乘電車已是生活的一部分，應該也會有人覺得有鐵道這件事是理所當然的。可是，有時若用不同的觀點來看鐵道，原本認為理所當然的事，也會覺得不可思議。
例如，鐵道有令人難以察覺的特徵。其一就是其公共性極高，是一個能強烈表現地域性的交通工具。
以飛機、汽車或船來說，也有噴射客機「波音777」、豐田汽車「PRIUS」或大型渡輪「飛鳥II」一樣，在世界各國也可以看到各式各樣的種類。可是，從未見過可自由奔馳的鐵道車輛。原因是世界上存在著各種不同規格的鐵道，而且它們並未有所連結，可以使用的鐵道車輛自然受到限制。這裡所謂的規格，是指對應的軌距（左右軌道的間隔）、鐵道車輛的大小、搭載的電氣種類等。
若是載客用的鐵道車輛，為了要讓乘客在車內度過一定的時間，便會反映出當地人們的價值觀或文化、時代的需求等，讓乘客能更方便利用。因此鐵道車輛為了因應地域或時代，製造出了各種樣式。這就是為何運行的鐵道車輛會依國家或地域而有不同的種類。
觀賞不同型態及色彩的鐵道車輛是種樂趣，但即使記住了它的種類，也無法完全理解鐵道。還不如先了解鐵道的根源，再去探求鐵道車輛種類增加的理由，便能更快地理解鐵道，並且了解就算一樣是人，每個地域對於鐵道的想法也會不一樣，反而更有樂趣。
很少有鐵道書籍會有這樣的序文。書店裡雖然會看到各式各樣的鐵道書籍，但大多都是介紹日本鐵道車輛的種類，很少會兼顧到全世界的鐵道。
本書就是想作為鐵道的入門書，儘量去觸及鐵道的根源，並介紹鐵道是如何衍生發展至今。另外，為了讓大家能投入鐵道的畫面並加以了解，書中也刊載了各種國內外的鐵道照片。只要大致瀏覽過一遍，應該就能明白日本的鐵道和國外鐵道相較之下的特殊之處了。
日本是應用了從歐美學習而來的鐵道技術，配合日本的特殊地理條件或運送需求因應而成。結果就像是新幹線或東京的都市鐵道般，創造出了全世界罕見的鐵道系統。它是只配合日本特殊的環境所開發出來的，不一定能直接複製到海外，但個別將技術複製的例子倒是不少。
例如，日本製的電車不只是中國或印度等新興國家，也能在曾學習過技術的英國或美國行駛。舉例來說，連結英國及法國的英法海底隧道，就是以日本技術挖掘的隧道。不過，這並不代表日本的技術都很優秀，現在日本也正向海外學習技術當中。像這樣透過鐵道可以客觀看待日本一樣，也可以增廣鐵道之外的見聞，希望本書可以助上一臂之力。
在本書的製作過程當中，承蒙各個鐵道相關人員的建言及協助。另外，也承蒙科學書籍編輯部的石井顯一先生、內文設計兼藝術指導的BEEWORKS工作人員的關照，本人在此致上最誠摯的謝意。

鐵道是隨處可見的交通工具。平時使用鐵道來上下學、上下班的人，或是用來逛街或旅行的人也不少。尤其是居住在都市的人，搭乘電車已是生活的一部分，應該也會有人覺得有鐵道這件事是理所當然的。可是，有時若用不同的觀點來看鐵道，原本認為理所當然的事，也會覺得不可思議。
例如，鐵道有令人難以察覺的特徵。其一就是其公共性極高，是一個能強烈表現地域性的交通工具。
以飛機、汽車或船來說，也有噴射客機「波音777」、豐田汽車「PRIUS」或大型渡輪「飛鳥II」一樣，在世界各國也可以看到各式各樣的種類。可是，從未見過可自由奔馳的鐵...

前言

第1章 什麼是鐵道
1-01 什麼是鐵道？
1-02 鐵道是半調子？
1-03 鐵道延續下來的理由
1-04 鐵道的運送規模
1-05 能源消耗與鐵道
1-06 日本人與鐵道
1-07 鐵道的原點是古代的石疊
1-08 為何是「鐵」道？
1-09 為何車輪可以通過彎道
1-10 軌道和車輪都是「鐵」，不會打滑嗎？
1-11 有不仰賴摩擦而前進的鐵道？
1-12 也有靠橡膠輪胎行走的電車？
1-13 鐵道工學是綜合性工學？
專欄1 斜坡與彎道

第2章 各種鐵道車輛
2-01 車輛的分類1 以用途區分
2-02 車輛的分類2 以動力區分
2-03 車輛的分類3 以動力配置區分
2-04 車輛的種類1 電車
2-05 車輛的種類2 電氣機關車
2-06 車輛的種類3 柴油機關車
2-07 車輛的種類4 柴油車
2-08 車輛的種類5 雙動力車
2-09 車輛的種類6 蒸汽機關車
2-10 車輛的種類7 客車與貨車
2-11 車輛的種類8 特殊車與保線用車
專欄2 費工的蒸汽機關車之準備工作

第3章 鐵道車輛的構造
3-01 車輛的基本構造1 車體與台車
3-02 車輛的基本構造2 大小的決定
3-03 車輛的基本構造3 車體與車內
3-04 車輛的零件1 連結篇
3-05 車輛的零件2 煞車裝置
3-06 車輛的零件3 加熱器與冷卻器
3-07 車輛的零件4 集電裝置
3-08 車輛的零件5 座位與門
3-09 車體的構造1
3-10 車體的構造2
3-11 車體的構造3
3-12 構造特殊的車輛1
3-13 構造特殊的車輛2
專欄3 作為發電設備的電源車

第4章 新幹線與高速鐵道
4-01 什麼是新幹線？
4-02 全世界的高速列車
4-03 為何新幹線的「門面」很奇怪？
4-04 新幹線高速化的障礙是噪音？
4-05 迷你新幹線並非新幹線？
4-06 開發中的可變軌距列車
4-07 增加了第1列車的輸送力
4-08 Dr. Yellow
4-09 冬天也要讓列車安全行駛
4-10 懸浮並且能更快速行駛
4-11 超電導線性與高速磁懸浮列車
專欄4 黏著驅動的鐵道最快的程度

第5章 都市與山岳的鐵道
5-01 都市的鐵道1
5-02 都市的鐵道2
5-03 都市的鐵道3
5-04 都市的鐵道4
5-05 都市的鐵道5
5-06 都市的鐵道6
5-07 都市的鐵道7
5-08 都市的鐵道8
5-09 都市的鐵道9
5-10 山岳的鐵道1
5-11 山岳的鐵道2
5-12 山岳的鐵道3
5-13 山岳的鐵道4
專欄5 行駛在專用道上的巴士「BRT」

第6章 線路的構造和種類
6-01 軌道的構造1
6-02 軌道的構造2
6-03 軌道的構造3
6-04 軌道的構造4
6-05 軌道的構造5
6-06 線路的設備1
6-07 線路的設備2
6-08 線路的設備3
6-09 線路的設備4
6-10 線路的設備5
6-11 線路的設備6
6-12 線路的設備7
6-13 線路的設備8
6-14 線路的構造物1
6-15 線路的構造物2
6-16 線路的構造物3
專欄6 麵包超人列車

第7章 列車的運行與鐵道的運用
7-01 讓列車安全行駛的祕訣1
7-02 讓列車安全行駛的祕訣2
7-03 讓列車安全行駛的祕訣3
7-04 讓列車安全行駛的祕訣4
7-05 讓列車安全行駛的祕訣5
7-06 讓列車安全行駛的祕訣6
7-07 讓列車安全行駛的祕訣7
7-08 票券和自動驗票機1
7-09 票券和自動驗票機2
7-10 票券和自動驗票機3
7-11 票券和自動驗票機4
7-12 票券和自動驗票機5
7-13 塑造更方便利用的鐵道1
7-14 塑造更方便利用的鐵道2

參考文獻

前言

第1章 什麼是鐵道
1-01 什麼是鐵道？
1-02 鐵道是半調子？
1-03 鐵道延續下來的理由
1-04 鐵道的運送規模
1-05 能源消耗與鐵道
1-06 日本人與鐵道
1-07 鐵道的原點是古代的石疊
1-08 為何是「鐵」道？
1-09 為何車輪可以通過彎道
1-10 軌道和車輪都是「鐵」，不會打滑嗎？
1-11 有不仰賴摩擦而前進的鐵道？
1-12 也有靠橡膠輪胎行走的電車？
1-13 鐵道工學是綜合性工學？
專欄1 斜坡與彎道

第2章 各種鐵道車輛
2-01 車輛的分類1 以用途區分
2-02 車輛的分類2 以動力區分
2-03 車輛的分類3 以動力配置區分
2...