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。