蒸気機関車の仕組み：石炭を入れて走らせるシミュレーター

列車が到着します

蒸気機関車が入ってくるホームに立つと、まずその大きさに気づきます。大型急行機の動輪は人の背丈ほどあり、ボイラーはバスよりも高い位置にあります。次に音が聞こえます。煙突の排気音の間隔が長くなり、前方の低い位置から蒸気が横へ噴き出し、列車が止まると上部の安全弁が開いて大きな音を立てます。蒸気機関車では、密閉された箱に隠されたものはありません。どの働きも、人が横に立てる大きさで、外から見えるところで行われます。

この展示も同じように始まります。1942年の韓国のパシ形急行機が駅に入り、あなたの横に止まります。ホームの人物はあなたの身長に合わせて描かれるため、直径 1,850 mm の動輪との大きさの違いがわかります。そこからは運転できます。ボイラーに投炭し、加減弁を開き、逆転器を動かし、客車や貨車を追加し、線路に勾配をつけて、ボイラー圧力、水面計の水、レール上の牽引力がどう変わるかを見られます。同じ線路にはほかに五つの機関車があります。1829年の Stephenson の Rocket、1870年代の形式をもとにしたアメリカの 4-4-0、韓国のミカ形貨物機、1938年の速度記録を持つ流線形の Mallard、1941年の関節式機関車 Big Boy です。

ボイラーは中央で切り開き、火、管、水を表示できます。シリンダーも開き、ピストン、ピストン弁、両端にある蒸気を、それぞれの働きに応じた色で表示できます。小さなグラフである指圧線図は、車輪が回る間の一つのシリンダー内の圧力をピストン位置に対して描きます。これは一世紀前に技術者が機関車の仕事を測った方法です。この先では、模型が使う数値とその出典を示しながら、画面に見えるものを説明します。

水の箱の中に火が必要な理由

蒸気機関車は自分の発電所に相当する設備を運びます。火が水を蒸気に変え、蒸気がピストンを押し、ピストンが車輪を回します。難しいのは、ホームの間を通り橋の下をくぐれる幅の機関車の中で、火の熱を十分な速さで、十分な量だけ水に伝えることです。

火は機関車後部の火室内にある火格子の上で燃えます。火室は箱の中の箱です。石炭が燃える内側の箱と外側の外板があり、その間の側面、前後、上部を水が満たします。内側の箱の天井である天井板は、機関車で最も熱くなる金属部分で、必ずその上を水で覆っておく必要があります。模型のボイラーを切り開くと、赤く輝く火床、内火室、その周囲の青い水として見られます。

石炭は火室後面の焚口から、シャベル一杯ずつ入れます。模型の運転室では、機関助士が炭水車前方の石炭へ体を向け、シャベルに載せて振り返り、石炭を入れる間だけ焚口戸が開きます。画面の「投炭」を押すと、一巡分の石炭を投入します。模型のパシ形は大きな負荷で運転すると一時間に約 1.8 トンの石炭を燃やし、そのすべてを手で持ち上げます。模型の投炭量を表す一つのスライダーが、この作業全体を代わりに表しています。

熱い火床に新しい石炭を加えると、きれいに燃える前にガスが出ます。空気が足りないと煙突の煙が黒くなります。模型では、投炭のたびに、また通風で燃やせる量より火が大きいときに、煙突の煙が濃くなります。燃焼が追いつくと白い蒸気に戻ります。

Rocket の答えは管で満たしたボイラー

火の高温ガスは煙突へ向かう途中で水の中を通る必要があり、途中で触れる表面が多いほど、多くの熱を渡します。1829年のレインヒル試験のために Robert Stephenson が設計した Rocket について、Science Museum Group は、後の機関車の基本となる二つの技術、多管式ボイラーとブラスト管を一台にまとめたと説明しています。

多管式ボイラーでは、火室のガスが水中を前後方向に並ぶ数十本から数百本の小さな管を通って前へ進み、煙突の下にある前部の煙室へ出ます。多数の小さな管の表面積は、断面積の等しい一本の大きな煙管よりずっと大きくなります。National Park Service によると、Big Boy のボイラーには一マイルを超える小煙管と大煙管がありました。模型の切り開いたボイラーでは、水に囲まれた管が火室から煙室へ伸び、その上部近くには、後期の機関車で過熱器を収める太い煙管が見えます。

Rocket は勝ちました。Science Museum Group によると、試験を完走した唯一の機関車で、平均 12 mph、最高 30 mph を記録し、Stephenson 親子は £500 の賞金と Liverpool & Manchester Railway の機関車製造契約を得ました。出場したのは Cycloped、Novelty、Perseverance、Sans Pareil、Rocket の五台です。Rocket 自体は長くその姿を保ったわけではありません。18か月以内に大幅に改造され、十年以内に使用を終えました。博物館が所蔵するのはその改造後の機関車で、1862年に不完全で半ば放置された状態で保存されました。

ガラス管の中の水

ボイラーは自分の水を沸騰させて蒸気を作るので、出ていく蒸気と同じ速さで水を補給する必要があります。機関士と機関助士は、運転室のボイラー後板にある水面計で水位を監視します。上下をボイラーにつないだガラス管なので、中の水面はボイラー内の水面と同じ高さになります。模型では圧力計の横の小さな管で、表示欄はガラス管に対する水位を百分率で示します。

水はインジェクターから入ります。Science Museum Group は1858年の Giffard のインジェクターの現物を所蔵し、運転中の蒸気ボイラーに給水する装置と説明しています。これが解決する難問は、ボイラーの全圧力がかかった容器へ水を入れなければならず、機関車自身の運動で動くポンプは走行中にしか働かないことです。模型では「インジェクター」がオンの間、自動的に水面計を四分の三程度に保ちます。冷たい水が入るとボイラーが少し冷えるため、圧力をわずかに消費します。

機関車を大きな負荷で運転したままインジェクターを切ると、水位が下がります。火室の天井板が露出するまで下がると、天井板を冷やすものがなくなります。安全装置は可溶栓です。天井板に取り付けた栓の芯に、板より低温で溶ける金属を使っています。Science Museum Group は1862年の可溶栓を三個所蔵し、水位が低くなりすぎると栓が露出し、金属が溶け、蒸気が火室へ噴き出して乗務員に警告すると説明しています。

模型では、インジェクターを切り、パシ形に 400 t を牽かせて大きな負荷で運転すると、約六分後に栓が溶けます。蒸気が火を消し、圧力が下がり、機関車は働かなくなります。1995年にペンシルベニアで起きた火室破損についての US National Transportation Safety Board の報告は、可溶栓が溶けた後は修理のため機関車を工場へ戻す必要があることと、可溶栓を設けるかどうかは鉄道によって異なったことを記しています。

圧力と安全弁

火が水を沸騰させると、その上の空間に蒸気がたまり、圧力が上がります。運転室の圧力計がそれを示し、表示欄の棒は、安全弁の設定圧力である赤線に対して圧力を示します。赤線に達すると弁が開き、圧力が少し下がるまで蒸気が大きな音を立てて噴き出します。火がよく燃えている機関車が駅に止まっているときの音がこれです。

安全弁から蒸気を吹いているボイラーは石炭を無駄にしています。使う量より多くの蒸気を火が作っているためです。熟練した機関助士は、登りの前に火を強め、停車前に弱めながら、圧力を赤線のすぐ下に保ちます。実験室の課題の一つはまさにこの作業で、全圧力の 80% から 95% に上げ、安全弁を開かずに30秒間保ちます。

模型の圧力は bar と一平方インチあたりのポンドで示します。パシ形とミカ形は約 14～15 bar（約 200～220 psi）、Mallard は 17.2 bar（250 psi）、Big Boy は 20.7 bar（300 psi）、Rocket は 3.4 bar（50 psi）で動きます。出典に数値があるものを除き、これらは各形式の代表的な機関車を想定した模型値で、このページでもそのように表示します。

加減弁からシリンダーへ

シリンダーへ送る蒸気は、水ができるだけ混じらないよう、通常はドーム内にあるボイラーの最も高い位置から取り出します。そこに加減弁があり、機関士は運転室から長いハンドルで操作します。模型の「加減弁」はそのハンドルです。閉じるとシリンダーへ何も送らず、全開にするとほぼボイラー全圧の蒸気を送ります。蒸気はそこから主蒸気管を前へ進み、煙室へ向かいます。

模型の後期の機関車では、途中で過熱器を通ります。これは太い煙管の中を後方へ戻る細い管で、高温ガスが蒸気を乾燥させ、沸点よりずっと高い温度に加熱します。過熱蒸気は凝結し始めるまでにさらに膨張できるため、一キログラムあたりの仕事が増えます。模型では、過熱器を持つ機関車は、同じ量だけシリンダーに充填する場合、飽和蒸気を使う Rocket や 4-4-0 に必要な蒸気重量の約四分の三を使います。

煙室からは蒸気管が下へ伸び、シリンダー上部の蒸気室につながります。切り開いたボイラーでは、ドームから前方へ進み、シリンダーへ下る銅管をたどれます。

蒸気がピストンを交互に両側から押します

各シリンダーは両端が閉じています。一端に蒸気が入り、ピストンを反対側へ押します。その蒸気を排出して他端へ蒸気を入れ、ピストンを押し戻します。そのため一つのシリンダーは、車輪が一回転するごとに二回押します。ピストン棒はシリンダー後部を通って、案内棒の間を滑るクロスヘッドへ出ます。主連棒がクロスヘッドと主動輪のクランクピンをつなぎます。連結棒が同じ側のすべての動輪のクランクピンをつなぐので、それらは一緒に回ります。

左右は四分の一回転ずらしてあります。一方のピストンが行程の端にあり、押しても車輪を回せないとき、他方は行程の中央にあります。そのため、どの位置で止まっても発車できます。模型の Mallard の三つのクランクは三分の一回転ずつずれ、第三のシリンダーは台枠の間にあります。

「内部表示」でシリンダーを開くと、この動きが見えます。赤は入ってくる新しい蒸気、橙は弁が閉じた後でピストンの後ろで膨張する蒸気、青は排気側へ出る使用済みの蒸気、紫は戻り行程の終わりに閉じ込められ圧縮される少量の蒸気です。

弁のラップ、リード、締切、排気開始

シリンダー上部の蒸気室では、ピストン弁が専用の弁棒とともに往復します。二つの弁頭がシリンダー両端のポートを開閉し、まずボイラーからの蒸気へ、次に排気へとつなぎます。弁はピストンとタイミングを合わせる必要があります。ピストンが行程を始めるときに蒸気のポートを開き、途中で閉じ、行程が終わる前に排気へ開かなければなりません。

二つの小さな寸法がこの動きを成立させます。ラップは、弁が移動範囲の中央にあるとき、各弁頭がポートに重なる量です。この重なりによって、行程の終わりよりかなり前に蒸気のポートを閉じられます。リードは、ピストンが行程の最も端にあるとき、蒸気のポートがすでに開いている量です。これによって戻り始めるときには全圧力が用意されています。模型のリードはラップの 0.18 です。

車輪が回ると、シリンダーの各端では同じ六つの現象が順に起こります。給気、締切（弁が閉じて蒸気が膨張）、排気開始（行程の終わりの少し前に弁が排気へ開く）、排気（戻り行程でピストンが使用済み蒸気を押し出す）、圧縮（排気側が閉じて残りの蒸気を圧縮）、そして再び給気です。実験室にはこれを順に並べる課題があり、指圧線図の下の表は現在の逆転器設定で各現象が起こるピストン位置を示します。

ワルシャート式弁装置と逆転器

弁を動かすのは弁装置です。模型の大型機関車は外側にワルシャート式弁装置を備えているので、その動きが見えます。これは二つの運動を足し合わせます。一つは主クランクピン上のリターンクランクから来る運動で、クランクと四分の一回転ずれています。偏心棒を通り、溝のある湾曲した加減リンクの下端へ伝わって、リンクを往復揺動させます。リンク内を滑る滑り子から、心向棒が運動を前方の結合てこへ伝えます。もう一つの運動はクロスヘッド自体から、ユニオンリンクを通って結合てこの下端へ伝わります。てこは両者を加えて弁棒を駆動します。

機関士は逆転器で滑り子をリンク内の上下に動かします。滑り子がリンクの一端にあると弁の移動量が最大となり、機関車は前進します。他端では運動が逆になり、後進します。中央近くの中立位置ではリンクの運動がほとんど弁へ伝わらず、クロスヘッドからのラップとリードの分だけ動きます。Science Museum Group は、実演のために作られたワルシャート式弁装置の断面模型を所蔵しています。

模型の弁位置は、逆転器設定で大きさを変えたリターンクランクからの成分と、死点でラップとリードを与えるクロスヘッドからの成分の和です。フルギアでは行程の 75% で給気を締め切る設定です。中立でも各死点の付近ではリードの分だけ弁が開き、それだけなら行程の約 9% の間は蒸気が入ります。しかし開きは非常に小さく、しかもクランクがほとんど車輪を回せない位置で生じるので、推進力は生まれません。実験室の課題では、逆転器を中央にし、加減弁を半分開けても、何も動きません。

締切で蒸気に二度働かせる

逆転器は進行方向を選ぶだけではありません。行程のどこで弁を閉じるか、つまり締切を決めます。走り始めた後の機関車を制御する主な方法はこれです。

フルギアでは行程の四分の三まで蒸気を入れます。重い列車の発車に必要な最も強い力を得られますが、蒸気の大半はまだ高圧のままシリンダーから出ていきます。逆転器を中央へ戻して締切を短くすると、弁はより早く閉じます。たとえば行程の四分の一だけ蒸気を入れ、残りでは膨張させます。その間も圧力を下げながら押し続けます。力は小さくなりますが、蒸気一キログラムあたりの仕事は大きく増えます。

指圧線図にその様子が出ます。模型は車輪が回る間、シリンダーの一端の圧力を体積に対して描き、閉じた線の内側の面積が一行程の仕事になります。フルギアでは線で囲まれる部分が太く、締切を短くすると細くなり、蒸気が膨張する長い傾斜線が現れます。全圧力で静止状態から始めた場合、パシ形の行程中の平均圧力は、締切 75% で 12.9 bar、ボイラー圧力の 85% となり、締切 25% では 6.0 bar、その 40% となります。

模型でも節約効果があります。60 km/h でパシ形が同じ力を出すとき、締切 25% で加減弁を開いた場合は毎秒 2.1 kg の蒸気を使い、締切 60% で力が合うよう加減弁を絞った場合は毎秒 2.8 kg を使います。同じ仕事に対して蒸気が四分の一減り、水と石炭も四分の一減ります。実験室の締切短縮課題では、400 t を牽き、締切 25% 以下で 80 km/h を保ちます。

排気の脈動が火をあおります

使用済みの蒸気は各シリンダーの排気ポートから出て、煙室内のノズルであるブラスト管を上り、煙突から出ます。一回の排気が一回の音になり、聞こえるシュッシュッという音になります。二気筒なら動輪一回転につき四回、三気筒なら六回です。記録速度の 126 mph では、Mallard の直径 2,032 mm の車輪は毎秒ほぼ九回転し、模型では毎秒約 53 回の排気となるため、一つずつ聞き分けるには速すぎます。

噴流にはもう一つの仕事があり、Rocket の設計でよく知られるのはその働きです。煙突を上る蒸気の噴流は、そのたびに煙室内のガスを引き連れ、そこの圧力を下げます。これによって火のガスが煙管へ引かれ、新鮮な空気が火格子を通って上へ吸い込まれます。そのため機関車を強く働かせるほど、自分の火を強くあおります。蒸気の使用が増すと噴流が強まり、空気と熱が増え、蒸気も増えます。模型では、排気が通風を生む間だけ、機関助士が投入する速さで火が燃えます。静止中は送風器が穏やかな通風を作り、火が蒸発させられる量は減ります。

Science Museum Group は煙室とブラスト管の六分の一模型を所蔵し、National Railway Museum は Mallard の Kylchap 排気装置を、速度記録の候補となった革新技術の一つに挙げています。

牽引力を制限する三つの要因

機関車はどれほど強く牽けるのでしょうか。Encyclopedia of Korean Culture の列車の記事は明確に答えています。三つの牽引力を挙げています。動輪が空転するまでレールを捉える粘着力、シリンダーが大きいほど増し車輪が大きいほど減るシリンダーの力、そしてボイラーが蒸気供給を維持できる力です。実際の牽引力はこの三つのうち最小のものに制限されます。加速、減速、定速走行のどれになるかは、その力が速度、勾配、曲線から生じる抵抗より大きいか、小さいか、等しいかで決まります。

実験室では、画面の機関車について三つとも速度に対して描きます。粘着力の線は水平で、動輪上重量に摩擦係数を掛けた値です。模型の係数は乾燥したレールで 0.25、砂を使うと 0.33 です。シリンダーの線は静止時に最も高く、速度が上がると蒸気がポートを通る時間が短くなるため下がります。ボイラーの線は速度とともに急に下がります。ボイラーが供給できる出力には限界があり、出力は力と速度の積だからです。破線は三つの最小値を示します。それが青線、つまり選んだ列車と設定した勾配での抵抗と交わるところが、その機関車の最高速度です。

低速では通常、粘着限界で決まり、車輪にさらに力を加えても空転するだけです。高速ではボイラーが決めます。その間は、シリンダーと、機関士が選ぶ締切および加減弁の設定が決めます。

経験式で求める牽引力

技術者は寸法から求めた始動牽引力で機関車を評価しました。二気筒では、0.85 にボイラー圧力、シリンダー内径の二乗、行程を掛け、動輪直径で割ります。0.85 はボイラーからピストンまでの圧力損失を見込んだ係数です。三気筒では 1.5 を掛け、四気筒では 2 を掛けます。

Mallard の三気筒は 18.5 × 26 インチ、圧力は 250 psi、車輪は 80 インチなので、式から 35,455 ポンド重（157.7 kN）を得ます。Big Boy の四気筒は 23.75 × 32 インチ、300 psi、車輪は 68 インチなので、135,375 ポンド重（602 kN）となります。フルギア、全圧力で指圧線図から求める模型独自の数値は、六台すべてでこの式の値の 2% 以内に入ります。

公表値と照合できる例が一つあります。Korea Heritage Service は、済州に保存されるミカ304号の動輪直径を 1,450 mm、重量を 90.65 t、牽引力を 15,430 kg と記載しています。模型のミカ形は、シリンダー内径 530 mm、行程 660 mm、圧力 13.73 bar で、1.4% 低い 15,216 kg を出します。これらのシリンダー寸法と圧力は模型値です。実験室にはミカ形の値を自分で計算する課題があります。

動輪上重量を牽引力で割ると粘着重量と牽引力の比が求まります。低すぎると大きな負荷をかけるたびに空転し、高すぎると、その重量分をより大きなシリンダーに使えたことになります。模型では後期の五台が 3.9～4.5、Rocket は 6.9 です。Rocket はシリンダーの大きさに対して一本しかない動軸上の重量が大きいためです。

空転と砂

重い列車で加減弁を大きく開くと、シリンダーの力が車輪の粘着力を上回ることがあります。車輪は空転し、機関車は牽引しなくなり、棒が激しく回ります。模型でも車輪が高速で回り、レールから火花が出て、表示欄の牽引力の棒が赤くなります。

実験室の最初の運転課題でこれを示します。ミカ形が 1,000 t の貨車を 100 分の 1 の登り勾配で牽きます。その列車を勾配上に保つだけで 112.5 kN が必要で、動き始めるには貨車の抵抗としてさらに約 15 kN が必要です。動輪上の 60 t が生む乾燥レール上の粘着力は 147 kN です。加減弁を全開にすると、シリンダーは粘着力を少し上回る 149 kN を出すため、車輪が空転します。加減弁がわずかしか開いていないと力が足りず、何も動きません。

解決方法は二つあります。加減弁をゆっくり開き、必要な力とレールが受け止められる力の間に推進力を収めます。あるいは「砂」を押します。動輪の前に落とす砂によって、模型の粘着力は 194 kN に上がり、機関車が発車します。模型の砂箱はボイラー上部にあり、車輪前方のレールまで管が下りています。

勾配と列車重量

列車の抵抗は軸受、レール上の車輪、空気から生じ、勾配では重力も加わります。模型は W. J. Davis が1926年に General Electric Review で発表した式を使います。各軸にかかる重量による項、速度に比例して増える項、速度の二乗に比例して増える空気抵抗の項からなり、空気抵抗係数は後続車より先頭車のほうが大きくなります。鉄道では現在もその派生式を使っています。

重力はすぐにほかの抵抗を上回ります。400 t の客車を牽くパシ形は、平坦線を 100 km/h で走ると 28 kN の抵抗を受けます。100 分の 1 の登りはその約二倍の 54.8 kN をさらに加えます。実験室の条件比較表は、画面の機関車が全圧力、締切 45% で保てる最高速度を、四つの列車重量と五つの勾配について示し、列車をまったく支えられない場合も示します。

Mallard の記録が最も明確な例です。記録時の 240 t の列車で 200 km/h のとき、模型の抵抗は 43.9 kN です。200 分の 1 の下りでは重力がそのうち 19.9 kN を補います。模型では、その下りを 120 km/h から、加減弁を開き締切 40% で走り始めると、Mallard は 200 km/h を超えます。National Railway Museum によると、実車もストーク・バンクでこれを達成しました。同じ列車を平坦線で走らせると模型は約 176 km/h に達します。

車輪を数えるホワイト式表記

機関車は車輪によって形式を表します。US National Park Service がスチームタウンの収蔵車両の研究で説明するホワイト式表記では、両側の車輪を前から順に、先台車の支持車輪、動輪、従輪のグループに分けて数えます。Rocket は 0-2-2 で、先輪がなく、動輪一対、従輪一対です。Mallard は 4-6-2 です。動輪群が二つある Big Boy は 4-8-8-4 です。

アメリカでは軸配置に名前がありました。4-4-0 はアメリカン、4-6-2 はパシフィック、2-8-2 はミカドです。韓国は同じ形式を日本語の略称で使いました。義王の Railroad Museum は、パシはパシフィック、ミカはミカドに由来し、パシ形が1922年ごろからソウル・釜山間の急行旅客列車用の機関車となり、ミカ形は約1919年に釜山・新義州間の貨物用に導入されたと説明しています。

先輪は曲線で機関車を案内し、従輪は動輪の間に収まらないほど大きな火室の重量を支えます。動輪が多いと粘着に使えるレール上の重量が増すので貨物向きです。動輪が大きいと同じ速度での毎分回転数が少なくなるので旅客列車向きです。実験室には横から描いた十六種類の軸配置のクイズがあり、三問連続で名前を当てます。

John Bull とアメリカの 4-4-0

Smithsonian の National Museum of American History は John Bull を所蔵しています。1831年にイギリスの Robert Stephenson & Co. が Camden and Amboy Railroad 向けに製造した、標準的な Planet 形の 0-4-0 です。ニュージャージーで組み立てたのは若い蒸気船整備士 Isaac Dripps で、博物館によると、それまで機関車を見たことがありませんでした。凹凸の多いアメリカの線路で繰り返し脱線したため、Dripps は前方へ張り出した枠に一対の案内車輪を加えました。博物館によると、この先台車は構内入換機を除くほぼすべてのアメリカの蒸気機関車に採用されました。John Bull は35年間走り、1981年にも再び走りました。現存して稼働可能な最古の機関車です。

動輪をもう一対と、前方に四輪の台車を加えると 4-4-0 になります。National Park Service によると、19世紀半ばのアメリカであまりに典型的だったため、アメリカン形と呼ばれるようになりました。Smithsonian の Jupiter は、1876年に Baldwin が Santa Cruz Railroad 向けに製造した狭軌の 4-4-0 で、釣合いばね装置を備えます。各車輪が凹凸のある線路で上下しても、すべての動輪上の重量はほぼ同じに保たれます。模型の 4-4-0 は1870年代の一般的な形に従い、木造運転室、真鍮のドーム、火の粉止め付きの菱形煙突、カウキャッチャーを備えます。寸法は模型値です。

Mallard と速度記録

Mallard は A4 で、Sir Nigel Gresley が London & North Eastern Railway のために設計した35台の流線形パシフィックの一台です。Science Museum Group の記録によると、A4 は1935年に登場し、最初の四台は銀灰色でした。1938年までにはガーターブルーが標準色となりました。National Railway Museum によると、その形は空気を切り進めるよう風洞試験で改良され、120 mph 以上を可能にしました。

1938年7月3日、一連のブレーキ試験中に Mallard はグランサムとピーターバラの間のストーク・バンクで 126 mph に達しました。博物館のブログは、この走行がブレーキ試験を装って行われたと述べ、その走行記録では機関車の後ろの動力測定車が下りの五マイルにわたって 120 mph を記録したとしています。この車両は、列車速度を紙のロールに記録する移動実験室でした。Mallard の運転室には、フランス設計の Flaman 速度記録計が今も残っています。

126 mph は約 203 km/h で、現在も蒸気機関車の記録です。蒸気機関車が 100 mph を超えたとされた最初の例ではありません。Science Museum Group の所蔵する手紙は、1904年5月9日に City of Truro の後ろで計時係が記録した 102.3 mph の公表に関するものです。しかし National Railway Museum は、1934年の Flying Scotsman を、公式に 100 mph に達した最初の蒸気機関車としています。実験室の速度記録グラフでは、1904年の数値を非公式と表示します。

Mallard は1963年に引退し、クラパムの Museum of British Transport で展示された後、1975年の開館以来、ヨークの National Railway Museum の大ホールにあります。

Big Boy

山岳地帯で重い貨物を牽くため、Union Pacific は American Locomotive Company に Big Boy を25台、1941年に20台、1944年に五台製造させました。Steamtown National Historic Site に4012号を保存する National Park Service によると、出力を重視して造られ、ユタとワイオミングの山岳地帯で120両、3,800 トンの列車を 40 mph で牽きました。各機は 68 インチの動輪16輪、150 平方フィートの火格子、一マイルを超える小煙管と大煙管を備え、炭水車を含む長さは 132 ft 9 in、運転整備重量は 1,189,500 lb でした。

これほど長い機関車は固定台枠では急曲線を通れないため、前方の動輪群を専用の台枠に載せ、残りの部分と関節で結び、それぞれの動輪群に一対ずつシリンダーを設けています。NPS はこの関節をスイスの設計者 Anatole Mallet の考案とし、多くの人にとって意外な事実も添えています。Big Boy は最も重いものの、最も強力な機関車ではありませんでした。

模型では、Big Boy は 3,800 short tons をメートル法で換算した 3,447 t を、平坦線で約 100 km/h まで牽きます。最大出力は約 6,300 hp となり、NPS が示す 6,200 hp に対応します。25台のうち八台が現存します。4014号は2019年に走行可能な状態へ復元され、Smithsonian の雑誌によると、2026年7月には建国250周年のためアメリカを横断しました。

韓国の蒸気機関車

韓国の鉄道は蒸気で始まりました。Encyclopedia of Korean Culture によると、1899年9月18日に鷺梁津と仁川を結ぶ京仁線で列車が初めて走り、アメリカの Brooks 製機関車を使いました。Korea Rail Industry Information Center はこれをモーガル形タンク機関車と説明しています。その後、1905年にアメリカからプレーリー形タンク機関車とテウ形テンダー機関車、1911年にアメリカン形テンダー機関車、1914年に過熱機関車、1919年にミカ形、1921年と1923年にパシ形が導入されました。1927年にはソウル工場がテウ形二台を製造し、韓国で製造された最初の機関車となりました。

同じ歴史記述によると、1945年12月27日、韓国人技術者が製造した最初の機関車が永登浦と水原の間で試運転を行いました。2,000 馬力で、20両の客車を牽き 100 km/h で走行できました。朝鮮戦争中に電気式ディーゼル機関車が到来し、1967年8月31日を最後に韓国の幹線で蒸気運転が終わりました。

2008年10月17日に国家登録遺産となった機関車が数台残っています。日本で製造され1942年にソウル工場で組み立てられたパシ23号は、韓国に残る唯一のパシ形です。Heritage Service は動輪を 1,850 mm、高さを 4,750 mm と記載しています。解放後に重油燃焼へ改造され、1960年代まで幹線の旅客列車を牽き、2024年に義王の Railroad Museum で保存整備が完了しました。1944年のミカ304号は済州の三無公園にあります。大田の国立墓地にあるミカ129号は2025年6月12日に登録が解除されました。

1988年に開館した Railroad Museum はテウ700号も保存しています。1914年製造、1919年から1935年まで使用され、鉄道学校で断面化され、80年以上にわたって機関車内部の仕組みを学生に示すため使われました。この展示で切り開くボイラーやシリンダーとよく似ています。

向きを変え、水を補給する

路線の終点では、煙突を先頭にして戻る必要がある機関車の向きを変えます。模型の転車台では、機関車と炭水車が円形の穴の中の桁に載り、桁は中央の軸を中心に回り、両端の車輪が円形レールを走ります。矢印か「転車台」スライダーで反対向きに回します。課題は 180°、誤差一度以内です。転車台は扱う最長の機関車と炭水車より長くなければならず、模型の穴は Big Boy が収まるよう直径 44 m です。

水は石炭よりずっと先になくなります。模型では1 キログラムの石炭で 6～7 キログラムの水を蒸発させるので、炭水車は重量で石炭の数倍の水を積みます。模型のパシ形の炭水車は 25,000 リットルを収容し、ボイラーの全出力で約二時間分です。ホームの給水柱では、腕が炭水車の注水口の上へ回り、革のホースからタンクへ給水します。「内部表示」をオンにすると炭水車内の水位上昇が見えます。

模型と実車の違い

六台は各形式の大まかな比率をもとに作られ、メーカーの図面には基づかず、車両番号、製造銘板、標章もありません。出典に寸法がある場合はそれを使っています。Mallard の車輪 2,032 mm と重量 104.6 t、パシ形の車輪 1,850 mm、ミカ形の車輪 1,450 mm と重量 90.65 t、Big Boy の車輪 68 インチと総重量です。シリンダー寸法、圧力、ボイラー出力などは模型値です。

ボイラーは熱水の一つの蓄えとして扱い、発生蒸気と使用蒸気の差で圧力が上下します。火は投炭量に従い、通風で制限される一つの数値です。実際のボイラーの応答はもっと遅く、実際の投炭は何年もかけて習得する技能です。シリンダー内の蒸気は単純な曲線に沿って膨張します。実際のシリンダーは壁へ熱を失い、ポートでは蒸気が絞られますが、模型はピストン速度とともに増す係数でそれらを近似するにとどまります。列車抵抗は Davis の式に従い、曲線は省略しています。線路は設定する勾配以外は直線かつ水平で、その勾配は景色を傾けずに適用します。

時間を十分の一に遅くして弁装置を見たり、三十倍に速めて登り全体を走ったりできます。乗務員とホームの人物は、顔のない滑らかなマネキンです。