新幹線列車的長鼻子
縱觀世界各國高鐵的歷代新車，日本新幹線列車車頭明顯地有愈來愈長的趨勢。「長鼻子」的設計是為了解決微壓波噪音的問題。由於日本多山地地形，新幹線的隧道也多，這個課題尤其受到重視。
撰文/顏安
●高鐵列車的車頭形狀設計
列車行進時的阻力可分為機械阻力和空氣阻力，前者與車速的一次方成正比，後者與車速的二次方成正比。因此，車速愈快，空氣阻力所占的比例就愈高，降低空氣阻力的問題愈顯得重要。這就是為什麼時速動輒高達兩、三百公里的高鐵列車必須採用類似飛機機頭的流線形設計；而以不到一百公里時速運行的通勤列車則看不到這種特徵，甚至還有不少平坦的車頭。
圖1左上並列了三種日本東海道新幹線（不同時期的）列車車頭，從右到左分別是最早的0系、1990年代初期登場的300系，以及1990年代末期登場的700系（後來輸出至臺灣，衍生為臺灣高鐵的700T型列車）。左下則是 E956試驗型新幹線列車，最顯著的特徵是車頭的「鼻子」長達22公尺，超過車身全長的八成。圖1右半部由上而下分別是法國高鐵、德國高鐵和義大利高鐵現役列車的車頭。比較世界各國高鐵列車的車頭形狀及其演變，可以發現日本新幹線車頭愈來愈長，這一點和其它國家比起來尤其明顯。本文以此為出發點，簡單地來說說這個有趣的現象背後所蘊含的科學原理。
●微壓波噪音
1964年日本新幹線開通以來，高鐵技術已在幾個主要國家經歷了超過半個世紀的發展，普及到世界許多地方。當高速列車進入隧道時，隧道內的空氣會被快速擠壓、推動，並在隧道口瞬間釋放，產生極大的振動和「微壓波噪音（micro-pressure wave noise）」，即所謂「活塞效應（piston effect）」。隨著高鐵技術進步，車速持續提升，加上現代社會對噪音污染防治等環保議題日趨重視，解決微壓波噪音的問題就愈發顯得重要。
微壓波噪音問題的對策有兩大類，一是在隧道的建設方面下功夫，二是改變車頭形狀設計。圖2左上是中國高鐵的一處隧道口，採用了漸變斷面的設計，右上是法國高鐵的一處隧道口，洞外增設了一段「假隧道（hood tunnel）」，這些都是為減緩微壓波噪音而在地面工程上採取的對策。前文提到，機械阻力與車速的一次方成正比，空氣阻力與車速的二次方成正比，而微壓波的大小則與車速的三次方（或更高次方）成正比。因此，當車速快到一定程度時，地面工程上採取的對策效果有限，必須在車輛設計方面想辦法。微壓波的大小與空氣被擠壓時體積變化所需時間成反比，而增長車頭可以延長隧道內空氣被擠壓的時間，成為另一種有效的辦法。圖2下半部是日本東北新幹線和北海道新幹線現役列車E5系的車頭，它的長鼻子正是為減緩微壓波噪音而設計的。
●新幹線的長鼻子與日本國土特性有關
日本國土有超過七成的面積屬山地丘陵地帶，由於山多的特性，新幹線也不可避免地會包含許多隧道路段。隧道既多，微壓波噪音的問題便特別重要，也不容易單靠地面工程來解決，所以日本在開發新型高鐵列車時，投入許多心力在車頭形狀設計方面的研究。為了對付微壓波噪音，新幹線的車頭於是被設計得愈來愈長，甚至超過車身的一半。日本目前正在建設全新的超導體磁浮高鐵「中央新幹線」，計劃投入使用的新車L0系（圖3）也延續了超長車頭的特徵。
新幹線列車的長鼻子除了有減緩微壓波噪音的效果之外，在外觀設計的搭配下，也讓車頭變得更醒目、看起來更有速度感；然而，代價是先頭車的載客量減少，降低了列車的營運效益。總而言之，工程師可以運用電腦模擬，求得特定條件下的最佳解；但實際上車頭形狀的設計（比如長鼻子究竟該多長才最合適）不單純只是技術問題，還涉及到商業考量。
參考資料:
- 宮地徳蔵、菊池勝浩、大久保秀彦『微気圧波低減のための新しい列車先頭部形状』（Rollingstock & Machinery, Vol. 29, No. 9, 2021）
- Noise reduction attempts behind trend of ever-extending Shinkansen trains’ noses（日本《每日新聞》英文版2019年8月30日報導）
- 本文附圖皆下載自維基百科（wikipedia.org）