なぜ線路上の「落ち葉」が電車の車輪のスリップを引き起こすのか？

電車の遅延は通勤者にとって頭の痛い問題ですが、線路上の「落ち葉」が車輪の空転・滑走を引き起こして電車を遅延させる場合もあります。落ち葉が車輪の空転・滑走を引き起こす現象は、葉に含まれる「タンニン」が原因だと研究者が指摘しています。

落葉による車輪の空転・滑走メカニズムを解明する
(PDFファイル)http://bunken.rtri.or.jp/doc/fileDown.jsp?RairacID=0004007161

The composition and friction-reducing properties of leaf layers | Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences
https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rspa.2020.0057

Dry ice could prevent rail delays caused by ‘leaves on the line’ - Latest - News - The University of Sheffield
https://www.sheffield.ac.uk/news/nr/leaves-on-the-line-railways-solutions-delays-dry-ice-how-to-remove-1.867967

Scientists find out why leaves on the track causes travel chaos | Transport | The Guardian
https://www.theguardian.com/uk-news/2020/jul/29/scientists-find-out-why-leaves-on-the-track-causes-travel-chaos

2019年に鉄道技術の研究・開発を行うJR傘下の公益財団法人鉄道総合技術研究所の研究チームが発表した「落葉による車輪の空転・滑走メカニズムを解明する」という論文によると、線路上の落ち葉が車輪の空転・滑走を引き起こす現象は、落ち葉に含まれるタンニンがレールの成分である鉄と反応して形成される「黒色皮膜」によって引き起こされるとのこと。

研究チームは列車通過時に車輪に踏み潰された落ち葉がどのように黒色皮膜に変化するかを確認するため、以下のような試験用の線路と模擬車輪を使って、模擬試験を実施。

裁断した落ち葉0.4gを試験用線路上に配布し、模擬車輪で64回ひいてから冷却し、「日中にひかれた落ち葉が運行のない夜間に冷却される」という実際の状況を再現しました。その結果、黒色皮膜の形成には湿潤条件が必要だということが突き止められました。

さらに、研究チームは湿潤条件のもとで形成された黒色皮膜を用いて、車輪がどの程度滑るかについても実験を行っています。この実験によると、乾燥状態の黒色皮膜は車両の滑りを引き起こしませんが、濡れた状態の黒色皮膜は車輪の滑りを頻繁に発生させると判明。湿潤条件が、黒色皮膜の形成だけでなく、車輪の滑りにも大きく関与していることが示されました。

2020年7月にシェフィールド大学機械工学科の研究チームが新たに発表した論文では、落ち葉に含まれるタンニンと線路に含まれる塩化鉄こそが黒色皮膜を形成する要因であることを証明しています。同大学の研究チームは、タンニンを含んでいるスズカケノキの葉を水に沈めて抽出液を生成し、線路から解け出た鉄に相当する塩化鉄を追加。その結果、線路上で見かける黒色皮膜が形成されることを確認したとのこと。さらに、この黒色皮膜を模擬車輪を使って試験したところ、摩擦が大幅に減っていることも確認されました。なお、タンニンを含まない葉を使って同じ実験を行った場合には黒色皮膜が形成されず、摩擦もさほど減りませんでした。

イギリスでは毎年秋頃に5000万枚の葉が線路上に落ちており、車輪の空転・滑走によって生み出される被害は年間3億4500万ポンド(約490億円)に達すると推定されています。シェフィールド大学の研究チームは、「葉自体ではなく、タンニンこそが低摩擦力を生み出す原因です」「今回の研究が、黒色皮膜の形成を妨げる科学的処理の発見につながることを期待しています」とコメントしています。