振り子式車両傾斜角度計算 †

振り子式車両の傾斜角度を計算するプログラムを作成する。

まず、傾斜角度を計算するManagedBean?を作成する。
軌間：gauge、カント：cant、カーブ半径：radius、速度：velocity、角度：tiltの各変数（getter/setterも）と角度を計算するメソッドcalculateTilt()を作成する。
入力が楽になるように、初期値に軌間1,067mm（狭軌）、カント105mm、カーブ半径400m、速度100km/hを設定しておく。
初期状態での傾斜角度を計算するため、@PostConstruct?を付けたメソッドをinit()作成し、calculateTilt()を呼び出しておく。
重力加速度は9.8m/s^2としている。

import javax.annotation.PostConstruct;
import javax.inject.Named;
import javax.enterprise.context.RequestScoped;
@Named(value = "furico")
@RequestScoped
public class Furico {
   private double gauge = 1067;
   private double cant = 105;
   private double radius = 400;
   private double velocity = 100;
   private double tilt;
   private static final double GRAVITATIONAL_ACCELERATION = 9.8;
   public Furico() {
   }
   @PostConstruct
   private void init() {
       calculateTilt();
   }
   // getter/setter省略
   public void calculateTilt() {
       double v = velocity / 3.6;
       double a = v * v / radius;
       double t = Math.atan2(a, GRAVITATIONAL_ACCELERATION) - Math.atan2(cant, gauge);
       tilt = Math.max(Math.toDegrees(t), 0);
   }
}

calculateTilt()では傾斜角度の計算を行う。
まず、速度を3.6で割って単位をkm/hからm/sに変換する。
次に、遠心力による加速度を速度^2/半径の式で計算する。（詳しくは「等速円運動」で検索）
最後に傾斜角度（tanα=a/g）を計算する。ただし、カントで傾斜（tanβ=cant/guage）がついているのでそれを差し引く。
（Mathクラスの三角関数の角度は度数法（度）ではなく弧度法（ラジアン）なので変換する必要がある）
また、カーブを低速で走った場合は角度が負の数になってしまうので0に置き換える。

続いて、次のような画面をFaceletsで作成する。

#ref(): File not found: "fu1.gif" at page "振り子式車両傾斜角度計算"

まず、軌間、カント、カーブ半径、速度の入力項目と傾斜角度の出力項目を作成し、ManagedBean?の各変数に対応させる。
次に、計算ボタンを作成し、calculateTilt()を呼び出すように設定する。
ここではf:ajaxタグを使用し、ボタンが押されたときにこのフォーム全体を送信し傾斜角度だけを書き換えるようにしている。

<?xml version='1.0' encoding='UTF-8' ?>
<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" "http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-transitional.dtd"> 
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml"
     xmlns:h="http://xmlns.jcp.org/jsf/html"
     xmlns:f="http://xmlns.jcp.org/jsf/core">
   <h:head>
       <title>振り子式車両傾斜角度計算</title>
   </h:head>
   <h:body>
       振り子式車両傾斜角度計算<br/>
       <h:form>
           <h:outputLabel value="軌間(mm)">
               <h:inputText value="#{furico.gauge}"/>
           </h:outputLabel>
           <br/>
           <h:outputLabel value="カント(mm)">
               <h:inputText value="#{furico.cant}"/>
           </h:outputLabel>
           <br/>
           <h:outputLabel value="カーブ半径(m)">
               <h:inputText value="#{furico.radius}"/>
           </h:outputLabel>
           <br/>
           <h:outputLabel value="速度(km/h)">
               <h:inputText value="#{furico.velocity}"/>
           </h:outputLabel>
           <br/>
           <h:commandButton value="計算" action="#{furico.calculateTilt()}">
               <f:ajax execute="@form" render="tilt"/>
           </h:commandButton>
           <br/>
           <h:outputLabel value="傾斜角度">
               <h:outputText id="tilt" value="#{furico.tilt}"/>
           </h:outputLabel>
       </h:form>
   </h:body>
</html>

（注意）
ばねの変形等による傾斜は無視している。
また、傾斜の最大角度は車両によって異なる。

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