国鉄381系電車
製造の背景
日本の鉄道路線は、地形上の問題から勾配や急カーブが多く、出力の増大によるスピードアップには限界があった。
そこで国鉄は、曲線通過速度を向上させることを目標に1970年に振子式電車591系を試作し、各種性能確認試験を行ってデータの集積をおこなった。その実績をもとに、営業列車用として1972年に本系列を開発し、翌1973年から中央本線特急「しなの」に投入した。その後、1978年に阪和線・紀勢本線特急「くろしお」、1982年に伯備線特急「やくも」にも投入された。
構造
この節では、新製時の構造について述べる。
車体
振子車両に必要とされる軽量化と低重心化を図った車体構造となっている。
車体は軽量化による横圧の低減と乗り心地向上、地上設備の投資抑制の観点からアルミニウム合金製構体を採用した。床下機器搭載による低重心を図るため、国鉄の電車では初めて全長を新基準の 21,300 mm としている。アルミ製車体だが外観は183系など他の昼行特急形電車と同様に特急色（クリーム4号地に赤2号帯）で塗装されている。運転台は、運転士の視認性を重視して183系0番台車や485系200番台車などと同様、「電気釜」と呼ばれる高運転台形状とし、将来の分割併合を考慮して貫通形としたが、のちに非貫通形とされた（後述）。183系と同じく、狭小断面トンネルが存在する中央本線高尾以西への入線対応から運転席上の前灯が省略された。この為前から見た外観は183系とほぼ同じ外観となっているが、振子作用による車両限界への抵触を防ぐため183系に比べて車体下部の裾絞りが大きく、台枠上面幅は 2,600 mm となっている。
重心を下げるために重量物である冷房装置は床下搭載としており、屋根上はパンタグラフなどの必要最小限の機器類のみですっきりしている。
客室床面高さは181系とほぼ同じ 1,105 mm とした。屋根高さは 3,385 mm だが、天井は冷房ダクトを通した平天井構造のため、床面からの高さは 2,050 mm で181系よりも低い。
製造年による違い
製造年度によって細部が異なる。1976年製造車からはクハ381形の貫通扉が廃止され100番台に区分された。
モハ381形・モハ380形・サロ381形には側面中央部付近の窓下に非常口を設置したが、1981年の「やくも」向け最終製造車では廃止された。
電源・制御機器
MM'ユニットに付随車（T車）を1両加えた3両ユニット方式を採用し、M車（モハ381形）には主制御器と抵抗器 (MR123) といった主回路機器が、M'車（モハ380形）には電動空気圧縮機・集電装置といった補機類、T車（クハ381形・サロ381形）には電動発電機を搭載する。後述する改造車についても種車に準じている。
主回路は抵抗制御を採用。主制御器は電動カム軸方式のCS43である。主制御器1基で2両8基分の主電動機を制御する1C8M方式で総括制御は90芯のKE91形ジャンパ連結器により行われる。
主電動機は591系で試験されたMT58X形（1時間定格出力110 kW）をベースに、運用線区拡大を考慮して容量アップをした、1時間定格出力120 kW（定格電圧375 V、定格電流360 A）の直流直巻電動機MT58形である。原設計は三菱電機が担当し、MT54形と同等の出力を確保しながら、200 kg弱の軽量化 を達成するため、定格回転数が2,130 rpmまで上げられた。1974年12月落成車からは、リード線直出しから端子箱方式に見直されたMT58A形（重量：680 kg）に変更。前述のように、回転数を上昇させたことにより定格トルクが57 kg・m まで低下した。
歯車比は、前述の定格トルク低下による起動加速度の確保を目的に急行形電車と同じ4.21に設定し、MT比2:1での編成を基本として山岳線区での使用に適応させた。この結果、1時間定格速度は従来の特急形電車より若干上がって 72.0 km/h となり高速性能も軽量車体との相乗効果で向上した。
集電装置は菱形のPS16I形パンタグラフをモハ380形1両あたり2基搭載する。
サービス電源用の電動発電機（MG）は、最大4両までの給電が可能であるMH128C-DM85C（容量110 kVA）を採用する。
電動空気圧縮機には、MH113A-C2000Mを採用する。
運転台機器は、主幹制御器は115系などで実績のあるMC53、ブレーキ弁はME47を採用する。各種NFBは助士側にまとめて配置されている。
振子装置
先述のように本系列では振子装置を装備しており半径 400 m の曲線における通過速度は本則+20 km/h（機関車牽引の高速貨物列車の制限速度より 20 km/h 高い速度）の 90 km/h を実現した。また走行時における乗客にかかる遠心力を軽減することができ、乗り心地を一般の車両よりも向上させた。半径 400 m の曲線は中央本線や紀勢本線（きのくに線）和歌山 - 紀伊田辺間の標準的な連続曲線半径の数値であり、これらの曲線を走行するとき 90 km/h で連続走行することができる本系列の投入により同区間を走行する特急列車の「しなの」・「くろしお」の所要時間は、曲線を走行するときに減速を強いられる従来車両での所要時間より大幅に短縮することができた。
本系列で採用された振子装置はコロ軸支持式の自然振子装置であり、これはカーブで車体にかかる遠心力によりコロで支持された車体を傾けるものである。591系と異なり心皿移動方式は採用していない。591系での性能試験の結果から、振り子中心高さを上げた方が振り子作用がしやすく乗り心地も良くなることが判明したが、無闇に上げる事は転覆限界の風速値が下がることや、振り子作用による車両限界の接触から来る車内環境の低下を避ける観点から、振り子中心高さは 2,300 mm 、車体最大傾斜角は5度とした。速度が50 km/h以下の時は、機械的に振り子をロックし、動作しないようになっている。
自然振子式では緩和曲線上で徐々に加わる遠心力が振り子装置の静止摩擦力を打ち破った途端、一気に最大限度まで車体が振れるために不自然な揺れを生じる（静止摩擦係数は必ず動摩擦係数より大きいので動き出せば最大角度まで動いてしまう。解決策としてカーブ手前から空気圧で車体を徐々に傾かせるのが制御付き自然振子式である）ことに加え、カーブを走行中に一般の乗客には不慣れな縦方向の荷重が加わるという振り子式車両の特性もあり、車掌が酔客のために酔い止め薬を常備していた逸話が残っている。なお、この機構の開発には当時名古屋鉄道管理局（現在のJR東海・東海鉄道事業本部）に在籍していた山之内秀一郎（後の東日本旅客鉄道副社長・会長）も関わっており、開発に相当苦労した経験から振り子機構の導入には消極的になった、と自著で語っている。
本系列の車両は屋根上にパンタグラフを直接載せているため、振り子装置を動作させるとカーブではパンタグラフの舟体が傾いてしまい架線への当たり方が通常とは変わってしまう。このため振り子装置を作動させて走行する区間の架線は一般の電化路線と架線の張り方を変える必要がある。そのため一般の電化線路を走行するときは振り子装置を停止させて走行する。したがって実際に振子装置を使用する区間は、新規に電化された中央西線・篠ノ井線・紀勢本線・伯備線と山陰本線の一部と、阪和線鳳駅 - 和歌山駅間に限られている。それ以外の区間（東海道本線・山陽本線・大阪環状線など）では、架線やATSなど地上の設備が補強されていないので、振子機能を生かした速度向上はなされていない。
「くろしお」用の車両では振子制御の実験が行われた。また1985年11月26日に湖西線で行われた高速試験では 179.5 km/h を達成した。これは現在に至るまで、日本における在来線の最高速度記録である。
JR移行後は在来線の曲線の多い線区に対しては、自然振子式に比べて乗心地が良い制御付き自然振子式や空気ばねによる車体傾斜方式を使用する車両の導入が進められており、自然振子式は古い方式となっている。自然振子式の営業用鉄道車両はこの381系電車のみである。
接客設備
座席は183系電車0番台と同一仕様で、普通車が 910 mm 間隔の簡易リクライニングシート、グリーン車が 1,160 mm 間隔のリクライニングシートであるが、座席端部には取手を設け曲線通過時の立ち席客の安全に配慮した。なお最終製造グループの普通車では、座席の背もたれにロックがかかるように改良された。
客室と出入口との仕切り扉は、在来線で初となる自動ドア式を採用した。
本系列特有の装備品として運転開始直後に乗物酔いが多発したことから、当初はエチケット袋が各座席に用意された。なお現在ではエチケット袋は「くろしお」「やくも」の洗面台に用意されている。
窓の日除けはベネシャンブラインドを採用した。これは591系の装備を踏襲したもので、開閉方式は591系の電動式から手動式に変更された。なお後年にJR西日本での各種改装では一般的な横引きカーテンに換装。引き続きブラインドを維持していたJR東海では全車廃車となったため現存しない。
冷房装置はAU33形集中式冷房装置（冷房能力28,000 kcal/h）を床下に各車1基搭載する。冷風は各車両中央・左右2箇所の窓柱部の床からダクトを経由させ、天井吹出口から供給される。
製造経費
本形式は振子装置を装備している上、車体材料にアルミ合金を使用しており、加えて低重心化と床下スペース確保のため冷房装置をはじめとする多くの機器・部品が本系列専用のものとなり、他の在来線車両に比較して製造費用は高額となっている。
実際に「やくも」電車化の際には、費用対効果の面から本系列の導入を見送り、上越新幹線の開業によって余剰となる183系1000番台の転用が検討された。しかし上越新幹線の開業遅れと、事情を知った地元が新車を導入するために一致団結し、出雲市知井宮の車両基地・出雲運転区の建設が早く進んだため本系列の導入が実現した。
「北近畿」登場時にも本系列を導入する予定であったが、国鉄最末期で車両予算のやりくりがつかず、「くろしお」の全面本系列化での捻出車両を主体とした485系で運転が開始された。高山本線電化完成時に「ひだ」へ投入する計画もあったが、電化工事自体が中止となり、その後に投入されたキハ85系気動車にも振り子は装備されていない。
運用
「しなの」用として落成し、国鉄分割民営化後はJR東海所属となった車両と「くろしお」「やくも」用として落成し、国鉄分割民営化後はJR西日本所属となった車両に分類し解説を行う。
JR西日本所有分
JR西日本には「くろしお」用として日根野電車区（現・吹田総合車両所日根野支所）に配置されていた126両と、「やくも」用として出雲電車区（現・後藤総合車両所）に配置されていた63両が承継されている。
2011年以降、後継車両となる287系投入により廃車が発生するとともに、2012年には日根野電車区から福知山電車区に転属する車両が発生した。
2015年10月30日をもって、吹田総合車両所日根野支所および福知山電車区所属の車両が、前者は「くろしお」から、後者は「こうのとり」「はしだて」「きのさき」から引退。これにより、381系を使用する定期列車は「やくも」のみとなった。
「やくも」編成指定席車両のグレードアップ工事
国鉄最末期の1987年から普通車指定席車の座席が従来の座席を改造したバケットシートとなった。リクライニング機構はそのままであるが、座席モケットの色はピンク色と赤紫の2色となり、座席背面に大形テーブルが設けられ、廊下には赤色のカーペットが敷かれた。その後、民営化直後から1990年代初頭にかけて、指定席車両のみリクライニングシートに交換するなどして自由席と指定席の格差を付けた特急列車が多く登場したが、その嚆矢となったのがこの「やくも」編成である。このとき車体塗装は国鉄色のままであった。この後、自由席車両も「くろしお」編成に準じた座席の改造が行われ、これ以降は自由席・指定席の区別なく両タイプが混用されるようになった。
その後、後述するリニューアル工事により、座席はそのままで座席前後間隔（シートピッチ）の拡大が実施され、塗色も変更された。
「スーパーやくも」編成改造工事
1994年12月3日の「スーパーやくも」運行開始に伴って改造されたもの。仕様は塗装以外は「スーパーくろしお」編成に準じる。塗装は薄紫色地に青紫・白・赤紫の帯となっている。パノラマグリーン車クロ380形も登場したが、従来のサロ381形をパノラマグリーン車と同じ座席に取替えた編成もある。
その後、座席はそのままで座席前後間隔（シートピッチ）の拡大が実施された。また2006年3月ダイヤ改正で「スーパーやくも」の名称を「やくも」に統一したのに伴い、これまで「スーパーやくも」に充当されていた車両に表記されていた英称「SUPER YAKUMO」から「SUPER」という表記と「WEST JAPAN RAILWAY COMPANY」の文字が除去された。
今後の予定
2022年度以降、新型車両に置き換えられる予定である。
吹田総合車両所日根野支所
2016年4月12日付で最後まで残ったHD601編成6両が廃車され、当所の配置は無くなった。以下、1号車（下り向き先頭車）にクロ380形パノラマグリーン車連結編成をスーパー編成、クロ381形グリーン車連結編成をアコモ編成と記す。
2015年3月14日ダイヤ改正以降、スーパー編成が「くろしお」5.5往復で運用されていたが、2015年10月30日をもって運用から離脱した。後継は289系で、北陸特急で運用している683系の一部を直流化して改番されたものである。
「スーパーくろしお」編成改造
1989年8月までに6両編成4本が改造された。1991年3月までに6両編成1本と3両付属編成3本が追加された。
普通車では座席が従来品の改造ながらバケット式、フリーストップタイプのリクライニングシートとなり、座席背面には大形テーブルも設けられ、簡易式リクライニングシートながら座席背面の構造に工夫を凝らし、リクライニング角度を大きく取っている。その結果、485系グレードアップ改造車の新品のリクライニングシートと遜色ないものになった。グリーン車はパノラマグリーン車クロ380形となっている。塗装は白地にオレンジ色、赤の帯に改められた。
付属編成が改造されるまで、多客期の増結には編成中間に3両（サロ381形+モハ381形+モハ380形）を挿入する形を取ったため、編成中にグリーン車が2両連結されるとともに、「スーパーくろしお」塗装と国鉄特急色の混色編成を見ることができた。
一時期はサロ381でも「スーパーくろしお」塗装が存在していたことがある。
その後、後述するリニューアル工事により、普通車は座席はそのままで座席前後間隔（シートピッチ）の拡大が実施され、塗色も再度変更され、「スーパーくろしお」化未施工の編成と塗装が統一された。
リニューアル改造
「くろしお」系統において当分は381系を使用することから、日根野所属車の一部を除く本系列に1998年12月から1999年8月にかけて大規模なリニューアル工事が実施された。
改造内容は普通車のシートピッチ拡大と座席の改造、グリーン車の3人掛座席化、塗色変更などである。「くろしお」編成用車両の普通車は座席が「スーパーくろしお」編成用と同じ改良型簡易リクライニングシートへと改造された。また、シートピッチを 1,000 mm に広げたため、一部の席で側壁の冷房立上りダクトと競合するようになり、その部分の席は片側1人掛席に変更されている。具体的にはクハ381形の11番、モハ380形の6番、モハ381形の6番、サハ381形の12番のそれぞれA・D席、クロ381形の4番A席が欠番となっている。グリーン車の座席は、2列側は0系「ウエストひかり」グリーン車の転用である。また、トイレにあった小窓が埋められている。グリーン車・普通車ともベネシャンブラインドは取外されて横引カーテンに交換された。クロ380形と異なり窓構造はそのままである。
塗装は283系に似た白地にオーシャンブルー・青色の帯となり、この時点から「くろしお」編成・「スーパーくろしお」編成とも同一塗装となった。「やくも」編成は灰色地に緑色・黄色の帯となった。こちらは「スーパーやくも」とは別塗装のままであったが、先述のように「スーパーやくも」を「やくも」に統一した後は混用されている。なお、「ゆったりやくも」編成についてもリニューアル「くろしお」同様、冷房立上りダクト側面の座席は欠番となっているが、パノラマグリーン車に限り当該部分の座席が欠番となっていない。
福知山電車区
2017年3月31日付で最後まで残ったクロ381-1104（旧FE41編成に組成）が廃車され、当所の配置は無くなった。