小学生でも分かるトルクと馬力の話 
(本当に早いクルマとは?)



 17. 空力特性
  17-1. 空力特性の基礎
  17-2. クルマのウィングは効果あるのか?
  17-3. ダウンフォースの稼ぎ方
  17-4. ウィングの本当の効果
  17-5. お勧めのエアロパーツ
  17-6. 空気抵抗


第17章:空力特性
(後付けエアロパーツは百害あって一利無し)


17-1. 空力特性の基礎


お待たせしました。 それでは空力特性です。

空力性特性と言うと、何故か一気に風洞実験だの、飛行機の翼を書いたベンチュリー効果にまで話が飛んでしまうのですが、その前に紙と鉛筆だけで分かる(兼、知っておかなければいけない)事があります。

先ず下左の絵を見て下さい。

かなり単純化した絵ですが、これが普通のクルマだと思って下さい。


普通のクルマ             スーパーカー
これが走り出すと、当然ながら風の力がクルマに加わります。

そのフロント部が受ける風の力を全てまとめたのが、太い青の矢印だとしましょう。

この力を分解すると、緑と黒の矢印に分かれます。

緑の力(矢印)はクルマのフロントカバーに沿って流れてしまいますので、クルマ自体には加わりません。

クルマに加わるのは、黒の力(矢印)だけになります。

次にこの黒の力を更に分解すると、クルマの進行を妨げる力の赤い矢印と、クルマを地面に押しつける力の紫の矢印になるという訳です。

ただこれだけ分かっても、だから何だと思われるでしょう。

これにどんな意味があるかを知るには、何かと比較してみる必要があります。

そこで見て頂きたいのが右の絵です。

左のクルマよりフロンの傾斜がきつくなっていて、これをスーパーカーだとします。

このクルマに、同じ様な青い矢印の力が加わったしますと、どうでしょう?

左のクルマと比べて、緑の矢印が長くなるのに伴って、クルマの進行を妨げる力の赤い矢印も、クルマを地面に押しつける力(ダウンフォース)の紫の矢印も小さくなっているのが分かります。

これを見て頂く様に、フロントの傾斜がキツイクルマ程、風によるクルマの抵抗は小さくなります。

ベンチュリー効果を語る前に、先ずはこの単純な風の力を知っておく必要があります。

なお上図の場合、クルマの高さ(正確には全面投影面積)も異なりますので、風から受ける力も大きく異なるのですが、先ずはフロントの傾きがどう影響するかを理解しておきましょう。




17-2. クルマのウィングは効果があるのか


以上が分かった所で、それではクルマ(一般車)に付けるウィングの効果は本当にあるのか考えてみましょう。

先に結論を言ってしまいますと、残念ながらありません。

一般的にウィングを付けるのは、ダウンフォースを稼ぐためだと言われています。

確かにレーシングカーの場合、そのために大きなウィングが付いていますが、一般車にも本当に役に立つのでしょうか?

        

前節で述べました様に、ダウンフォース(紫の矢印)を得るためには、角度の付いたウィングを付ければ良いのですが、そうすると必然的にクルマの進行を妨げる赤い力も増えます。

    

レーシングカーの場合、既にエンジンの性能がタイヤの性能を上回っているため、多少馬力を損してでも、タイヤのグリップを高めるためウィングを付ける意味があります。

さらにレーシングカーはウィング(空力)の効果が出る、時速100kg以上のスピードで、頻繁に減速したり、曲がったり、更には加速したりしますので、ウィングを装着するメリットは十分あります。

しかしながら一般車はどうでしょう?

時速100kg以上のスピードで、一気に減速したり、加速したり、更には鋭く曲がったりしますでしょうか?

もしかしたら危険を避けるためにあるかもしれませんが、それ以外はグリップをさほど必要としない等速で走り続けている訳です。

すなわち、普段真っすぐ走っているだけにも関わらず、ウィングを付ける事によって常時無駄に馬力をロスしてスピードも遅くなり、燃費も悪くしているという訳です。

もっと分かり易く言うと、風の抵抗を受けるウィングを付けるという事は、ブレーキを踏みながら走っているのと同じ事なのです。

さらには突然の横風に対しても挙動が不安定になりますし、当然余計な風切り音も発生しますので、恐らく風の強い日に走ると相当疲れるのではないかと思います。

これでもあなたはウィングを付けますか?


17-3. ダウンフォースの稼ぎ方


それでもどうしてもダウンフォースが必要な方に、ウィングを付けずにダウンフォースを得る手段をお伝えしましょう。

驚くほど簡単ですが、分かりますか?

クルマの荷重を増やせば良いのです。

もし後輪にダウンフォースがほしければ、後部座席に人を乗せれば良いのです。

いや、私はどうしても一人でドライブしたいとなったら、トランクに荷物を乗せれば良いのです。

クルマの荷重を増やすという事は、運動エネルギーが変わるので、厳密にはウィングと同じ効果とはいえませんが、ダウンフォース(下に押す力)でいえば同じ事です。


17-4. 市販車におけるリアウィングの目的


さんざんウィングの悪口を言いましたが、ではなぜ市販車にも目立つリアウィングが付いているのでしょうか?

有名な所では、アウディ TTクーペです。

このクルマには当初リアウィングは付いていなかったのですが、高速走行でクルマが浮き上がるという不具合が発覚し、それを抑えるために急遽追加されました。

 
Audi TT Coupe First Generation

また今でこそ多少小ぶりになりましたが、ポルシェ911ターボの大きなリアウィングも同じ目的と言ってもいいでしょう。


Porsche 911 Turbo

すなわち、本来ならば邪魔で風の抵抗となるウィングは付けたくないのですが、車体上部が曲線を描く形状が災いして、高速域で車体が浮かぶのを防ぐため、止む無く付けているのです。

具体的には、車体下部に比べて速い車体上部の風の流れをリアウィングで撹き乱して、浮き上がり(リフト)を抑えているのです。

一方通常の国産車ですと、スポーツカーであっても(曲線と言うより)むしろ箱型に近い形状ですし、海外の様に時速100km以上の高速走行などする場所もありませんので、クルマが浮き上がる心配などありません。

また国産車でも小型のリアスポイラーが付いたものがありますが、これは殆どデザイン上(営業上)の目的で、空力対策と言いながらも実は極力風の影響を受けない様に控え目にしてあります。

リアウィングは高性能車の証だという間違った常識が広がると、設計者としては付けたくなくても、営業サイドの意見を飲まざるを得なくなるのです。


17-5. お勧めのエアロパーツ


さて、さんざんウィングの悪口を言いましたが、一つだけ弊害が少なく効果が期待できるエアロパーツをご紹介しておきます。

フロントグリルの下部に付ける、フロントスポイラーです。


フロントスポイラーは、数少ない弊害が少なく効果が期待できるエアロパーツである

これですと比較的弊害が少なく、空気抵抗(CD)を低減でき、且つリフトも抑える事ができます。

ただしこれによって全面投影面積も増えますので、頻繁に高速走行を行なわない限り、やはり弊害の方が多いかもしれません。

また下に延ばし過ぎると、最低地上高が減ってちょっとした段差を乗り越える度に、アゴをぶつける事になります。

更に、中には顎が突き出た様なフロントスポイラーもしばしば見られますが、これらはどう見ても弊害だらけになるのは間違いないでしょう。

という訳で、やはり後付けのエアロパーツはお勧めできない、というのを本章の結論としたいと思います。


17-6. 空気抵抗


そうは言ってもやっぱりエアロパーツを付けたいという方のために、実際にクルマの空気抵抗がどれくらいなのか調べてみたいと思います。

という訳で、比較的公表データの多いGT-Rにおいて、時速100kmと時速300kmにおける空気抵抗を計算してみましょう。


ご存知の様に空気抵抗は、以下の式で求められます。

空気抵抗 = 1/2 x 空気密度 × 前面投影面積 × 速度の2乗 × 空気抵抗係数

先ず空気密度(ρ)は、20℃で1.205kg/m³です。

次に前面投影面積です。

本来でしたらこれは、GT-Rの正面図の面積をCADを使って求めるのですが、図面もCADもないので概算になります。

仕様書で見るとGT-Rの寸法は、以下の様になります。

項目 高さ 最低地上高
寸法 1895mm 1370mm 110mm

ところで、いつもの様にまたまた脱線してしまうのですが、このGT-Rの正面寸法をプロットして驚きました。

GT-Rのプロットした図は、次のAからBのどれになるでしょうか?


GT-Rを探せ

さすがにCは平ら過ぎるとしても、Bぐらいだと思われませんでしょうか。

ところが実はAが正解なのです。


そう感じる理由は、実物を見る場合も、写真を見る場合も、後方のルーフ部はフロント部より数m離れているため、低く且つが狭く見えるための様です。

実際上の図でも、写真の車幅を枠に合わせるとルーフ上とフロントウィンドの左右にかなりのスペースができる事が分かります。

生憎GT-Rの図面は公表されていないのですが、実物(図面)はもっと枠に近づいているのは間違いありません。

 
トヨタ86の図面と写真の比較
(フロント部は写真の方が大きく、ウィンド部は図面の方が大きく見える)

実際、図面(外観図)が公表されている86においては、上の図面と写真をじっくり見比べて頂けると、フロント部は明らかに写真の方が大きく見えて、ウィンド部は逆に図面の方が大きい事が分かって頂けると思います。

この傾向は広角のレンズを使って撮影するほどは強くなり、逆に焦点距離の長いレンズ(望遠レンズ)を使うと図面に近い写真になっていきます。

なおGT-Rの写真と比べて86のルーフ上部にスペースが少ないのは、86の写真は真正面ではなく、やや上から撮っているためです。

話は戻って、写真で見る以上にクルマの前面投影面積は大きい(寸法枠に近い)というのが分かって頂いたと思いますので、ここではGT-Rの前面投影面積を枠全体の面積の85%として計算したいと思います。

これから前面投影面積を求めると、以下のようになります。

1.895 m x 1.37 m x 0.85= 2.2m²

次に速度ですが、時速100kmを秒速に直すと秒速27m(=100km/h x1000m/60min/60s)になります。

これを2乗しますので、772m²/s²(=27m/s x 27m/s)になります。

最後にGT-Rの空気抵抗係数は0.27との事ですので、これを以下の式に入れます。

空気抵抗 空気密度 × 前面投影面積 × 速度の2乗 × 空気抵抗係数
1.2250 kg/m³ × 2.2m² × 772m²/s² × 0.27
= 277 N (kg·m/s2)
= 28.2 kgf

とすると、時速100kmでの空気抵抗は28kgf(277 N)になります。

こうなると、時速300kmではどうなるか知りたくなります。

折角ですので。時速350kmまでの空気抵抗をグラフにすると、以下の様になります。


ちなみに時速300kmでの空気抵抗は、254kgfです。

実はこの計算をする前は、時速300kmぐらいになると空気抵抗は1000kgf近くあるのではないかと勝手に思っていたのですが、思っていたよりかなり小さな値でした。

なお上のグラフに、CD値が3.0になった場合、或いは全面投影面積が10%小さくなった場合も入れてみました。

ですので、もし後付けのリアウィングを付けてCD値を2.7から3.0に悪化させると、空気抵抗を11%ほど悪化させる事になります。

更にリアウィングを付けて、全面投影面積が10%増えれば、空気抵抗が9%更に悪化する事になるという訳です。

この分が馬力から引かれる事になりますので、実にもったいない事と言えます。




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