自分で創る自分の車 No.11

エアロダイナミクス　1/4

車の空力の基礎と設計のヒント
空気力学とは、物体の周りや内部を空気がどのように流れるかを研究する学問です。

空気は非常に薄い流体であるため、一般的には「流体力学」と呼ばれています。

低速域を超えると、自動車の周囲や内部の空気の流れは、加速、最高速度、燃費、ハンドリングなどに顕著な影響を与えるようになります。
したがって、最高の車を作るためには、ボディーや開口部、空力装置の周りを空気がどのように流れていくかを理解し、最適化する必要があります。


■エアロダイナミクスの原理

●ドラッグ
車はどんなにゆっくり走っていても、空気中で車を動かすにはエネルギーが必要です。
このエネルギーは、「抗力」と呼ばれる力に打ち勝つために使われます。
自動車の空力における抗力は、主に3つの力で構成されています。

・前方圧力：車体が空気を押し出すことで生じる効果。
・リアバキューム：車体の穴を空気が埋められないことで生じる効果。
・抗力係数(境界層)：車体の表面で空気がゆっくりと動くことで生じる摩擦の影響。

これらの3つの力の間で、気流と車体の相互作用のほとんどを説明することができます。


・前方圧力
前方圧力は、下図に示すように、空気が車両の前方を流れようとすることで発生します。

数百万個の空気分子が車の前部に近づくと、圧縮され始め、その結果、車の前部の気圧が上昇します。
同時に、車の側面を移動する空気分子は大気圧にあり、車の前方にある分子に比べて低い圧力になっています。
空気のタンクと同じように、バルブを開けておけば、タンクの外の気圧の低いところへ空気の分子は自然に流れていき、最終的にタンクの内外の圧力が均等になります。
これと同じことが、どんな乗り物にも当てはまります。
圧縮された空気の分子は、上図に示すように、車両の前方の高圧領域から自然に出口を探し、車両の側面、上面、底面に沿って流れます。


・リアバキューム
リアバキュームは、車が通過する際に空気中に残る「穴」によって発生します。
これをイメージするために、下図を見てみましょう。
道路を走ると、ブロック状のセダンの形をした車が空気に穴を開けます。
空気は前述のようにボディの周りを駆け巡ります。
車速が上がると、車のリアウィンドウやトランクのすぐ後ろの空間は「空」、つまり真空のようになります。
このような空の部分は、空気分子が車の速度に合わせて穴を埋めることができないために生じるものです。
空気分子はこのエリアを埋めようとしますが、車は常に一歩先を行っており、その結果、連続した真空が車の反対方向に発生します。

このように、クルマが空けた穴を埋められないことを、技術的には「フローデタッチ」と呼びます。
フローデタッチは、抗力のうち「リアバキューム」の部分にのみ適用され、車速が上がるにつれて大きな負の効果をもたらします。
実際、抗力は車速の2乗で増加するため、車速が上がるほど、空気中を走るために必要な馬力が増えていきます。
そのため、車両が高速になると、流れが途切れる部分を制限するように設計することが重要になります。
理想的なのは、空気分子が車両のボディワークの輪郭に沿って、車やタイヤ、サスペンション、突起物（ミラーやロールバーなど）によってできた穴を埋めるための時間を与えることです。

ル・マンのレースカーをご覧になったことのある方は、これらの車のテールが後輪のかなり後ろまで伸びていて、横や上から見ると細くなっていることをご存知でしょう。
これは、空気分子がいきなり大きな空間を埋めるのではなく、ボディに沿ってスムーズにコックピットやフロント部分の穴に収束して真空に戻るためです。
後方の真空が生み出す力は、前方の圧力が生み出す力を上回るため、車両後方の真空の規模を最小にすることには大きな理由があります。

流れが剥離すると、物体の前面の滑らかな流れに比べて、空気の流れは非常に乱れて混沌としたものになります。
上図のミラーのような自動車の突起物に注目すると、流れの剥離と乱れの様子がわかります。
空気の流れは、ミラーの平らな面から剥離します。

この剥離によって生じた乱流は、ミラーの背後にある車の部分の空気の流れに影響を与えます。
例えば、吸気ダクトは、空気がスムーズに流れることでその機能を発揮します。
ウィングも同様に、空気がスムーズに流れることでダウンフォースが大きくなります。
したがって、高速走行時の乱れを最小限に抑えるためには、クルマの全長を（無理のない範囲で）最適化する必要があるのです。


・抗力係数
ある車両と別の車両の抗力を比較するために、抗力係数（Cd）という無次元の値が作られました。
すべての車両にはCd値があり、風洞データを用いて測定することができます。
Cdは、様々な速度での抗力を求める抗力方程式に使用することができます。

車両のボディ形状に関する知識から、以下のような属性を持つ車両が最良のCd値を得ることができると結論付けられます。

・前面圧力を最小化するために、ノーズ/グリルを小さくした。
・グリルの下の地上高を最小限にして、車の下の空気の流れを最小限にしている。
・フロントに圧力がかからないように、フロントガラスが急勾配になっている（ある場合）。
・ファストバックスタイルのリアウィンドウ/デッキ、または傾斜したボディワークを持ち、空気の流れが付着するのを防ぐ。
・空気の流れを維持し、流れの剥離が発生する領域を最小限に抑えるため、収束する「テール」を持つ。

まるでスポーツカーのようだと思われた方もいらっしゃるでしょう。
実際には、理想的なボディ形状はティアドロップ型なのですが、どんなに優れたスポーツカーでも流れの剥離は発生します。
しかし、車が走る場所、つまり地面に近いところでは、ティアドロップ型は不向きなのです。
飛行機にはそのような制限がないため、ティアドロップ型が有効なのです。

現在、最も優れたロードカーのCd値は約0.28です。
ウイングとオープンホイール（大きな抗力要素）を備えたF1カーのCd値は、最低でも約0.75と言われています。

平板のCd値が約1.0であることを考えると、F1カーは本当に効率が悪いように見えますが、F1カーは空気抵抗の効率が悪い分、ダウンフォースとパワーで補っています。


■エアロダイナミクス How-To Tips (1/4まとめ)

●オープンホイール車両のカバー
オープンホイールは、大きな抵抗と気流の乱れを発生させます。

これは、前述の「乱れ」の項で紹介したミラーの図に似ています。

レギュレーション上可能であれば、ボディワークを完全に覆うことが最良の解決策となりますが、部分的なボディワークが許可されている場合は、ホイールの後ろに収束型のフェアリングを配置することで最大限の効果が得られます。

●正面の面積を小さくする
車両が空気を貫通する穴が小さければ小さいほど、加速が良くなり、最高速度が上がり、燃料消費量も少なくなります。
Cd（抗力係数）を小さくするよりも、FA（前面積）を小さくする方がはるかに簡単です。

●ボディワークはゆっくりと収束させる
ボディワークがすぐに収束したり、単純に切り落とされたりすると、空気の流れが強制的に乱され、大きな抗力が発生します。
前述のように、空力デバイスや車体後方のボディワークにも影響を与えてしまいます。

次回エアロダイナミクス 2/4となります