空力とは?F1マシン(レーシングカー)はなぜ速く走れる?

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F1(フォーミュラワン)に代表される、サーキットを自由自在に駆け回るレーシングカー。タイヤが4つ付いていて、エンジンを積み、ハンドルでマシンを操作する。基本的な構造は一般車となんら変わりません。では、なぜレーシングカーはあれほどまでに、サーキットを速く走行することができるのでしょうか。

F1マシンの走行

出典 – http://blog.livedoor.jp/markzu/archives/51878423.html

もちろんエンジンやブレーキ、車体の軽さなど、性能差によるところはあります。しかし、今日のレーシングカーにおいて、速さの源となる重要な要因として注目されているのが「空力」。まさに空気の力なのです。

車と空気。言われてみれば、空気抵抗が少ないほうが速く走れるというのは、よく知られていることです。しかし、近年のレースカーは空気抵抗を少なくするだけでなく、空気抵抗を利用しているのです。

空気なんて目に見えないし、車を速くするためにどのように空気を利用しているのだろうか?今回はそんな疑問について解説していきます。

空気抵抗がマシンに与える影響

一般的に、空気抵抗は乗り物にとっては天敵と考えられています。抵抗とは、車を進行方向とは逆に押し戻す力のことです。車には様々な抵抗が働いていますが、その中で空気抵抗はかなり多くの割合を示します。しかし、空気をうまく利用することで、車を地面に押し付ける力、つまりダウンフォースを発生させることができます。

簡単に説明すると、飛行機は翼で揚力を発生させることができますが、レーシングカーについているウィングは、飛行機の翼を上下逆にしたような形をしています。そうすることで、地面に車体を押し付け、コーナーを速く走ることができるのです。

ウィングによるダウンフォースの説明図

出典 – http://www.f1-grandprix.com/

しかし、ダウンフォースを生み出すということは、ウィング、さらに言うと車体に圧力差を生み出すことにほかなりません。これは、大きな抵抗(ドラッグ)になってしまいます。したがって、走るコースに合わせてセッティングを行います。テクニカルなコースではウィングを立ててダウンフォースを多く得られるようにセッティングし、高速サーキットではウィングを寝かせて最高速を重視したセッティングを施します。

また、モータースポーツでは「ディフューザー」という言葉を耳にすることが多いですが、あなたはご存知でしょうか。ディフューザーというのは、マシンのフロア(車体の底)に取り付けらます。役割としては、車体下部の空気を高速で引き出すことで、フロアに大きな負圧を作り、ダウンフォースを生み出すことです。

ディフューザー

出典 – http://www.racecar-engineering.com/technology-explained/diffusers-engineering-basics-aerodynamics/

なぜ、ディフューザーがこれほどまでに注目されているかというと、フロアで負圧を作ると、ウィングほどドラッグが生まれないのです。したがって、近年は、厳しいレギュレーションの中で、いかにフロアで負圧を生み出すかが、とても重要な課題となってきています。

空力に優れたマシンを開発する技術

レーシングカーはダウンフォースによって、ストレートを高速で走行したり、コーナーを速く曲がることができるという話をしました。次に、空気なんて目に見えないものを、どうやって分析・制御し、マシンの開発やセッティングを行っているのかをお話しします。

空力の開発には大きく分けて二つのアプローチが必要です。一つ目は、風洞を用いる、実験流体力学(Experimental Fluid Dynamics 以下EFD)、二つ目は数値流体力学(Computational Fluid Dynamics 以下CFD)です。

EFDによる空力の開発は古典的で、古くからおこなわれています。流体のような完全に人間の力では予測不能な動きをする物体を研究するには、実際に空気がどう流れているのかを確認するしかないのです。しかし、レーシングカーほどの大きさのものを、正確に実験を行うためには巨大な設備が必要です。莫大な資金がかかるため、簡単に設備投資できる企業は多くありません。ドイツにはトヨタが所有するTMGの巨大な風洞がありますが、比較的大きなスケールで実験することができ、精度がいいことから、F1のチームのいくつかはそこをレンタルしてマシンの開発をしています。

風洞実験の様子

出典 – http://www.sauberf1team.com/en/corporate/factory/

しかし、近年はCFDの技術が発達したことで、それほど資金を投資しなくても空力開発ができるようになりました。また、カテゴリーによっては実験による開発が制限されているものも多いので、CFDは必須の技術となってきています。CFDでは、コンピュータ上で複雑な計算をさせることで、空気の流れを可視化できるというものです。たとえば、F1に参戦しているマルシャ(現マノー)レーシングは、風洞を使わずCFDのみでマシンを開発している唯一のチームです。

ところが、マルシャを見てわかるように、CFDのみで開発をすることは非常に難しいのが現実です。CFDでは、非常に高度な方程式の解をコンピューターで近似的に出しているため、必ずしも現実の空気のふるまいとは同じにならないのです。したがって、ほとんどのチームは、風洞実験と数値シミュレーション、さらに走行実験と複合的にテストを行い開発をしています。風洞実験がなくなることはしばらくはないと思われますが、CFDが進歩することで、コスト削減に繋がりモータースポーツが盛り上がることは間違いないでしょう。

CFD

出典 – http://www.sauberf1team.com/en/corporate/factory/

余談ですが、レッドブルにはエイドリアン・ニューエイという空気力学の天才がいます。数年前のレッドブル無双時代の陰には彼の存在がありました。彼はいまだに手書きでマシンを設計し、空気の動きが見えるのだとか・・・。また、年収は数十億だそうです。

まとめ

最近のレースは面白くない、バトルが少ないと嘆く方も多いですが、少し違う観点から見てみるとより面白いかもしれません。「おっ!今年はこのチームのマシンはこんな形か。これは空力的に何かアドバンテージがありそうだな」とか「前戦とは違ったウィングをつけているな」などなど。

モータースポーツ、特にF1は最新技術の結晶ですし、主役はドライバーだけではなく、エンジニアの天才的な発想があるからこそであるということが、ひしひしと伝わるようになります。技術的な観点から見てみると興味深いですし、少し車に詳しくなったような気がするかも知れませんね。

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