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以前、ブレーキについて散々書き連ねましたが、「重い車ほど制動距離が延びる（制動距離は質量に比例する）」は間違いで、確かに運動エネルギーは質量に比例しますが、一方で摩擦力も質量に比例するので、「質量が倍の車は倍の摩擦力を得られるから、制動力は（原則的には）変わらない」とする話をしました。

参考）
ブレーキ強化で制動力向上！？
https://minkara.carview.co.jp/summary/15167/

つまり、制動力＝摩擦係数×重力加速度×質量となりますが、ここでの重力加速度×質量は垂直抗力の事であり、逆に言うと質量を変えずに質量以上の垂直抗力が得られれば、制動力は上がり、制動距離も短くなります。

「そんなうまい話がある訳ないだろ？」と思われるかもしれないが、これがあるんです。
そう、それがダウンフォースです。

実際に、これは約25年前のデータですが、F1では既に最大の駆動加速度が1.3G、制動加速度は3Gにも達していたそうです（注）
※これは巨大なウイング等によって強力なダウンフォースを得ているから。

そもそも前回、なぜ飛行機の翼を例に揚力の話をしたかというと、実はウイングはこれを逆さにした形状のものだからです。
※なので、同じ理屈で下方向に車体を押し付ける力が働く。

これによって、最高速付近では実際の質量の何倍ものダウンフォース（荷重）を得ているので、本来のタイヤのグリップ力で得られる摩擦力の何倍もの摩擦力を得られる訳です。

つまり、ウイングの本当の役目は「揚力で車体が浮き上がるのを防ぐため」ではなく、「揚力を積極的に利用し、車体を路面に押し付けて強大な摩擦力を得るため」というのが正解です。


（注釈）
1G≒9.8m/s^2なので、例えば0→100km/hまで加速するのに10秒かかる車と3秒かかるの車を比較すれば、加速度＝速度の変化/時間なので、
・27.8（m/s）/10（s）≒2.78（m/s^2）になり、約0.28G
・27.8（m/s）/3（s）≒9.3（m/s^2）になり、約0.95G

逆に、100km/hからの制動に3秒（平均-0.95G）掛かる場合の制動距離は、
・27.8（m/s）/2×3（s）≒41.7m
になります。

また、もし制動時に平均-3Gの加速度が得られるなら、100km/hからの制動を僅か0.95秒＆13.2mで止まれる計算になります。
※F1の-3Gはあくまで最高速近辺での最大の制動加速度なので、減速するに従いダウンフォースが減ることで制動加速度は（√）逓減していくので、実際はもっと時間も距離もかかる。

ダウンフォースを考える前に、まずは揚力を考えてみます。


（１）揚力って何？

1980年代、若者の間でFFファミリアが大売れした頃から、主にファッションでエアロパーツを組むのがブームになりましたが、当時読んでいたドライバーには「車は高速になれば揚力が発生するので、車体が浮き上がってそのせいでふらつくが、リアスポイラーでダウンフォースを発生させると同時に、アンダースポイラーで車体の下に流れ込む空気を減らせば、高速でも車体が浮き上がらず安定して走行できるようになる」などと書かれていました。

まだ中学生だった自分は、それを読んで「そうか、車の下に空気が流れ込むから、揚力が発生して車体がふらつくのか」と単純に理解した気になっていましたが、あの時もっと深く考える力があれば、もっと違う人生だったかもしれません（笑）
※塾の同級で休み時間にニュートンを読んでいる奴がいましたが、開成→現役で東大に行きました（一方、自分が読んでいたのはドライバー・・・）

で、揚力って何？って話ですが、たとえば飛行機ですが、あんなに重い物が何故飛べるのかというと、翼によって揚力を得ているからですが、これは翼の下側の圧力が上側の圧力よりも高いために働く、上向きの力になります。


（２）ベルヌーイの定理（流体のエネルギー保存則）

これは、流線上における流体エネルギー（運動エネルギー+圧力エネルギー+位置エネルギー）は、常に一定になるというものです。
・1/2ρv²+P+ρgz = 一定
ρ ：流体の密度、v ：流速、P ：圧力、g ：重力加速度、z ：高さ
※1/2ρv²が運動エネルギー、Pが圧力エネルギー、ρgzが位置エネルギー。

水平に置かれたホースの一部を踏むとそこだけ流速が上がりますが（運動エネルギーの増加）、これを流体のエネルギー保存則に当てはめれば、その分だけ圧力エネルギーは減少します。
※素人考えだと、踏んづけている分だけ圧力はむしろ上がりそうですが。

ではここで、夏休みの自由研究ではありませんが、空き缶を少しだけ離して二つ並べて、その間に息を吹きかけると、どうなるでしょうか？

赤色のボタン：缶同士が離れる
緑色のボタン：缶同士がくっつく
黄色のボタン：缶が二つとも倒れる
さて、正解はどの色のボタンでしょうか？

正解は緑色のボタンで、空き缶は互いに吸い寄せられてくっつきますが、これは缶の間の流速が速くなることで、圧力が（周りの大気圧より）下がったためです。
※黄色のボタンを選んだ人は、肺活量が多すぎ（笑）


（３）流線曲率の定理

ベルヌーイの定理があくまで同じ流線上における話だったのに対し、流線曲率の定理は周辺にある流線との関係を示すものです。

翼のような曲がった板に流体が流れると、流線も板に沿って曲がりますが、流線の曲率の中心方向に向かうほど圧力が低くなります。
※流線が曲がると流れる空気にも遠心力が生じるため、中心方向に向かうほど空気が薄くなり気圧が下がるので、流線の外側より内側の方が圧力は低くなる（圧力勾配）

翼の上側について考えると、翼に近い方が（大気圧に対して）圧力が低くなりますが、下側について考えると、逆に翼に近い方が（大気圧に対して）圧力が高くなります。

そのため、翼の上側の圧力＜翼の下側の圧力となるために、上向きの力（揚力）が発生することになりますが、この時の流速が大きいほど、また曲率半径が小さいほど、圧力勾配は増えます。
※流速の二乗と曲率の積に比例する（曲率は曲率半径の逆数）

なので、飛行機のフラップを下げれば逆に上昇するのは、曲率が大きくなることで圧力勾配すなわち揚力が増えるからです（但し同時に空気抵抗も増えるので、両者のバランスを取る必要がある）

つまり、飛行機の翼は流線を曲げることで圧力差を作り出し、揚力を発生させている訳です。

参考）
社会人からの物理と数学
https://youski.hatenablog.com/entry/2018/08/04/132003

バッテリーは（短時間ならば）大電流を流す能力があるのに、バッテリー同士をつないでも大電流が流れないのは何故なのか、考察してみます。


（１）電気は流すのではなく、流れるもの（まずは基本的な話）

よく、電気は流すものだと考える人がいますが、実際には電位差（電場）があるから電気（電子）が流れるのであって、電気というのは能動主体ではなく、あくまで受動的に流れるものです。
※電位差を与える事で流す、とも言えるが。

特にカーマニアの場合、例えば充電器で電流値を設定できるものがあるためか、電気は能動的に流せる（電流の大小を自由に変えられる）と言う人がいますが、あれは電位差を調整して流れる量を制限しているに過ぎません。
※この流れる量は、オームの法則V=RIから解るように、基本的には電圧と抵抗の大きさによって決まる。

ところでバッテリーの場合、放電時の起電力と電池電圧の関係はV=E-rIで示されますが、これは仮想の内部抵抗rを用いた概念的な式であり、現実的には、
・取り出す電流が増えると、過電圧（内部抵抗）が増えるので電池電圧は下がる。
・一定の電流でも放電が進むと、同様に過電圧が増えるので電池電圧は下がる。
事になります。

つまり、電池の内部抵抗は、実際に化学反応が起きたときの動的な抵抗であり、その時の電流値や放電率によって変動しますし、また放電時と充電時でも抵抗値は異なります。

一方で、CCAテスター等で測っている内部抵抗は、放電も充電もしていない時の静的な内部抵抗（≒オーミック抵抗）の事なのです。
※「バッテリー同士を繋ぐとショートしたのと同じ」と言っている人は、恐らくここが理解できていない。

で、ここからはその内部抵抗の話になるのですが、その前に「内部抵抗って何？」という方は、こちらを先にどうぞ。
↓
バッテリーの内部抵抗を測る！
https://minkara.carview.co.jp/summary/15856/


（２）放電時と充電時の根本的な違い

さて、バッテリー同士を繋いだ場合、流れる電流は負荷（受入）側の内部抵抗次第という事を理解したうえで、実際に放電する時と充電する時のバッテリーの内部抵抗の違いを考えてみますが、以前にも触れた通り、バッテリーの放電反応は発熱反応で、充電反応は吸熱反応になります。

化学反応には吸熱反応と発熱反応がありますが、基質（反応物）よりも生成物の方がエネルギーが低い場合を発熱反応、基質よりも生成物の方がエネルギーが高い場合を吸熱反応と呼びます。


（画像は「薬学まとめました」より引用）

つまり、充電反応を起こすには、それだけ多くの活性化エネルギー（ここでは電気エネルギー）が必要になる訳です。
※充電反応に必要な活性化エネルギー＞放電反応に必要な活性化エネルギー

自然界では物質はエネルギーの低い状態を好むので、放電反応は不可逆反応であり、系の外から仕事（電気エネルギー）を与える事で、無理やり逆反応である充電反応を起こしているのです。

一方、放電が進んだ状態においては、電導パスの減少によりオーミック抵抗も大きくなっていますが、同時に電解液の比重（＝硫酸の割合）が低くなっているため、拡散抵抗も大きくなっています。
※H+もSO42-も少ない（なお、水は殆ど電離しておらず、極性分子として振る舞う）

そのため、充電時においては、内部抵抗の3要素（反応抵抗、オーミック抵抗と拡散抵抗）の全てが、放電時より高い状態にあります。
※これが放電時と充電時の根本的な違い。


（３）充電した時の内部抵抗はどう変わる

次に、実際にバッテリーに充電する場合を考えてみますが、外部電源により両極に電圧を掛けると、
①電気二重層の充電
②活物質とイオン間の電子授受（化学反応）
③電解液中のイオンの拡散
が順番に起きます。

①の段階では、電圧が印加された事で正極にSO42-が、一方で負極にH+が引き寄せられます。
※電気二重層キャパシタの原理。

次に、この時に印加された電圧（電力）により反応エネルギーを得て、②の化学反応が進みますが、電導パスが少ないために電子の受け払いが制限されるので、化学反応も思ったほど進みません。

また、この時③のイオンの拡散がスムーズに進まないと、せっかく電子の受け払いが出来ても、やはり化学反応のスピードは抑制されます。

要するに、大きな電流は流れようにも流れられない訳です。
※放電が進んだバッテリーでエンジンが掛けられないのも、同様にオーミック抵抗と拡散抵抗が大きいため。


（４）充電末期にはどうなるか

ところで、充電末期にはバッテリー自体の電圧が上がることで、（定電圧で充電していれば）電位差は縮まっていくので、流れる電流も減ります。

この時、拡散抵抗とオーミック抵抗は充電初期に比べ小さくなっていますが、一方で極板に付着していた硫酸鉛が減少するために、本来の化学反応が進まなくなり、結果として流れた電気は水の電気分解に使われますが、元々バッテリーの電極に使われる鉛や二酸化鉛は、水素過電圧や酸素過電圧（注）が高いので、より多くの反応エネルギーが必要になります。
※その結果、同じ電位差に換算しても流れる電流は減ることになる。

実際に、以前50％放電したバッテリーを補充電した際には、充電初期には1.3Vの電位差で9.5Aが流れましたが、末期には0.61Vの電位差で1Aしか流れませんでした。
※充電初期と末期の内部抵抗をオームの法則に従い計算すると、約137mΩと約610mΩになる。


以上のように、バッテリーを充電する場合の実際の内部抵抗はかなり高い値になるので、バッテリー同士を直接つないでも大電流が流れる事はありません。


（注）
化学用語での過電圧とは、電気化学反応において熱力学的に求められる反応の理論電位（平衡電極電位）と、実際に反応が進行するときの電極電位の差のこと。
※実際にある程度の速さで反応を進行させる（ある程度の電流を得る）には、過電圧分だけ電極電位をさらに上げる必要がある。

水と酸素の酸化還元反応は、電極電位が+1.23Vとなるところで平衡となるので、水に約1.23Vの電圧をかけると理論上は水が電気分解される（バッテリー自身の電圧で電気分解が起きる）が、現実にそうならないのは、鉛は水素過電圧が高く、二酸化鉛は酸素過電圧が高いため、理論上より高い電圧を掛けないと水素や酸素は発生しないため。

（１）バッテリー同士をつなぐと、大電流が流れる？

ネット上には、「バッテリー同士をつなぐと、内部抵抗が極めて小さいためショートしたのと同じ状態になり、大電流（循環電流）が流れるので危険」などと言う人が、学校で電気を勉強した人の中にもいますが、その論理だと、ブースターケーブルでバッテリー上がりの救援をするのも危険という話になります。

更には、救援する際にマイナスケーブルをシャーシー接続する理由についても、「端子同士をつなぐとバッテリーに過大な電流が流れ、内部の鉛電極の配線が溶けて容量の低下や故障の原因になるが、マイナスケーブルを一旦シャーシーに接続する事で流れる電流が抑制され、例えば500Aを100Aに減衰させる事ができるから」と発言する人までいました。
※減衰って普通の人は使わないので、多分その道の人だと思う・・・

もしそれで大電流が流れるなら、車上充電においてもオルタネーターは常にフル稼働を要求されるので壊れます。
※その前に出力電圧を維持できず電力不足となり、エンジンが止まるだろうが。


（２）実際に流れる電流はどのくらい？

では、実際にどの程度の電流が流れるかですが、その昔のJAFの実験では、救援車から被救援車に流れた電流は、7～36Aでした。

また、先日当方が12.2Vまで低下したバッテリーを充電した際のデータだと、
・充電開始5分後の電圧と電流：13.50V＆9.5A（CC充電）
→開始時は、電位差が13.5V-12.2V＝1.3Vのとき、流れた電流は9.5A（7.3A/1V）
・一方、充電終了直前の電圧と電流：14.03V＆1A（CV充電）
→終了時は、電位差が14.03V-13.42V＝0.61Vのとき、流れた電流は1A（1.6A/1V）
でした。

この事から、バッテリーは充電開始時には多くの電流を受け入れるが、満充電近くになると、内部抵抗の増大により同じ電位差でも殆ど受け入れなくなる事が解ると思います。

よって、救援のためバッテリー同士をつないだ時の電流値は、
・元気なバッテリー：12.8V
・放電してエンジン始動できなくなったバッテリー：11.8V
の2つをつないだ場合で、概ね7～8Aが流れることになります。


（３）「補充電する場合、5時間率容量の1/10の電流で」って意味ある？

ちなみに、12.2Vのバッテリーを車上充電（≒CV充電）した場合の充電電流ですが、発電電圧を14.4Vとすると、
・14.4V-12.2V＝2.2Vなので、約16A
となります。

そう考えると、充電器やバッテリーの取説にある「補充電する場合、5時間率容量の1/10の電流で」を滅多にしない補充電の時だけ律儀に守っても、殆ど意味がない事が解ると思います。


（４）マイナスケーブルをシャーシー接続する理由は？

冒頭の話に戻りますが、救援の際にマイナスケーブルをシャーシー接続する理由を念のために書くと、端子でスパークが発生することにより、最悪バッテリーが引火爆発することを避けるためですが、実はこれもあまり意味がないように思います。
※過充電でない限り、充電中の電解液中の水の電気分解は僅かしか起きないため。

なので、充電器等に書かれている「補充電する場合は、必ずキャップを開けてください」という注意書きも、同様に意味がないというか、車上充電では開けないのだから、16V出せる充電器でも使って過充電させない限り、開ける必要はないですね（ガス抜き穴で十分）
※既に電解液不足になっているようなバッテリーは別（救援接続の前に必ず液面確認を）

これもバッテリーや充電器メーカーからすれば、念のためというか責任回避のために言っているのでしょうが、カーメディアや素人整備動画も含め、そもそも作り手からして知識が怪しい上に、その後は伝言ゲームになってしまうので話が余計におかしくなり、大電流ガーみたいな都市伝説がネット上に溢れる・・・というのが現状でしょうか。

CC-CV方式の充電器で充電した場合の、電圧や電流の変化を記録してみたので、備忘録を兼ねて公開しておきます。


【基本的なおさらい】

まず最初にCC-CV方式ですが、これは当初はCC（Constant Current）方式で充電し、その後CV（Constant Voltage）方式に切り替わる充電器の事です。

ネットの説明でよくあるのが、「CC-CV充電とは、初めは一定の電流（定電流）で充電し、電池電圧が指定の値に到達したら一定の電圧（定電圧）に制御を切り替え、充電を行う方式」というものですが、この説明は正しくありません。
※なぜなら、電池電圧はあくまでも「見掛け電圧」に過ぎないから。

つまり、一般に（充電時の）バッテリー電圧と表現されているのは、実は電池電圧ではなく、充電器により印加された電圧（導線抵抗等による電圧降下分を含めた数値）をバッテリー端子間で測定しているに過ぎないのです。
※同様に、車載状態ではオルタネーターによる印加電圧を見ているだけ。

よって、「CC-CV充電とは、電流制限方式（一定以上の電流が流れないように充電器の電圧を調整しながら充電する方式）の一種で、このうち出力電圧の上限が定められているもの」が正解です。
※調整電圧が上限電圧に到達したらそれ以降は必然的に定電圧となり、充電電流は下がっていく（なお、出力電圧の上限が定められていない物を単にCC充電と呼ぶ）

余談ですが、CC-CV方式の場合、逆L字垂下特性（出力電流を一定に保ちながら、出力電圧が直線的に垂下する特性）になっています。


画像はElectrical Informationより


【使用した充電器】

・BAL No.1731（絶版品）
・自動充電器（CC-CV方式）
・定格電圧：14.8V
・充電完了電圧：13.8V
・最大電流：8A（セルスタート時35A）

その他（気付いた事）
・最大電流8Aとあるが、実際には9.5A近くまで流れた。
・充電完了の判断は電流値で判断しているようだが、気付いたら充電完了になっていたので、実際の電流値は不明（3A辺り？）
・充電完了と判断した後は、出力電圧を約14Vに下げて充電を続けるようだ。
※取説には、「更に1～2時間充電を続けるとより完全に充電される」と記載あり。


【使用したバッテリー】

・カオスC8　100D23
・5時間率容量　58Ah
・使用開始　2年5ヶ月経過（'23年12月24日製造）
・充電開始時電圧：12.2V（放電率50％と仮定すれば、残容量は29Ah）


【電圧と電流の変化】

・充電量は、鉛蓄電池の往復効率が0.65程度なので、充電時の効率を0.7として計算する。

開始　
5分後　13.50V　9.5A　※気温30度
20分後　13.71V　9.5A
30分後　13.85V　9.5A
45分後　14.15V　9.25A
60分後　14.67V　9.25A
70分後　14.86V　9.2A
※この辺りまでは所謂CC方式、電流が逓減しているのは本体の発熱の影響？
充電量：約11Ah×0.7≒7.7Ah（充電率：約63％）

105分後　14.89V　7A
150分後　14.89V　5.5A
165分後　14.89V　5A
210分後　14.89V　4A
225分後　13.94V　1.9A
※この時点で充電完了ランプが点灯していた。
充電量：約15.5Ah×0.7≒10.9Ah、累計：約18.6Ah（充電率：約82％）

270分後　13.94V　1.5A
295分後　14.03V　1.2A
310分後　14.03V　1A
※ここでスイッチを手動でOFF。
充電量：約2Ah×0.7≒1.4Ah、累計：約Ah（充電率：約84％）

終了直後の電圧　13.42V（サーフェイス分含む）
30分後　13.40V
60分後　13.37V（内部抵抗5.3Ω、CCA598）
24時間後　13.18V（同4.9Ω、632）　※気温20.6度

参考）
使用開始時　5.3Ω、590（'24年1月28日、気温不明）