空力のお話

F1の予選を見ていて思いついたので、今回は、空力のお話をチョットしてみます。

まずは、お馴染みのCD値、
同じ前面投影面積の直方体の空気抵抗値を１とした時のその物体の空気抵抗比率を表した数値で、　
CD値０．３２とかいう形で、表現されます。

この値は、あくまで、比率なので、同じCD値の車でも、投影面積が大きい車の方が、空気抵抗は大きくなります。

つぎにCL値、
これは、走行速度が上がると、車体が浮き上がる比率の値で、飛行機の翼の揚力と基本的に同じものです。

概念図ですが、車が走行するとこの様な空気の流れができます。

車の下面は、ほぼまっすぐ空気が流れる青い線に対し、上面は、表面形状をなぞって、遠回りして流れる
赤い線になります。
実際には、空気の中を、車の方が移動するので、両方の流れが通過する時間は同じなので、より長距離を移動する
赤い線の方が、流速が早くなります。

流体は、流速が上がるほど、圧力が下がるという性質を示します。
タイヤの圧力ゲージで、空気を抜いている時に圧力表示が下がるのはこの効果のためです。

このため、車体下面より、上面の方が圧力が低くなり、車体が上に押し上げられます。

この圧力の変化は、速度の２乗に比例するので、速度が上がるほど、より大きな力になります。

ということで、車は、基本的に上面が膨らんだ形をしているので、必ずリフトしますので、空力付加パーツを付ける
ことで、ダウンフォースを与えて、リフトを抑えます。

近年流行りのフラットフロアーですが、これはダウンフォースを増やす効果はありません。
床下にある凹凸により空気の流れが阻害されて、流速が遅くなって圧力が上がりリフトアップすることを、
凹凸を減らすことで、流速の低下を減らして、リフトアップを少なくするためと、空気抵抗を減らすためのものです。

まずは陽圧によるダウンフォース

斜めの面に、風が当たると、面に垂直に青→の方向に力が働きます、この力の分力の赤↓がダウンフォース、
緑→が空気抵抗になります。

理屈上角度が４５度を超えると、空気抵抗ばかり増えて、ダウンフォースは増えません。

これらの効果を狙ったものは、カナードとか、ウイングの取り付け角度や、後端の跳ね上げになります。

近年は、負圧によるダウンフォースがメインになってきているのは、陽圧ほど、空気抵抗が増えないためです。

下面を緩やかな凸形状にすることなどで、空気の流れる距離を長くすることで、流速を上げて、圧力を下げることで、
上面との圧力差を利用して、ダウンフォースを得ます。

この効果をより有効に活用するためには、圧力が下がると周りから空気が流入してきて、流速を下げる働きが
発生するので、側面に板を立てて周りからの空気の流入を防止する必要があります。

これが、ウイングの翼端板や、ディフューザーのフィンにあたるものです。

もう１つ効果を上げる方法として、ガーニーフラップが有ります。

これは。上面の空気の流れの末端に、縦の邪魔板を付けることで、流れを阻害して、流速を下げて、圧力を上げる
効果と、流れを斜め上に曲げる力の反力を利用して、よりダウンフォースを上げようとするものです。

本来は、緩やかに面を構成した方が有利なのですが、レギュレーションなどで、寸法や、面積を規制されている
中で、抵抗とダウンフォースのバランスの中で、開発されたものです。

ここから少し話を変更して、ハイブリッド専用車のテールゲートが、すっぱり切り落したような形状をしていることに
気付いた方はいますか？　これにもちゃんとした意味が有ります。

空気の流れは、基本的に表面形状に沿って流れますが、面形状の変化にに追従しきれなくなって、
面から流れが剥がれて、渦を巻き流れが乱れます。

一番上のように末端を丸くすると、そのすぐ後方で渦を巻きますので、この部分の圧力が下がって、後方に引張られるのと、流れが乱れることで、抵抗が増します。

２番目の様に切り落とすと、流れにも慣性力が有るので、直後では渦を巻かず少し後方へズレます。
このため、影響が小さくなり抵抗が下がるわけです。

より効果を上げるためのダックテールスポイラー、より後方にずらすことで、さらに抵抗が下がります。
アメリカンオーバールレースのNASCARはこの形です。

この渦をを利用する空力パーツがボルテックスジェネレーターと呼ばれるものです。

これは、突起物や、フィンの後端に、あえて渦を発生させることで、その周りの空気の流れを曲げて、
抵抗を減らしたり、後ろにある空力パーツに効率よく空気を当てる効果を狙ったものです。

代表的なルーフフィンですが、リアウインド方向に流れを曲げて、リアウイングへの流れを増す効果を狙っています。

ゴルフボールのディンプルもボルッテクスジェネレーターの一種です。

車の場合前側が、陽圧によるダウンフォースを受けるので、速度を上げるほど、リア側の方が浮き上がり易い傾向が
有りますので、リアスポイラーが純正オプションにあるのはこのためです。

とはいっても、カナードや、GTウイングが、時速１００km/hで発生するダウンフォースはせいぜい数kg程度で、
自分の様な鈍感な人間では、違いを感じ取れません。

色々長々と書きましたが、実際には、空気の流れは一様ではなく、その前後にあるモノの影響を受けてしまいます
ので、この程度で説明できるほど単純なものではありませんし、全てシミュレーションできるものでもありません。

F1マシーンが１戦ごとに空力をアップデートできるのも本当は良く解っていないからより進化してきているわけで、
本当に解っていれば、皆同じマシーンになってしまいますよね。

下らない長文にお付き合いくださりありがとうございます。