クルマの燃費を左右する『摩擦抵抗』とは？
車を知りたい
先生、「摩擦抵抗」って、自動車とどんな関係があるんですか？ 説明を読んでも、ちょっと難しくてよくわからないんです…
自動車研究家
なるほどね。自動車で言うと、空気の中を走っているよね？ あの空気との間にも摩擦抵抗があるんだよ。例えば、車を走らせると、車体の表面に風が当たって抵抗になるでしょう？ あれも摩擦抵抗の一つなんだ。
車を知りたい
えー！ 空気も抵抗になるんですか？ 知らなかった！ でも、なんで抵抗になるんですか？
自動車研究家
いい質問だね！ 空気にも粘り気があるからなんだ。車体をよく見てみると、表面はツルツルして見えても、実は小さな凹凸がたくさんある。その凹凸に空気が引っかかって抵抗になるんだよ。だから、車体の形が流線型になっていると、空気抵抗が減って燃費が良くなるんだよ。
摩擦抵抗とは。
自動車用語の「摩擦抵抗」とは、移動する物体と周囲の流体の間で発生する抵抗のことです。これは、流体の粘り気によって生じるもので、物体表面と流体の間に速度差が生じることで摩擦力が働きます。
もう少し詳しく説明すると、粘性のある流体が物体の上を流れる時、物体表面に近いほど流速が遅くなるという現象が起こります。これが速度勾配です。この速度勾配によって運動量が失われ、その結果、摩擦力が発生するのです。摩擦力の大きさは、流体の粘性や速度勾配によって変化します。
また、流体の速度が遅く流れが安定している層流から、速度が速く流れが乱れる乱流に変化すると、速度勾配が大きくなり、摩擦抵抗も増加します。これは、空気や水がパイプの中を流れる場合でも同様で、パイプ壁との間で速度勾配が生じ、摩擦抵抗が発生します。
摩擦抵抗：空気との戦いが燃費を決める
クルマが走る時、実は目に見えないところで様々な抵抗が発生しています。その中でも、燃費を大きく左右するのが空気抵抗です。空気抵抗とは、読んで字のごとくクルマが走行する際に空気を切り裂く時に発生する抵抗のこと。空気は目に見えませんが、高速で走るほど、また車体が大きいほど、強い抵抗を生み出します。例えば、私たちが強風の中を歩くのが大変なのと同じように、クルマにとっても空気抵抗は大きな負担となるのです。
この空気抵抗を減らすために、自動車メーカーは様々な工夫を凝らしています。 流線型のボディはその代表例と言えるでしょう。その他にも、車体の底面をフラットにするなど、空気の流れをスムーズにするための技術が日々進化しています。空気との戦いを制することが、燃費向上、ひいては環境への配慮にも繋がるのです。
クルマにおける摩擦抵抗：その仕組みを解説
私たちが普段何気なく運転するクルマ。快適なドライブを支える裏側では、様々な力が働いています。その中でも燃費を大きく左右する要素の一つが「摩擦抵抗」です。
摩擦抵抗とは、物が移動する際に、その動きを妨げるように働く力のことを指します。クルマにおいては、タイヤと路面の摩擦、エンジン内部のピストン運動、トランスミッション内のギアの噛み合わせなど、様々な箇所で摩擦抵抗が発生しています。
例えば、タイヤの空気圧が低いと、路面との接触面積が増加し、摩擦抵抗が大きくなってしまいます。すると、クルマを動かすためにより多くのエネルギーが必要となり、燃費が悪化する原因となるのです。
摩擦抵抗を減らすことは、燃費向上だけでなく、CO2排出量の削減にも繋がるため、環境問題への貢献も期待できます。自動車メーカーは、より低燃費なクルマを開発するために、タイヤの素材やエンジンの構造などを工夫し、摩擦抵抗を極限まで減らす努力を続けています。
境界層：目に見えない抵抗の正体
クルマが走るとき、燃費を悪化させる要因の一つに「摩擦抵抗」があります。空気抵抗や転がり抵抗と並んで、クルマの運動エネルギーを奪う抵抗力です。なかでも、「境界層」と呼ばれる部分は、目に見えないながらも重要な役割を担っています。
物体表面を流れる気体や液体は、物体に非常に近い部分では速度が遅くなり、ほとんど静止しているように見えます。これが境界層と呼ばれる層で、物体表面と流れの間で速度差が生じます。この速度差によって、流れが乱れたり、渦が発生したりすることで、摩擦抵抗が大きくなってしまうのです。
クルマのデザインにおいては、この境界層をいかにコントロールするかが、燃費性能向上には欠かせません。例えば、ボディ表面を滑らかにしたり、形状を工夫することで境界層の乱れを抑え、摩擦抵抗を低減させています。一見、空力性能とは関係なさそうに見える細かな部分まで、実は燃費に影響を与えているのです。
レイノルズ数：流れの様相と摩擦抵抗の関係
クルマが走行する際に、空気やエンジン内部のオイルなど、様々な場所で摩擦抵抗が発生しています。この摩擦抵抗をいかに減らすかが、燃費向上には欠かせない要素となります。 摩擦抵抗の大きさを理解する上で重要な指標の一つが「レイノルズ数」です。
レイノルズ数は、流体の粘性、速度、物体の大きさなどを考慮した無次元量であり、流れの様相（層流・乱流）を判別する基準となります。 一般的に、レイノルズ数が小さい場合は「層流」、大きい場合は「乱流」となります。層流とは、流体が規則正しく運動している状態であり、乱流とは、流体が不規則に混合しながら運動している状態を指します。
層流状態では、流体同士の摩擦が少なく、摩擦抵抗は比較的小さくなります。一方、乱流状態では、流体同士が激しくぶつかり合うため、摩擦抵抗は大きくなってしまいます。 つまり、燃費を向上させるためには、レイノルズ数を小さく抑え、層流状態を維持することが重要と言えるでしょう。
摩擦抵抗を減らすための技術革新
自動車の燃費向上には、エンジンの燃焼効率を高めるだけでなく、クルマ全体にかかる抵抗を減らすことが重要となります。その抵抗の中でも、摩擦抵抗は燃費に大きく影響する要素の一つです。
摩擦抵抗を減らすための技術革新は、日々進歩しています。例えば、エンジンオイルの粘度を低くすることで、エンジン内部の摩擦抵抗を低減する技術が開発されています。また、タイヤの素材や構造を工夫することで、路面との摩擦抵抗を減らす取り組みも進んでいます。
さらに、近年注目されているのが、ベアリングなどの駆動系部品における摩擦抵抗低減です。従来のボールベアリングに代わり、摩擦抵抗の少ないニードルベアリングを採用したり、潤滑技術を向上させることで、エネルギー損失を抑制しています。
これらの技術革新は、燃費向上だけでなく、CO2排出量の削減にも貢献するため、地球環境保護の観点からも重要な取り組みと言えるでしょう。