クルマを不安定にする揚力とは？
車を知りたい
先生、揚力ってなんですか？ 車を持ち上げる力って書いてあるけど、車って飛んだりしないですよね？
自動車研究家
良い質問だね！確かに飛行機みたいに車は空を飛びませんが、空気の影響で少しだけ浮き上がろうとする力が働くんだ。それが揚力だよ。でも、車は飛ばないように設計されているから、安心してね。
車を知りたい
そうなんですね。でも、揚力が強すぎると何か問題があるんですか？
自動車研究家
その通り！揚力が強すぎると、車が地面にしっかり接地しづらくなって、運転が不安定になるんだ。特にスピードを出した時は危険だね。だから、車の設計では揚力を抑える工夫が色々されているんだよ。
揚力とは。
「揚力」とは、走行中の車に上向きに働く空気力のことを指します。車が走ると、車体の上面と下面を流れる空気の速度に違いが生じ、圧力差が発生します。この圧力差によって、車を浮き上がらせる力が発生するのです。
前輪に揚力が働くと、高速走行時のハンドル操作に対する反応が鈍くなり、安定性が低下します。後輪に揚力が働くと、路面を捉える力が弱まり、やはり安定性が低下します。このように、揚力は車の走行安定性に悪影響を及ぼす要素と言えます。
また、揚力は車高を変化させ、サスペンションやタイヤの角度にも影響を与えるため、操縦安定性を悪化させる要因となります。
揚力を低減するには、車体上面の凹凸を減らして空気の流れをスムーズにする、ハッチバックの後端を角張らせて空気の剥離を抑えるなどの方法があります。
スポイラーを装着すると、揚力とは逆に車を路面に押し付ける力「ダウンフォース」を得られます。
なお、揚力の大きさを示す指標として「揚力係数」があります。これは、揚力を動圧と前面投影面積で割って算出され、揚力の発生しやすさを表しています。
揚力がクルマに与える影響とは？
クルマは走行中、空気抵抗以外にも様々な力が働いています。その一つに揚力があり、飛行機を空に浮かせる力として知られていますが、実はクルマにも大きな影響を与えます。揚力は車体を浮き上がらせる方向に働くため、タイヤの接地感が薄れてグリップ力が低下し、操縦安定性を悪化させる要因となります。特に高速走行時ではその影響は顕著となり、安定した走行を妨げる可能性があります。
揚力発生のメカニズム
クルマは速く走れば走るほど、そのボディ形状によって空気から様々な力を受けるようになります。その中でも、クルマを不安定にする要素として知られるのが「揚力」です。
揚力は、飛行機を空へ持ち上げる力と同じ原理で発生します。翼断面形状を持つ飛行機の翼は、上面の空気の流れが速く、下面の空気の流れが遅くなるように設計されています。
ベルヌーイの定理によると、空気の流れが速い部分は大気圧が低くなり、流れが遅い部分は圧力が高くなります。この気圧差によって、翼は下から上に押し上げられる力を受けるのです。
クルマの場合、ボディ上面が緩やかな曲線を描いているのに対し、下面はほぼフラットになっています。そのため、高速走行時にはボディ上面の空気の流れが速くなり、揚力が発生しやすくなってしまうのです。
揚力がもたらす悪影響
車は地面とタイヤの摩擦によって走っていますが、速度が上がると空気抵抗の影響も大きくなってきます。空気抵抗は空気との摩擦だけでなく、車体の上面と下面を通る空気の速度差によって揚力が発生することも要因の一つです。
揚力は飛行機を浮かせるために必要な力ですが、車が速く走る上では駆動力やグリップ力の低下に繋がり、不安定な走行の原因となります。特に高速走行時やコーナーリング時には、揚力の影響が顕著に現れ、操縦安定性の悪化や横滑りのリスクを高めます。最悪の場合、車が路面から浮き上がり、重大な事故に繋がる可能性も孕んでいます。
揚力を抑えるための工夫
クルマは速く走るほど、空気抵抗の影響を大きく受けます。空気抵抗の一つである揚力は、飛行機を空に持ち上げる力と同じように、クルマを地面から浮き上がらせようとする力のことを指します。揚力が大きくなるとタイヤの接地圧が減少し、操縦安定性が悪化してしまうのです。
そこで、レーシングカーやスポーツカーでは、揚力を抑え、走行安定性を高めるための様々な工夫が凝らされています。代表的なものとしては、車体後部に装着されるリアウイング（リアスポイラー）が挙げられます。リアウイングは、走行時に発生する気流を調整し、車体上面に発生する揚力をダウンフォースに変換することで、タイヤの接地性を高める効果があります。
また、車体底面の形状を工夫することも有効な手段です。走行中に車体底面を通過する空気の流れをスムーズにすることで、車体上面と下面の気圧差を小さくし、揚力の発生を抑えることができます。近年では、これらの空力対策は、燃費向上にも貢献するため、一般的な乗用車にも採用されるケースが増えています。
スポイラーの効果と揚力係数
自動車は速く走るほど、空気抵抗の影響を大きく受けます。空気抵抗の一つに揚力があり、これは車体を浮き上がらせる力として働きます。揚力が大きくなるとタイヤの接地圧が減少し、グリップ力が低下してしまうため、駆動や旋回の安定性を損なう原因となります。
そこで活躍するのがスポイラーです。スポイラーは揚力を発生させる気流を変化させることで、車体にかかる揚力を低減する役割を担います。スポイラーの効果は揚力係数という指標で表され、この数値が小さいほど揚力が小さいことを示します。スポイラーの形状や取り付け角度によって揚力係数は変化するため、走行状況や車両特性に最適なスポイラーを選ぶことが重要です。