空気の抵抗はどこで生まれるか

疑問｜前をとがらせれば抵抗は消える？

歩く速さでは気にならない空気も、速く走る車には大きな相手です。先端をとがらせれば、すっと通れそうに見えます。でも空気は車の前だけにあるのではありません。屋根、床下、車輪の周りを通り、最後には車の後ろで再び出会います。その道すじ全体が抵抗に関わります。

問題｜後ろに回った空気が乱れる

車の表面に沿う流れが途中ではがれることを剥離といいます。後ろに大きな乱れた流れの領域ができると、後面の圧力が十分に回復せず、前後の圧力差による抵抗が大きくなります。表面で空気がこすれることによる抵抗もあります。前から見える面積だけでも、表面のなめらかさだけでも説明しきれません。

解決｜入口から出口まで流れを整える

車体後部の形、床下の段差、車輪周辺の流れなどをまとめて整えます。床下のカバーは、部品の凹凸に流れがぶつかるのを減らす助けになります。後ろを急に絞ると流れがはがれる場合があり、細くすれば必ずよいとは限りません。人や荷物を入れる空間、車体の長さとも折り合いをつけます。

仕組み｜速度の二乗が効いてくる

空気抵抗の大きさは、簡略化すると「空気の密度×速さの二乗×前面投影面積×空気抵抗係数÷2」で表せます。前面投影面積は正面から見た車の影の面積。空気抵抗係数は形や流れの影響をまとめた値で、Cdとも書きます。Cdが小さくても、面積が大きければ抵抗が小さいとは限りません。

空気密度、姿勢、係数がほぼ同じで、風に対する速さが2倍なら抵抗は約4倍です。さらに、その抵抗に逆らって進むための仕事率は、無風で定速走行する条件なら約8倍になります。これは空気抵抗の分だけの比較で、転がり抵抗や加速などを含む車全体の消費エネルギーが8倍になるという意味ではありません。向かい風では地面に対する速度と空気に対する速度も異なります。

進化｜抵抗以外の風の働きも調べる

空気は車を持ち上げる力や押し下げる力、横向きの力も生みます。抵抗を減らすだけでなく、横風や旋回中の姿勢も調べる必要があります。冷却用の入口を必要に応じて開閉する工夫は、熱を逃がす要求と抵抗を減らす要求を調整します。風洞の実験や計算では、車輪の回転や地面との相対運動の扱いも結果に関わります。