トンネルの上に吸い込まれてスピードを出せる車はどんな車でしょうか？学ばなければならない空気力学！

最近、友人がビデオを送ってくれました。スポーツカーがトンネルに入り、前方に渋滞を発見し、思い切ってトンネルの屋根に上がって追い越しをするビデオです。彼は私に尋ねました。「このビデオは本物ですか、それとも偽物ですか？」スポーツカーはトンネルの頂上で後ろ向きに運転できますか？

ネット上で拡散中のビデオ：ランボルギーニが壁を登る

まず結論を述べます。このビデオは間違いなく偽物です。実際には、メルセデス・ベンツの広告でトンネルの上を後ろ向きに運転したのはレーシングキングのシューマッハだけですが、条件が 2 つあります。**1.トンネルの上部は湾曲しており、遠心力を利用して重力に対抗することができます。 ** 2. トンネルは危険が発生しないように清掃されています。

広告：シューマッハがトンネル内で360度スピン

このビデオでは、トンネルの上部は平らで、円運動がなければ重力に対抗する遠心力は発生しません。第二に、トンネル内は車でいっぱいで、そのような状況では事故を起こさずにジャグリングを行うことは不可能でした。つまり、このビデオは99.9%偽物です。

しかし、理論的に言えば、スポーツカーがトンネルの屋根を後ろ向きに走行することはまだ可能です。十分に軽量で、空気力学的に優れている必要があります。今日は空気力学とその生活への応用についてお話しし、最後にトンネルの上に逆さまにぶら下がることができる車の種類について説明します。

1. 空気力学

私たちの生活は空気と水という液体で満たされています。人々は何千年もの間流体に関するさまざまな研究を行っており、それが流体力学を生み出しました。空気力学は流体力学の分野です。

たとえば、私たちは皆、次のような話を知っています。アルキメデスは、水中に置かれた物体の浮力は、それが押しのけた液体の重さに等しいという浮力の法則を発見したため、「ユリーカ」と叫んで浴槽から飛び出しました。

アルキメデス

これはアルキメデスの浮力の原理と呼ばれ、流体力学の結論です。浮力を利用することで、巨大な鋼鉄の船を水に浮かべることができます。

もう一つの例は、液体は圧力を伝達するというパスカルの法則を発見した科学者パスカルです。

パスカル

パイプの場合、両端の開口部のサイズは異なります。それぞれの面積をS1とS2とすると、片側に圧力F1を加えると、反対側に圧力F2が発生します。パスカルの法則によれば、両側の液体の圧力は等しい、つまり、

S1<<S2、つまりF1<<F2であるため、比較的小さな力で大きな力を生成できます。これが油圧プレスの原理です。

パスカルもまた、非常に長い管を木製の樽の中に挿入するという実験を行いました。パイプを通して樽の中にコップ一杯の水を注ぐと、樽が割れます。これは、コップ一杯の水の質量は非常に小さいにもかかわらず、非常に細い管内で非常に高い圧力が発生し、それが樽にかかる非常に大きな力に変わるからです。これは油圧プレスの原理に似ています。

パスカルの樽実験

しかし、流体力学11 を真に独立した学問分野に変えたのは、有名な科学者ダニエル・ベルヌーイでした。

ダニエル・ベルヌーイ

以前、私たちは、有名な数学者であり、数学の巨匠オイラーの先生であった彼の父、ヨハン・ベルヌーイの物語をお話ししました。ダニエル・ベルヌーイは父親の指導の下、有名なベルヌーイ方程式を提唱しました。

この式は何を示しているのでしょうか?いくつか例を挙げてみましょう。

1 つ目はイタリアのベンチュリーにちなんで名付けられた、ベンチュリー管と呼ばれる管です。

ベンチュリー管

ベンチュリ管を水平に配置すると、A1とA2の高さは同じになります。h₁=h₂

液体が厚い部分から薄い部分に流れる場合、液体の体積は変化せず断面積が小さくなるため、流量は必然的に増加します。つまり、v₁＜v₂

これをベルヌーイ方程式に代入すると、次の式が得られます。Ρ₁＞Ρ₂

つまり、狭い場所では流量は高く、圧力は低くなります。この結論は中学校で習ったベルヌーイの定理でもあります。狭いところに穴を開けると、水は飛び出さずに空気を吸い込みます。この原理を利用してベンチュリー式肥料吸収器を作り、化学肥料を吸収させます。メインパイプから水が流れ、細管から肥料が吸い上げられます。

ベンチュリ式肥料吸引装置

たとえば、フランスのエンジニア、ピトーがピトー管を発明しました。開口部は 2 つあり、A は風向き、B は横風向きです。風に面した場所では、空気が入ってくるときに空気が遮られ、流量が0になり、空気流量が低く、圧力が高くなります。風に面した場所では、空気は妨げられることなく移動し、空気の流量は高く、圧力は低くなります。

2 か所間の圧力差を測定できれば、空気の流量を知ることができます。

周囲の風速を測定するには、航空機にピトー管を取り付ける必要があります。ピトー管が詰まると、測定異常が発生し、非常に深刻な結果を招くことになります。多くの航空事故はこれに関連していた。

航空機風速計

ご存知のとおり、船舶、油圧プレス、肥料抽出機、風速計など、どのようなものでも流体力学の知識が必要です。流体力学のうち空気を研究する部分は空気力学と呼ばれます。その最大の用途は飛行機を空に飛ばすことです。

2. 飛行機はなぜ空を飛べるのでしょうか？

飛行機はなぜ空を飛べるのでしょうか？かなり前に、この問題を説明するビデオを作成しましたが、詳細が足りませんでした。今回はさらに詳しく説明できます。飛行機の翼の両側は形が異なります。下面は凹状、上面は凸状です。航空機が前進すると、翼の上面と下面の形状の非対称性と粘性の影響により、翼の周囲に上面が後方に、下面が前方に移動する循環が形成されます。

飛行機はまだ前進しているので、後方への気流もあることを忘れないでください。翼の上の循環と気流は同じ方向なので、空気の流れが速くなり、圧力が低くなることがわかります。翼の下では循環と気流が反対方向で衝突するため流速が遅くなり、流速が遅いほど圧力が大きくなります。両者の間には圧力差があり、この圧力差によって航空機の揚力が発生します。もちろん、同時にある程度の後方抵抗も発生します。

ロシア航空の父ジュコフスキーは、航空機の揚力を計算する公式を提示しました。これは次のように簡略化できます。

ここで、P は空気の密度、s は翼面積、v は距離における相対的な空気速度、u は循環速度を表します。実際、バナナボールはフットボールから蹴り出されます。これは、フットボールが回転すると循環 u と外部の空気速度 v が重ね合わされるからです。

さらに、飛行機が着陸するとき、地面に非常に近いときに飛行機を上向きに引っ張る力が働いているかのように感じられ、揚力が増大したように感じることがあります。何が起こっているのか？これを地面効果といいます。

先ほど述べたベルヌーイの定理によれば、航空機の翼の下側の圧力は高く、上側の圧力は低いため、翼の下の空気は上向きに流れ、渦を形成します。これは特に翼端に当てはまり、いわゆる翼端渦が形成されます。この渦は、飛行機が飛行するときに空気中に色のついた粒子がある場合に、より顕著になります。空気中に水蒸気が多く含まれると、飛行機がラインを引くような効果が現れます。

翼端渦

この現象により、もともと大きかった圧力差が軽減されます。しかし、航空機が地面に非常に近い場合、地面の障害物により翼端渦が弱まり、下方のガスがスムーズに上昇できなくなります。その結果、空気中と比べて圧力差が大きくなり、着陸時に航空機に何らかの困難が生じることになります。これを地面効果と呼びます。

翼端渦による空気の流れ

実際、人々は地面効果に基づいて多くの新しい輸送手段を設計してきました。例えば、水面近くを飛行できる飛行機など。旧ソ連はこの点で非常に進んでおり、軍事装備として使用するための大容量かつ高速の水上飛行機をシリーズで開発しました。人々はそれをカスピ海の怪物と呼んだ。しかし、結局、大量生産・組み立ては行われませんでした。結局、ソビエト連邦の崩壊により、このプロジェクトは完全に終了しました。

カスピアンモンスター

しかし、現在多くの国が近海航空機の研究を始めています。我が国もこの効果を利用して水面近くを飛行できるミサイルを開発したいと考えて、この分野で研究を行ってきました。

地面効果を利用した現代の水上飛行機

実際のところ、飛行機については語るべきことがまだまだたくさんあります。たとえば、翼は空気に対して一定の仰角を形成する必要があります。角度が小さすぎると揚力が不十分になります。角度が大きすぎると、空気は翼を通過した後すぐに分離し、低圧領域が形成され、翼に大きな抵抗が生じます。どのような翼の形状が揚力を最大化し、抗力を最小化できるでしょうか?これが空気力学の研究です。

ダニエル・ベルヌーイの時代と比べると、空気力学の研究方法は大きく進歩しました。当社にはコンピューターシミュレーションソフトウェアがあるだけでなく、航空機の翼を動かさずに風速を調整できる風洞もあります。今お話しした問題の多くは、風洞を使ってテストすることができます。

風洞試験

3. レーシングカーの空力

実際、自動車、特にスポーツカーに必要な力は、飛行機に必要な力と正反対です。飛行機には揚力が必要ですが、スポーツカーには下向きの圧力が必要です。

スポーツカーは非常に速く、曲がるときに大きな向心力を必要とします。向心力は摩擦力 f によってのみ生じます。

摩擦力には上限があり、その大きさは接触面の粗さμと圧力Nに関係します。車と地面の間の圧力Nが大きいほど、摩擦は大きくなります。

しかし、圧力を高めるために車の重量を増やすことに頼ることは絶対にできません。重量を増やすと、第一に、車が遅くなり、柔軟性が低下し、第二に、車の質量の増加に伴って旋回に必要な求心力も増加するため、コストに見合わないからです。車自体の重量を増やさずに、車と地面の間の圧力を高める方法はありますか?

人々は空気力学について考えました。

1950 年代から 1960 年代にかけて、英国に自動車の発明家であり起業家であったコリン・チャップマンがいました。

コリン・チャップマン

彼は大学で構造工学を学び、後にイギリス空軍のパイロットになった。彼は引退後、ロータス（Lotusと発音）という自動車会社を設立しました。彼は研究と兵役経験により、スピード、軽さ、空気力学の活用を非常に粘り強く追求しました。すぐに彼が設計した車はF1グランプリで優勝し、有名なレーシングチームになりました。

ロータスロゴ

フェラーリが高出力エンジンを追求するのに対し、ロータスチームは軽量化と空気の利用を重視している。 1968 年、チャップマンはこう考えました。「飛行機は翼を使って揚力を得ることができるのだから、車は逆翼を使ってダウンフォースを得ることはできないだろうか?」そこで彼は、リアウイングを車体の高い位置に固定したロータス タイプ 49B を設計しました。

ロータス タイプ49B

これにより、前方から空気の流れが車内を吹き抜ける際に、空気の流れがそれぞれ上部と下部を通過することになり、飛行機の翼と同様の効果を生み出します。もちろんフロントウイングは欠かせません。前部と後部の1つが車を地面にしっかりと押し付けました。

タイプ49Bのエンジン出力はフェラーリほど優れていなかったものの、路面をしっかりとグリップし、比較的軽いボディのおかげで、ロータスチームは1968年のF1チャンピオンシップで優勝することができました。

すぐに、誰もがこの新しい発明を発見しました。フェラーリのエンジン技術は習得が容易ではありませんが、ロータスの空力装備はすべて外部に展示されており、習得が容易です。ほぼすべてのチームがリアウイングの取り付けを開始しました。しかし、尾翼は実は諸刃の剣です。グリップ力は向上しますが、風の抵抗も増加します。これは飛行機と同じ原理です。

誰もがフロントとリアのウィングを標準化したとき、チャップマンは自分の車を改良する方法を考え始めました。彼は、抵抗をあまり増やさずにダウンフォースを増やすにはどうしたらよいかと考えました。彼は地面効果について考えました。車のシャシーと地面の距離は非常に近いです。シャーシが突出するように設計されている場合、シャーシと地面の間にベンチュリー管が形成されるのではないでしょうか?

ロータス タイプ79とタイプ80

1977年、チャップマンはロータス タイプ79 レーシングカーを発明しました。このレーシングカーのシャーシは凸型構造になっています。この部分に空気が流入すると、車体下部の空間が圧縮されて空気の流量が増加し、ベンチュリー効果が発生します。上空の空気が車全体を地面に押し付けます。

TYPE79車は地面効果を利用してダウンフォースを獲得します

空気が漏れるのを防ぐために、チャップマンはレーシングカーのシャーシの両側にエプロンも設計しました。これらのエプロンは空気を遮断し、空気が逃げるのを防ぎます。この車はロータスチームが再びF1チャンピオンシップを獲得するのに貢献しました。

TYPE79レーシングカーにエアフェンスを追加

チャップマンがロータスを率いていたとき、チームは15年間で合計7回のF1コンストラクターズチャンピオンシップを獲得しました。残念なことに、クリン・チャップマンは心臓発作のため54歳で亡くなりました。

コリン・チャップマンとロータス

彼には有名な格言がある。 「まだ勝てていないのなら、それはまだ十分に努力していないということだ。」

F1の分野では、英国のロータスはドイツのポルシェやイタリアのフェラーリと同等のレーシングブランドです。しかし、ロータスにはレーシングカーしかないと思っているなら、それは間違いです。

1957年、ロータスは初の民間車「ロータス エリート」を発売しました。風洞がなかったため、チャップマンは車体にカシミアを貼り付けました。彼と友人は、一人が車を運転し、もう一人がカシミアをボンネットに結び付け、時速160キロでカシミアが移動する方向を観察しました。最終的に、彼らは抗力係数 0.29 の Elite を開発しました。今日のスポーツカーでも、空気抵抗係数は 0.3 を超えることが多いことを知っておく必要があります。

ロータスエリート

2019年、ロータスは世界限定130台のEvijaスーパーカーを発売した。このスポーツカーはチャップマンの精神を完全に体現し、空気力学を極限まで追求しています。前後の中空設計により風の抵抗を大幅に軽減します。

ロータス エヴァイヤ

シャーシにはディフューザーが取り付けられており、その機能はレーシングカーの下向きの突起によって形成されるベンチュリーと同じで、空気を圧縮して流れを加速し、ダウンフォースを発生させます。この車は1.8トンのダウンフォースを発生できると推定されています。

Evijaの空力設計

しかし、カーボンファイバー構造のため、重量はわずか1.68トンで、理論上は平坦なトンネルの上を逆さまに走行することも可能です。

もちろん、これは単なる理論上の話なので、試さないでください。もう一つの理由は、この車の価格が約2,000万元で、ほとんどの人が試乗する余裕がないことです。

コップ一杯の水、呼吸、飛行機、スポーツカーの研究まで。テクノロジーはますます急速に世界を変えています。孔子は言った。「時々実践することを目的として学ぶのは楽しいことではないか？」 「习」をレビューと理解する人が多いです。実践として理解した方が良いと思います。コリン・チャップマンは、学んだ空気力学の知識を自動車に応用し、一流スポーツカーブランド「ロータス」を創設しました。なんと幸せなことなのでしょう！

終わり