F1マシンを路面に押し付ける力: グラウンドエフェクトとアンダーボディ空力

グラウンドエフェクトは、F1マシンを地面から持ち上げるのではなく、トラックの中へと引き込む見えない手袋のように機能し、以下の力は車の重量をはるかに超えることがあります.
グラウンドエフェクトは、F1マシンを地面から持ち上げるのではなく、トラックの中へと引き込む見えない手袋のように機能し、以下の力は車の重量をはるかに超えることがあります.

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グラウンドエフェクトとは、F1マシンのアンダーボディを巨大な逆ウイングに変えてマシンを路面に「接着」させる空力効果のことです.空気がマシンの下の非常に狭いトンネルを高速で通過する際に圧力が下がり、マシンは押し上げられるのではなく、トラックに吸い寄せられます.まさにそのため、F1マシンは300 km/sでコーナーに進入しても壁に衝突する代わりに路面に押し付けられます.下向きの力は、マシン自体の重量をはるかに上回ることがあります.

ハイライト

  • 1977年に登場した Lotus 78は、F1史上初のグラウンドエフェクトカーとなりました.
  • Lotus 79は 1978年に、グラウンドエフェクトによって獲得された初のチャンピオンタイトルをもたらしました.
  • グラウンドエフェクトは 1983年にフラットボトルールで禁止されましたが、 2022年にベンチュリトンネルとともに復活しました.
  • 2022年以降のマシンでは、ダウンフォースの約 60% がウイングではなく床から生み出されています.
  • この革命には代償もありました.高速域での ポーパシング つまり跳ねる問題が常に付きまとうのです.

グラウンドエフェクトとは何か、どう機能するのか? 飛行機とは逆の物語

こう考えてみてください.飛行機のウイングは、その上を流れる空気を速め、下に流れる空気が翼を持ち上げます.エンジニアがある日「これを逆にしたらどうなる?」と問い、それがF1史上最大のアイデアの一つを生んだのです.逆にしたウイング形状は、マシンの下に低圧領域を作り出します.一方、上の通常の大気圧はマシンを下向き、つまり路面方向に押し付けます.これをダウンフォースと呼び、マシンが速くなるほどこの力は大きくなります.

背景で働く物理法則は ベルヌーイの原理です.気体の流速が上がるほど圧力は下がります.グラウンドエフェクトの要点は、地面に近いことです.マシンが路面に近づくほど下の入口の隙間が狭まり、空気はさらに速くなり、圧力はさらに下がります.つまり、この効果は路面との近さに比例して強くなります.オーブンのブラシを引くと埃が吸い込まれるのと同じです.狭い流路ほど吸引力は強くなります.

グラウンドエフェクトがウイングに対して持つ最大の強みは何だと思いますか? 空気抵抗が非常に少ないことです. ウイングはダウンフォースを生み出すと同時に空気抵抗も伴いますが、床のトンネルはほぼタダで強い力を与えてくれます.実際、 Lotus 78では最高速度さえ向上したと記録されています.高まったコーナリング速度が、直線での速度低下に転じなかったからです.

ロータスの時代: F1はどう変わったのか? 78から79への革命

アイデアの誕生: Can-Amからデ・ハビランドへ

実はこのアイデアは、生まれたばかりのものではありませんでした. 1960年代、 ワイドボディのCan-Amスポーツカーはすでに同様の効果を利用していました.しかし、オープンホイールで狭いボディのフォーミュラカーではうまくいかないと考えられていました.Peter WrightとTony Ruddは1960年代後半、BRMの風洞でこのコンセプトを試しましたが、プロジェクトはその後棚上げとなりました.そしてまさにその時、Colin Chapmanが登場します.

Chapmanは 1976年 初め、de Havilland Mosquitoという戦闘機のウイングに搭載されていたラジエーターを研究していたときにひらめきました.このシステムを逆にすれば、大幅なダウンフォースが得られるのではないかと.この観察から27ページの技術文書を作り上げ、カウントダウンが始まりました.

Lotus 78: 謎を解けなかったブラックボックス

Lotus 78 は1977年'のアルゼンチンGPでF1にデビューし、同じシーズンのアメリカGP西戦(ロングビーチ)で初優勝を果たした.マシンのサイドポンツーンの下面は逆翼型のように成形されており、下面と路面の間のシールは当初ブラシ、後に硬質ナイロンのスライディングスカートによって確保されていた.ライバルたちはそのシーズン、マシンの秘密を解き明かせず、チャップマンのチームも本当の理由を隠すためにさまざまな説明をでっち上げた.しかし退屈なシーズンでは決してなかった:マリオ・アンドレッティは4勝と6回のポールポジションを獲得したが、5回のエンジントラブルが選手権の夢を焼き尽くし、タイトルはグラウンドエフェクトを持たないフェラーリのラウダに奪われた.

このマシンを運転するのは、まるで道路に塗られたかのようだった.
マリオ・アンドレッティ、Lotus 78を語って

Lotus 79: グラウンドエフェクト最初のチャンピオン

そして、物語の最も甘い部分がやって来た. Lotus 79 1978年ベルギーGP(ゾルダー)でデビューし、アンドレッティはポールポジションと優勝の両方を獲得した.このシーズンは、ロータスがいかに他を圧倒していたかを誰の目にも明らかに示した:6勝、4回の1-2フィニッシュ、アンドレッティのドライバーズタイトル、そしてライバルのフェラーリに58ポイントの差をつけたロータスのコンストラクターズタイトル.これは、1955年のメルセデスの支配以来、最も成功した単一シーズンである.ただ一つ、暗い記録が残った:ロニー・ピーターソンが1978年イタリアGPでのクラッシュ後、治療の合併症により亡くなり、選手権をアンドレッティから13ポイント遅れて終えたことだ.

マシンの下で何が起きているのか? ベンチュリートンネル、ディフューザー、そしてウイング

Ön kanat görünüşte downforce üretir ama asıl işi arkadaki her bileşene temiz hava ulaştıran tüm aracı bir kanal gibi tasarlamaktır.

Lotus 78/79のチャンネル構造を一本のパイプとして想像してみよう:狭い入口、中央に「スロート(狭部)」、そしてリアタイヤの前でディフューザーによって急激な拡張が行われる.空気は狭い部分を通過する際に加速し、圧力が下がる.拡張部は流れを回収する役割を果たす.スカートが空気の側方への逃げを防いでいたため、この低圧はベースの全幅に広がっていた.この仕組みは、コーナー内のダウンフォースにおいて約 %15 のアドバンテージをもたらした - ライバルたちが理解できなかったのは正にここだった.

では、ウイングは何をしているのか? フロントウイングは総ダウンフォースの約 %25-30 を生み出すが、その本当の役割はより深いところにある:マシンの残りの部分が受ける空気を整えることだ.ウイングだけに注目するのは誤解を招く.なぜなら現代のF1の空力力学はマシン全体を一つのチャンネルシステムとして設計するからだ.ディフューザーはリアアクスルの後方にあり、ベース部のうち成形が許される数少ないセクションの一つであり、ベースの流れを出口へ導く扉である.重要な細部がもう一つある:ディフューザーは、接近走行時にダウンフォースの 最大70% を失い得る最も敏感なコンポーネントであり、前方のマシンの乱れた空気に入ると最初に機能を停止するのはこれだ.

ガーニーフラップのような小さなディテールでさえ差を生む:研究によれば、フラップはダウンフォースを約 %24 増加させる一方、抗力の増加は限定的であることが示されている.グラウンドエフェクトはさらにメカニカルグリップと連携して機能する.この二者は加速、制動、コーナー速度を同時に向上させる.F1マシンが最大4Gの遠心力でコーナーを走行できる秘訣は、タイヤではなく、主にこの空力学的な圧力である.

特徴地面効果(フロア)ウイング
ダウンフォースの発生源フロアとベンチュリートンネル前後のウイング
空気抵抗のペナルティ低い比較的高い
効率より効率的効率が低い
匹敵する貢献度2022年以降、ダウンフォースの約60%フロントウイングは全体の約25~30%
弱点地面との近さに過敏(ポーパシング)前方車の汚れた空気

F1マシンはなぜ跳ねる? ポーパシングをゼロから解説

これぞ地面効果の映画の悪役: ポーパシング、つまりイルカ跳びです.イルカが水面から跳ねるようにマシンが跳躍することから名付けられ、仕組みは単純です.マシンのフロア前端が路面に近づくとダウンフォースが増加し、その力がサスペンションを押し下げてフロアを路面すれすれまで近づけ、地面に接近すると低圧が失われてマシンが浮き上がります.その後再びダウンフォースが発生し、サイクルが繰り返されます.高速走行時、この振動はマシンの前部を不可避的に跳ね上げます.問題の根源は、空力負荷がマシンの地上高(ライドハイト)のわずかな変化に過敏すぎることにあります.

2022年シーズンには 複数のマシンがこの現象に苦しみ、チームはさまざまな方法に頼りました.マシンを高めに、柔らかいサスペンションで走らせる、振動をサスペンション自体に吸収させるなどです.シンプルに聞こえますが、どの解決策にも代償があります.高い位置で走るマシンは地面効果の効率を損なうのです.だからこそ地面効果はエンジニアの憧れであると同時に悪夢にもなり得るのです.

1983年の禁止と2022年の復活: 規則はいかにマシンの性格を変えたか

サイドスカートと路面の間のあの魔法のようなシールは、同時に危険の源でもありました.スカートが縁石に引っかかった瞬間、負圧が突然失われ、マシンは一瞬にしてダウンフォースを失ったのです.FIAは厳しい解決策を講じました. 1983年、フラットボトム規則により地面効果は禁止されました.チームは再びウイングにダウンフォースを求めるようになり、マシンの性格は変わりました.

しかし物語は終わりませんでした. 2022年の規則変更 は、もともと2021年向けに設計され、パンデミックにより1年延期された包括的なパッケージで、より接戦でより良いバトルという目標を掲げつつ、地面効果をマシンに復活させました.新しいフロアの2本のチャネルは空気の流れを導き加速させて低圧領域を作り出します.それが現代の ベンチュリートンネルです.では何が違い、1978年から何が変わったのでしょうか? 昔のスカート付きマシンでは、シールは路面との物理的な接触によって確保されていました.一方、2022年のマシンでは、トンネルの流れは完全に車体の内部で、接触なしに機能します.結果はこう要約できます.2022年以降、マシンのダウンフォースの約 60% はウイングからではなく、フロアとベンチュリートンネルから生み出されているのです.これは数十年で最大のデザイン革命であり、新時代最初のマシンのひとつである AMR22は、地面効果の復活を公式に告げたマシンのひとつとなりました.

では、この復帰は完璧だったのか?いいえ.2022-2025年のグラウンドエフェクト時代は、2つの異なる目線で見られています.一方には「最も徹底的に研究され、体系的に書かれたレギュレーション一式」という賞賛が、他方には「期待された成果を挙げられず、運営側が必要な修正を妨げた」という批判があります.この時代は、 track上ではレッドブル、続いてマクラーレンの支配によって特徴づけられ、その終わりにはより厳しい議論が始まりました.ベンチュリーチャネルの廃止は、グラウンドエフェクト時代の事実上の終わりと解釈されています. 2026年の レギュレーションでは、マシンはよりフラットで効果の小さいフロアと3エレメントのリアウィングへと移行し、下部ビームウィングは廃止されます.もちろんグラウンドエフェクトが完全になくなるわけではありません.フロアで失われるダウンフォースを、ディフューザー周辺の空力ソリューションによって取り戻す取り組みが続けられています.

まとめると:F1マシンはなぜ高速コーナリングができるのか?

答えは一言では済みませんが、一文には収まります.なぜならマシンは単に道路上にあるのではなく、道路を 踏みつけているからです.ウイングは前後で空気をコントロールし、車体下部のトンネルは数トンにも及ぶ圧力差を生み出します.この力はタイヤに伝わり、タイヤがあなたに任された仕事をこなすのです.1977年にロータスの風洞で始まったアイデア、1978年の優勝、1983年の禁止、2022年の華麗なる復帰、そして2026年の新たなバランスの探求.F1の技術史は実は常に同じ問いの答えを探してきたのです:いかにして路面により良く密着するか?次にF1レースでマシンがコーナーのど真ん中をまったく流されることなくグリップして走るのを見たとき、もうその下で何が起きているのかが分かります.そして、同じコーナーをまったく違う目で見ることができるはずです.

参考文献