地面効果（自動車）

自動車の設計において、グラウンド エフェクトとは、特にレーシング カーにおいてダウンフォースを生み出すために自動車の空力で利用されてきた一連の効果です。これは、流線型化に重点を置いた以前の主流の空力の後継です。国際的なフォーミュラ 1シリーズやアメリカのレースであるインディカーでは、エンジニアリングと設計にグラウンド エフェクトが採用されています。同様に、グラウンド エフェクトは他のレース シリーズでもある程度採用されていますが、ヨーロッパでは多くのシリーズで安全上の理由からグラウンド エフェクトの効果を制限する規制 (または全面禁止) が採用されています。

レーシングカーでは、設計者の目標はダウンフォースとグリップを高めてコーナリング速度を上げることです。地面を空気力学システムの一部と見なすことで、かなりのダウンフォースが得られます。そのため、「地面効果」と呼ばれています。1960 年代半ばから、ダウンフォース (地面効果の一種ではありません) を高めるために、レーシングカーの設計に「ウィング」が頻繁に使用されるようになりました。設計者は、ウィングを使用する場合よりも少ない抗力でダウンフォースを高めるために、車両の周囲、ボディ スカート、および下側の空気の流れを理解することに注力するようになりました。

この種の地面効果は、風の強い日に防水シートを地面に近づけて持てば簡単に説明できます。地面に十分近づけると、防水シートが地面に向かって引き寄せられるのがわかります。これはベルヌーイの原理によるもので、防水シートが地面に近づくにつれて、防水シートと地面の間を通過する空気の断面積が小さくなります。これにより空気が加速し、その結果防水シートの下の圧力が低下しますが、上の圧力は影響を受けません。これらが合わさって、下向きの力が生じます。同じ原理が車にも当てはまります。

ベルヌーイの定理は、地面効果ダウンフォースを生成するための唯一の力学的な側面ではありません。地面効果のパフォーマンスの大部分は、粘性を利用することから生まれます。上記の防水シートの例では、防水シートも地面も動いていません。2つの表面間の境界層は、それらの間の空気を減速させるように機能し、ベルヌーイ効果を軽減します。車が地面の上を移動すると、地面の境界層が役立ちます。車の基準フレームでは、地面はある速度で後方に移動しています。地面が動くと、その上の空気が引っ張られ、より速く動きます。^{[疑わしい–議論する]これによりベルヌーイ効果が強化され、ダウンフォースが増加します。これは}クエット流れの例です。

このようなダウンフォースを生成する空力技術は、しばしば「地面効果」という包括的な用語で呼ばれますが、厳密に言えば、非常に低い高度の航空機に見られる地面効果と同じ空力現象の結果ではありません。

アメリカ人ジム・ホールは、地面効果の原理に基づいてシャパラル車を開発、製造し、その先駆者となった。1961年の彼の車は、下面を形作る方法を採用しようとしたが、車には他の空力上の問題が多すぎて、適切に機能しなかった。1966年の彼の車は、ダウンフォースのために劇的に高いウィングを使用した。1970年の彼のシャパラル2J 「サッカーカー」は革命的だった。専用の2ストロークエンジンで駆動する2つのファンが車体後部に付いていた。また、車と地面の間に最小限の隙間を残す「スカート」も付いていて、空洞を大気から遮断した。レースで優勝することはなかったが、一部の競技者がその禁止を求めてロビー活動を行い、その年の終わりに施行された。可動式の空力装置は、スポーツのほとんどの分野で禁止されていた。^[1]

1968年、アルゼンチンのデザイナー兼エンジニアであるヘリベルト・プロネッロは、スポーツ・プロトティーポ・アルヘンティーノ・カテゴリー向けにプロネッロ・ウアイラ・フォードを開発し、^[2] 1969年シーズンにカルロス・ロイテマンとカルロス・パスクアリーニをドライバーとしてコルドバで初登場した。

1968年には1/5スケールのモデルが製作され、アルゼンチン空軍が通常使用するFMA（Fábrica Militar de Aviones）の風洞でテストされ、そのスケールでの地面効果の機能性が実証されました。 2023年、プロネロ ウアイラ シャーシ#002はグッドウッド フェスティバル オブ スピードに招待されました。イギリス滞在中、この車はケイツビー トンネルに運ばれ、アルゼンチンのエンジニアで教授のセルジオ リンランドによって完全な空力分析が行われました。

「我々は常に地面効果があると考えていました...ヘリベルトがコルドバ国立大学でテストしたとき、彼はドアやボンネットの開口部がなく、吸気口のタレットもない完璧な1/5スケールのモデルで空気抵抗を検証しました...」とリンランドは語った。^[3]

「ケイツビートンネルで行ったテストでは、その優れた空力効率が実証されました。ショートテールでCx 0.25、ロングテールでCx 0.23という結果が出ました。これは最速サーキットで使用されました。ほぼ、当時ヘリベルトが計測したものとほぼ同じです。」^[4]

「この車は、当時としては滑りやすい上部形状とフラットな床面、そしてディフューザーを備えており、非常に優れた性能を発揮していました。ディフューザーの膨張率は、ディフューザーから得られる最大のダウンフォースに驚くほど近いものです。車は圧力テープを貼った状態でトンネルに停車し、車体の周囲の圧力分布を観察することで、設計者の予想通りに機能していることを完全に確認しました」とウィレム・トートは説明しました。これらのテストは、高速サーキットで使用される「ロングテール」の有無で実施され、車両は動作温度で自力で推進され、一貫性と再現性のある結果が得られました。^{[5] [6]}

フォーミュラワンは、レーシングカーにおけるグラウンドエフェクトの次の舞台となった。いくつかのフォーミュラワンの設計は、最終的にロータスによって実装されるグラウンドエフェクトソリューションに近づいた。1968年と1969年に、ブリティッシュレーシングモーターズ（BRM）のトニーラッドとピーターライトは、前輪と後輪の間の乱気流を一掃するために、長い空力セクションのサイドパニアをトラックと風洞で実験した。両者ともすぐにチームを去り、このアイデアはそれ以上進められなかった。マーチエンジニアリングのロビンハードは、ライトからの提案を受けて、1970年のマーチフォーミュラワンカーで同様のコンセプトを採用した。どちらの車でも、サイドポッドは地面から離れすぎていて、大きなグラウンドエフェクトを生成することができず、翼セクションの下のスペースを地面に密閉するというアイデアはまだ開発されていなかった。^[1]

ほぼ同じ頃、ショーン・バックリーは1969年にカリフォルニア大学バークレー校で、 F1ロータスの創設者であるコリン・チャップマンの後援を受けて、車体下部の空力に関する研究を始めた。バックリーは以前に、インディカーで使用された最初のハイウィング、 1966年インディアナポリス500のジェリー・アイザートの「バットカー」を設計していた。車体下部を適切に形作ることによって、その部分の空気速度を上げて圧力を下げ、車をトラックに引き下げることが可能になった。彼のテスト車両には、車体下部にベンチュリーのようなチャネルがあり、柔軟なサイドスカートで密閉されており、チャネルと車体上部の空力特性を分離していた。彼は、車体下部のチャネルでの流れの剥離が、境界層吸引力と車体下部表面の発散パラメータによってどのように影響を受けるかを調査した。^{[7] [8] [9]その後、バックリーは}MITの機械工学教授として、ロータスと協力してロータス78の開発に携わった。

別のアプローチとして、ブラバムのデザイナー、ゴードン・マレーは1974年にブラバムBT44のフロントにエアダムを使用し、車両の下を流れる空気を排除しました。これが車両のピッチング運動で摩耗する傾向があることに気づいた彼は、エアダムをさらに後方に配置しました。すると、車両の下に小さな負圧領域が形成され、約70kg（150ポンド）のダウンフォースが生成されることを発見しました。マクラーレンはマクラーレンM23の設計に同様のアンダーボディの詳細を製造しました。^[1]

1977年、当時ロータスに所属していたラッドとライトは、ロータスのオーナー兼デザイナーのコリン・チャップマンの構想に基づき、ロータス78 「ウイングカー」を開発した。前輪と後輪の間にあるかさばる構造のサイドポッドは、逆さの翼のような形をしており、柔軟な「スカート」で地面と密閉されていた。サイドポッドに埋め込まれたラジエーターの設計は、部分的にデ・ハビランド・モスキート機のものをベースとしていた。^[10]チームはその年5つのレースで優勝し、1978年には大幅に改良されたロータス79を開発しながら2つのレースで優勝した。1978年の最も注目された候補は、ゴードン・マレーが設計したブラバム-アルファロメオBT46Bファンカーだった。車体後部の水平縦軸上で回転するファンは、メインギアボックスから動力を得た。この車はファンの主な目的はエンジン冷却であり、車体下のくぼみを作るために使われる気流は50%以下であると主張して、スポーツでの禁止を免れた。この車は一度だけレースに出場し、1978年のスウェーデングランプリでニキ・ラウダが優勝した。この車の優位性は、路面がオイルまみれになった後に証明された。他の車が減速せざるを得なかった一方で、ラウダはエンジン回転数とともに増大する途方もないダウンフォースのおかげでオイルの上でも加速することができた。^[11]また、エンジンが停止状態で回転数を上げられると、車が沈み込むのが観察された。^[12]ブラバムのオーナーで、最近F1コンストラクターズ協会の会長に就任したバーニー・エクレストンは、3レース後にこの車を撤退させることで他のチームと合意に達した。しかし、 F1や他の多くのモータースポーツシリーズを統括する国際自動車連盟（FIA）は、ほぼ即時に「ファンカー」を禁止することを決定した。^[13]一方、ロータス79は6つのレースで優勝し、マリオ・アンドレッティに世界選手権をもたらし、チームメイトのロニー・ピーターソンに死後2位をもたらし、この車がいかに有利であったかを証明した。その後数年間、他のチームがロータスを模倣して改良したが、コーナリング速度が危険なほど高くなり、 1982年にはいくつかの重大な事故が発生した。1983年にはフラットアンダーが義務付けられた。^[14] 高速でコーナリングするために地面効果に頼る危険性の 1 つは、この力が突然なくなる可能性があることです。車の下側が地面に接触すると、流れが過度に狭まり、地面効果がほぼ完全に失われます。ドライバーがコース上にとどまるためにこの力に頼っているコーナーでこれが発生すると、地面効果が突然なくなるため、車は突然ほとんどのトラクションを失い、コースから滑り出す可能性があります。

40年間の禁止期間を経て、グラウンドエフェクトは最新の規則変更により2022年にF1に復活した。

この効果は、インディカーの設計において最も効果的な形で使用されました。インディカーは、F1ほどグラウンド エフェクトを積極的に使用していませんでした。たとえば、車の下部を密閉するためのスカートを使用していませんでした。また、インディカーはグラウンド エフェクトの F1 マシンよりも高い位置で走行し、大きなダウンフォースを得るために翼にも頼り、車体上部のダウンフォースとグラウンド エフェクトの間で効果的なバランスを生み出しました。

「ポーポイジング」とは、グラウンド エフェクト レーシング カーで発生する特定の欠陥を説明するためによく使用される用語です。レーシング カーが車体を使ってダウンフォースを生成するようになってからまだ 10 年余りしか経っていません。コリン チャップマンのロータス 78と79 の車がグラウンド エフェクトが F1 の未来であることを実証した頃です。そのため、この時点では車体の下の空力についてはまだほとんど理解されていませんでした。この問題をさらに悪化させたのは、グラウンド エフェクトの追求に熱心なチームは、資金の少ない英国の「ガレージスタ」チームである傾向があり、風洞試験に費やすお金がほとんどなく、単に先頭を走るロータス (カウセン チームやメルザリオチームを含む) を真似する傾向があったことです。^{[引用が必要]}

その結果、細かい部分に関する深い知識と同じくらい勘で設計された世代の車が生まれ、ピッチングに極めて敏感になった。サイドポッドの翼の圧力中心が車の速度、姿勢、最低地上高に応じて動くため、これらの力が車のサスペンションシステムと相互作用し、特に低速時に車が共振し始め、前後に揺れ、時には非常に激しく揺れた。ドライバーの中には船酔いを訴える者もいた。^[要出典]この揺れる動きは、高速で泳ぐイルカが海に飛び込んだり飛び出したりするのに似ていることから、この現象に名前が付けられている。これらの特徴と岩のように硬いサスペンションが組み合わさり、車は非常に不快な乗り心地となった。グラウンドエフェクトは1980年代初頭から2022年までF1でほぼ禁止されていたが、グループCのスポーツカーやその他のレーシングカーは、グラウンドエフェクトに関する知識が深まったことで設計者が問題を最小限に抑えられるようになるまで、ポーポイズニングに悩まされ続けた。^[15] 2022年F1世界選手権に先立ってバルセロナで行われた最初のプレシーズンテストで、ジョージ・ラッセルは極端なポルポイズングが安全上の問題につながる可能性があると述べ、後に2022年エミリア・ロマーニャグランプリ中に極端なポルポイズングのために胸痛に苦しんでいたと述べた。2022年アゼルバイジャングランプリでは、ルイス・ハミルトンが激しいポルポイズングのためにレース後に車から出るのにも苦労した。^{[16] [17]}

• 自動車の空気力学
• フォーミュラワンカー
• 航空機における地面効果
• 地面効果列車
• ベンチュリー効果

• ヘンリー、アラン（1985）「ブラバム、グランプリカー」、オスプレイ、ISBN 0-905138-36-8
• ナイ、ダグ（1985）、オートコースグランプリカーの歴史1966-1985、ヘイズルトン出版、ISBN 0-905138-37-6

• Photoessayist.com: チャパラル 2J
• VintageRPM: シャパラルの歴史 2014-12-26 にWayback Machineでアーカイブ
• 8W: ブラバム-アルファ BT46B「ファンカー」
• デニス・デイビッド: ロータス 79 2011-06-05ウェイバックマシンにアーカイブ