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知ってるようで意外と知らない空気抵抗の正体

9ea90033.jpg


【目次】


 1.はじめに
 2.空気抵抗の正体
 3.恐るべきカルマン渦
 4.翼断面のエアロ効果
 5.カムテールのエアロ効果
 6.ワイドリムのエアロ効果
 7.ヴォルテックスジェネレーターのエアロ効果
 8.アルミテープは効果あり?
 9.まとめ







1.はじめに




この記事を書こうと思ったきっかけは、某十三峠十三分切りというサイクリスト向けの情報提供ブログです。
当ブログ『琴葉サイクルマガジン』もこの某十三峠ブログと同じく、海外記事を切り貼りして記事を作っているので、同じロードバイクブログ界の先輩としてちょいちょい見させて頂いてました。


しかし空気抵抗に関しての記事に、ちょっと気になる内容見かけたので、抜粋したいと思います。


十三峠
十三峠十三分切り「空力性能を高める」として物言いがついたボルテックスジェネレーターとは?http://morimotty.com/vortex-generators/より




このブログでは「空気抵抗は物体を後ろに引っ張る力」として紹介されていますが、しかしそれではカムテール形状ののエアロ効果に説明がつきません。この図に当てはめるなら、むしろ空気抵抗は増加することになります。

しかも解説にちょっと無理があったのか、肝心のヴォルテックスジェネレータの解説に関しては『流線型に近づくイメージ』と無理矢理それっぽい線を引いた挙句、何の根拠もなく「ヴォルテックスジェネレータは流線型に近い空気の流れを作る(キリッ」と断言してます。


これはとても無責任な手法で、かの悪名高い『はちま』や『刃』のやり口と何も変わりません。


そこで当ブログでは細かい論証を積み立てて、空気抵抗の正体、またそれに対するエアロ効果の優位性について解説していきたいと思います。ちょっと長い記事になりますが、どうか最後までお付き合いください。











2.空気抵抗の正体




それはズバリ、空気の反発力です。

例えばあなたが野球ボールを投げたとします、

飛んでいるボールは、当たり前ですが、空気をかき分けながら進みます。その時素直に空気が動いてくれればいいのですが、空気は慣性の法則『止まっている物体は止まり続ける』によりその場に留まろうとします。

この空気を掻き分けようとするボールと、その場に留まりたい空気のせめぎ合いが、空気抵抗の正体です。



空気を押しのけるボールのイラスト
空気を押しのけるイラスト





そしてよく誤解されやすいのですが、その時後ろに発生する負圧は抵抗になりません。ボールが空気より軽い場合は別ですが、負圧によって引き寄せられるのはボールではなくて空気です。

そしてそれが一番厄介な現象を引き起こすのですが、その解説については次の項目で扱いたいと思います。









3.恐るべきカルマン渦




前項で『後ろに発生する負圧が空気抵抗にならない』と聞いて、違和感を覚えた人も多いと思います。

「なら何故エアロ形状は後ろに伸びているのか」

その言い分はもっともだと思いますが、ここで、この記事の最初に貼った画像をもう一度どうぞ。



9ea90033.jpg



この画像は風洞実験の乱流を上から見て、分かりやすく色付けしたものです。
左から風が吹いていて、白いのがチューブですが、下の赤い乱流がチューブに向かって引っ張られているのがわかります。

これが負圧の影響です。そしてその動きはチューブの後ろにカルマン渦と呼ばれる空気の渦を作ります。後ろに連なっている緑の渦がそうですね。




そして恐ろしいことにカルマン渦はチューブの空気抵抗を増やします。
これは渦を巻いた空気が周りの空気から分断され、1つの塊として空気抵抗を受けること、そしてそれぞれのカルマン渦が繋がっていることが大きな原因です。

カルマン渦がチューブに抵抗を伝える仕組みは、油圧ブレーキを例としてみれば分かりやすいでしょうか。

ブレーキフルードも空気と同じ流体、レバーとキャリパーは直接繋がってはいませんが、しっかりとキャリパーに力を伝えます。カルマン渦の場合でも周囲の空気が油圧ホースの役割を果たし、同様の効果が生まれています。




なので真円チューブはそれ自体が大きい空気抵抗を持つだけでなく、空力的には後ろに何本もの同じチューブが連なっている状態と捉えられます。それがどれだけの空力的にどれだけ大きな悪影響を与えるかは想像がつきません。

1説に真円チューブは、完全な翼断面の35倍の空気抵抗を持つと言われています。








4.翼断面のエアロ効果



house037001.gif

カルマン渦の一番効果的な対策はチューブの翼断面化です。カルマン渦は乱流から生じるので、チューブ後端の乱流が減れば、カルマン渦は自然と小さくなります。



そのため初期のエアロロードでは翼断面が積極的に取り入れられ、今でもLOOK、スペシャライズド、サーヴェロなど幾つかのメーカーがエアロ形状として採用しています。

しかし、現在では翼断面を取り入れるメーカーは少なく、すっかり少数派となってしまいました。それは一体何故でしょうか?

答えは次の項で述べたいと思います。









5.カムテール形状のエアロ効果



カムテール

翼断面の衰退にはカムテール形状が深く関係します。カムテール形状とは、翼断面の後ろ側をバッサリ切り捨てた、円に近いエアロ形状で、断面としては前向きの△に似た形なります。

「翼断面の方がエアロじゃないか」と思ったそこのあなた、正解です
この形状にはカルマン渦を減少させる効果はありません。




しかし同時に不正解です。
何故なら、この形状はカルマン渦をチューブから遠ざける効果を持つからです。

カムテールの大きな前面は翼断面より多くの空気を整流します。整流された空気には、後ろ向きの慣性が働くので、チューブ後端の負圧を受けてもすぐに引っ張られず、カルマン渦はチューブから離れた場所で発生します。




第3項『恐るべきカルマン渦』では、チューブとカルマン渦は流体的に繋がっていると述べました。しかしその繋がりは油圧ホースほど強固では無いので、距離とともに弱まります。

つまりカムテール形状は円断面に近い形状を持ちながら、翼断面と変わらないエアロ効果をもたらすことの出来る、画期的なエアロ形状と言えます。



カルマン渦そのものに作用する翼断面と違って、低速域ではエアロ効果が薄くなるというデメリットが有りますが、平均時速40キロを軽く超えるプロの世界でそれは些細な問題でしょう。









6.ワイドリムのエアロ効果



ワイドリム


空力ソリューションの1つとしてワイドリムが最近の流行です。
ZIPPは以前からワイドなリムを作り続けていましたが、時代がようやくそれに追いつきました。



形状は翼断面に近いですが、原理としてはカムテールに近いものがあります。
そう、カルマン渦を遠ざける効果です。


タイヤから張り出したワイドリムは、細いリムよりも多くの空気と接触します。この時いくらか余分な空気抵抗が生じますが、それは同時に更なる空気の整流を意味します。これによりスポークの空気抵抗が大きく減少し、トータルでは空気抵抗の削減効果が生まれるのです。







7.ヴォルテックスジェネレータのエアロ効果



ヴォルテックスジェネレータ3



これまでに挙げたエアロ形状はカルマン渦をより小さく、より遠ざけることに主眼が置かれていました。特にカムテールは自転車にこれ以上無く適したエアロ形状です。

しかし、そんなカムテールも万能ではありません。空気の慣性を利用するため、低速域ではエアロ効果が生まれにくいという大きな欠点もありました。



そこであえてカルマン渦を利用し、低速域でもカムテールと同じ働きをする画期的なエアロ形状がヴォルテックスジェネレータです。

これはチューブに凹凸を設けることで小さなカルマン渦を発生させ、それがチューブ後端の空気を外側に押し広げることで、カルマン渦を遠ざける仕組みになっています。



ですがこのエアロ形状もまた万能ではありません。ヴォルテックスジェネレータの大きな欠点として、設計が非常に難しいことが挙げられます。特にロードバイクの速度域では僅か1mmの差でエアロ効果に大きな違いが出るため、多くのメーカーが導入に踏み切れていません。これをホイールで最初に実用化したZIPPの空力エンジニアはさぞかし優秀と言えるでしょう。








8.アルミテープは効果あり?


アルミテープ
http://www.automesseweb.jp/2016/09/24/10977


静電気が空気抵抗と大きな関わりがあることは確かですが、あなたのロードバイクは時速何キロで走りますか?

一般公道を走って警察に捕まらないなら、この工夫によるエアロ効果は体感できないレベルで小さいでしょう。









9.まとめ




ここまでいかがだったでしょうか、お役に立てましたか?
この記事が空気抵抗の正体とエアロ効果の啓蒙の1つになれば幸いですが、最後に1つ述べたいことがあります。



それはエアロが、どこまで進化しても部分最適でしか無いことです。

これは分かりやすく言うと、汎用性がなく、想定された状況じゃないと効果を発揮しないという意味です。
実際、翼断面ロードは横風が吹くと空気抵抗が大きくなり、カムテールは時速30キロ程度では効果がほとんどありません。ヴォルテックスジェネレータはそれらの欠点を解消したもののエアロ効果自体は他より劣ります



このように1長1短がエアロの宿命ですが、ロードバイクの他の要素はそうではありません。
例えば軽さは平地でも加速の向上に働きますし、快適性は登りだろうが平地だろうが向かい風でも働きます。


そう考えた時、高価で重量のあるエアロコンポーネントはどれだけの効果を生み出すでしょうか?

またロードバイクにおける平地の速さはエアロ効果以上に、力を無駄なく使えているかが重要になってきます。エアロハンドルバーを買う代わりに一度プロのフィッティングを受けてみたほうが、結果として同じ料金でもより速く走れるかもしれません。


【おわり】












ながぁ~い!! 三行でまとめろや!
割とおこなお姉ちゃんの顔、琴葉茜






徹夜原稿で力尽きた管理人の遺書によると
カルマン渦ヤバイ
ヴォルテックスジェネレータパない
エアロは気にしたら負け
だってさ。


あと、ここまで読んでいただきありがとうございました。
管理人に変わって姉よりかわいい葵ちゃんがお礼申し上げます。
よかったら、はてブとか、はてブとか、はてブとか、この下にボタン置いてるので押してみて欲しいかな
基本7




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