10周年のSPコンテンツ!

続・車やバイクはなぜ曲がるのか(コーナリングパワーと揚力係数まで)

前回の続きです。 円錐を転がすときも,キャンバースラストがはたらいているのは意外かも。単に「摩擦力で」と片付けられてしまいがちですが,一応こういう原理で曲がります。
物理 キャンバー 二輪車 自動車 車両工学 揚力 力学 コーナリング バイク 自転車
14

このまとめのコメント欄の続きです

トゥギャッターまとめ編集部 @tg_editor
N輪車の安定性のまとめの続編、今回は車とバイクの曲がる際の原理の違いをわかりやすく解説です。 「車やバイクはなぜ曲がるのか(コーナリングフォースとキャンバースラスト)」togetter.com/li/1115591 @Polyhedrondiaryさんから #トゥギャトピ
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
四輪車と二輪車のコーナリングの原理についてまとめました。 アンダーステア・オーバーステアといった動的な特性以前の,単なる定常円旋回の話に留まってますが,知らずに乗ってる人も多いはず。 なお私自身は昔ゼファーχ乗り,その後ママチャリ&ミニバン乗りですが,以前はまったく知らなかった…
Masami @mi3003
「ほらー、ライダーは曲がる方向見てるじゃーん」と思う私は未だに "バンク" がよくわかってないんだろうなぁ… (´-`).。oO(行きたい方向を見ると曲がるんよ… #miR25 twitter.com/polyhedrondiar…

硬い車輪も僅かに変形して,コーナリングフォースやキャンバースラストを発揮します。
硬い円錐を硬い地面に転がすときも。

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
実は鉄輪のような「硬くて変形しない」と思われる車輪でも細かく見ると(弾性)変形してるので,コーナリングフォースもキャンバースラストも発生するんです 直感には反するけど,「剛性が高い」ということは,「ばね定数が大きい」ということと等価なので,僅かの変形でも大きな応力がはたらきます
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
円錐を転がす場合もキャンバースラストが出ています。 接地面が(進行方向に)幅のない線ということはできないので,円弧を描くべき円錐側面の接地点が内側に歪められています
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
転がした円錐が曲がる件,「内周外周の速度差で曲がる」といっても,それだと「モーメント(偶力)」しか発生しなくて,ヨーレートがつくだけで重心の位置は変わりません。横向きの「力」を発生させてカーブするには,キャンバースラストが必要なんです。

(↑「重心の横向きの位置は変わりません」ですね。進行方向にはもちろん進行してるので…)

非操舵輪もコーナリングフォースを発揮してます。

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
操舵できない後輪は駆動や制動で横力を発揮できないので,滑り角による変形が必要です。実際は四輪全てに滑り角がついてます。 軌道上を走る車両はカントの影響..「車やバイクはなぜ曲がるのか(コーナリングフォースとキャンバースラスト)」togetter.com/li/1115591#c37…
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
(地面を走る)車両のコーナリングで重要なのは,操舵する前輪だけでなく,後輪にも滑り角(二輪ならキャンバー角)がついて,全てのタイヤに内向きの力(求心力)がかかっているということ。 twitter.com/Polyhedrondiar…
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
もし前輪しか横向きの力を受けないなら,車体は遠心力でお尻を外に振られて大変なことになる。 この図だと前輪だけにコーナリングフォースがかかってるようにも見えるけど,後輪にもかかってる。 twitter.com/Polyhedrondiar…
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
四輪車は,四輪にかかる力の,重心回りのモーメントが打ち消し合うことで,定常円旋回を実現している。 Handling 102, part 2 - Cornering and Tire Patch. ffcars.com/FAQ/handling10… pic.twitter.com/JUzuSQrdqF
拡大
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
FF車では操舵も駆動も前輪だけど,だからといって後輪がただの飾りってわけでは(もちろん)なくて,コーナリングにおいて重要な役割を担ってる。 後輪を巨大なボールベアリングにすり替えたFF車がカーブでどんな挙動をとるか,想像してみるとしっくり来るかも。

揚力とコーナリングフォース

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
タイヤにかかるコーナリングフォースって,飛行機の翼にかかる揚力に似ている。 つまり,迎角(気流と翼のなす角)が滑り角(進行方向とタイヤのなす角)に対応してて,揚力がコーナリングフォースに対応してる。 twitter.com/Polyhedrondiar…
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
ふつう翼形は,迎角がゼロでもプラスの揚力を生むよう設計されてるけど,上下対称な翼形もあって(垂直尾翼とか),その場合「迎角ゼロなら揚力ゼロ」で,タイヤの「滑り角ゼロならコーナリングフォースゼロ」と対応 Angle of Attack aviationchief.com/angle-of-attac… pic.twitter.com/sqAZsTWyuq
拡大
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
揚力とコーナリングフォースのアナロジー, も少し専門的にも,(翼でなく)気流に対して垂直な成分を揚力と言うことと,(タイヤでなく)進行方向に対して垂直な成分をコーナリングフォースと言うことが綺麗に対応してるの面白い。

揚力係数とコーナリングパワー

{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
さらに,揚力もコーナリングフォースも,角度が小さい範囲では線型近似が成り立って,力の大きさが迎角や滑り角に比例するとして解析する点が同じ。 その比例定数を「揚力係数」,「コーナリングパワー」といって,それぞれ翼形や気流の条件,タイヤ特性や路面状況との関連が詳しく調べられている。
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
ちなみに,変化が小さい範囲で線型近似が成り立つのは,ごくごく一般的な現象。 キャンバースラストも,キャンバー角が小さければそれに比例する。比例定数を「キャンバースラスト係数」といって,これもコーナリングパワー同様,タイヤの空気圧や温度や材質や形状,荷重によって影響を受ける。
{3,5/2} 大二十面体 @Polyhedrondiary
望ましい飛行のために翼形がいろいろ工夫されているのと同様に,望ましい走行のためにタイヤも日夜研究されているんだよね。 こういう,一見異なる対象なのに,原理の深いところでつながっている,その本質には似通った点がある,ていう話,大好きだ。

コメント

nekosencho @Neko_Sencho 2017年6月1日
最近の車だと左右のブレーキの効き具合を変えてみたりとか、後輪も舵角とってたりとか、けっこういろいろやってるよね
ログインして広告を非表示にする
ログインして広告を非表示にする