コーナリング中の自動車がクルクルと回り出すことがあるのは？

質問

スピンのことです。

自動車競技をしているとスピンを経験することがあります。
速度がそれほど高くないときは、せいぜいちょっとクルマが横を向くことがあるくらいで、これは遠心力等によるものと、それほどの疑問は無かったのですが、サーキット走行など高速でコーナリング中のスピンは、本当にコマのように自動車が回転します。

運転している本人も、びっくりするほど急激な動きです。もう慣れましたけど^^;

自動車のように重いものを回転させるほどの、強い力が、どこで、どういう条件が重なったときに発生して、突然クルクルと回り出すのか？

その他に似た現象を考えると、フィギュアスケートのジャンプしながらのスピンも近い動きだと思います。
氷の上という外力の働きにくいところで、どういう工夫をして、高速回転をする力を生み出しているのか？

物理の難しい話を理解できるかわかりませんが、納得できる情報、ヒントなどありましたら教えてください^-^

回答No.6

Scull

（゜ペ；）ウーン。難しいですねえ。
と言うのも私も私の経験を物理の知識を使って言葉にしているだけですので・・・。

たぶん、御推測の通りだと思います。ただその「一定条件」を明示するのが難儀な事で。ちゃんと物理的な計測をしていれば「これで！」ってお知らせできるんですけどね。

ごめんなさい、これ以上はお助けできないようです。残念です。

お礼

丁寧な回答ありがとうございます。

何度も補足質問に対応していただき心から感謝します^-^

回答No.5

Scull

わざとスピンさせるには。
というご質問ですが、これには「摩擦係数」を理解する必要があります。

摩擦係数（面積あたりどれだけ摩擦抵抗を発生させられるか）には二種類あり、それぞれ「静止摩擦係数」と「動摩擦係数」があります。
静止摩擦係数は「お互い動かないものの間で、どれだけずらす方向に力が加わったら物が動き出すか」という摩擦力で、動摩擦係数は「こすれ合っているもの同士の間でどれだけ摩擦力が発生するか」です。

そして一般的に静止摩擦係数は「動摩擦係数より大きい」のです。どういうことかというと
1.物同士が滑る前
A（静止摩擦）＞＝B（滑らせようとする力）

2.滑り出した瞬間
A（静止摩擦）<=B（滑らせようとする力）

3.滑っている間
C（動摩擦）<=B（滑らせようとする力）

※A>Cなので一度滑り出した物体はなかなかとめられない。
ということになります。

これを踏まえますと、スピンをわざと起こすには
1.できるだけ高速で旋回する（タイヤの「静止摩擦」限界まで角運動量を大きくする）

2.後輪のグリップを失わせる（回転の半径を瞬間的に小さくする）
2-a.一瞬アクセルを戻すタック・イン
2-b.後輪だけ急に高回転させるパワードリフト
2-c.サイドブレーキをかけるブレーキドリフト

3.通常のドリフト走行では、姿勢を乱さぬようにほどほどのところで抑えますが、そのままし続ければ「スピン状態」に陥ると思います。

ポイントは「前輪グリップ、後輪スリップ」です。これが逆ですと後輪だけでは旋回力が得られないので「ドアンダー」でアウトに真っ直ぐということになります。両方スリップする「四輪ドリフト状態」も回転半径が短くならないのでスピンにはなりません。

以上、よろしいでしょうか？

補足

再びの回答ありがとうございます^-^

>通常のドリフト走行では、姿勢を乱さぬようにほどほどのところで抑えますが、そのままし続ければ「スピン状態」に陥ると思います。

↑ココが重要な点と思います。「ほどほどのところ」と、「スピン状態」は、まったく違う運動になると思います。
どこまでがほどほどで、どこまでが行きすぎかということがズバッと力学的に説明できないでしょうか…。
練習を続ければ、感覚的に「これ以上はスピンしそう」っていうのがわかるとは思いますが、それでもあいまいな感覚です（プロになれば、曖昧度は低いとは思いますが）。
このスピン状態になるのはどういうことが原因でしょうか？

タイヤのグリップも、条件としては頭に入れておかないといけないと思いますが、もっと、決定的な点があると思います。

わたしの推測では、四輪のグリップ状態と、遠心力の大きさ、車体重心の速度だけでなく、前輪で発生する抗力の大きさと向きが一定条件を満たすときに、カーブの半径を回転する運動から、前輪を軸とする回転運動に変わるのだと思うのですが…ちがうでしょうか？

はたまた、自動車から離れて、スケートでスピンするときはどのように行うのでしょうか？
おそらく、（勢いがつくように）鋭く体を捻るのではなく、左に曲がるのであれば、（勢いがつかないように）左へ左へと何かを追いかけるように小さく捻って行き、ある「釣り合い」の取れた瞬間にスピン運動になると思うのですが…。

タイヤのグリップの話は、力（ベクトル）が大きくなったり、小さくなったり、向きを変えたりする原因ですよね？
その原因により、力の向きや大きさがどうなったら？？
っていうことですが…

わたしの疑問が元々的外れなんでしょうか^^;;
何度も補足してスミマセン。

回答No.4

Scull

簡単に言えば「角運動量」が大きく関係しています。
角運動量は
1.支点と重心の距離
2.物体の質量
3.角速度（時間当たり回転角度）

が関わってきます。これらが「大きい値」であればあるほど角運動量も大きくなります。
また、「角運動量保存則」といって、別の形に変換されない限り、この角運動量が変化することはありません。

さて、自動車のコーナリングを見てみましょう。
この時、通常のコーナリング（ドリフト時も含む）では、支点はコーナーの中心（30Rならその30mのところ）にあります。
角速度はコーナーの中心から、時間当たりどれだけ角度が変わるか、ですね。

ここで、リアのグリップを失ってスピンしたとします。重要な点は「支点が変わる」ということです。

スピン中、リアが滑ってスピンしたとすると、回転の中心、つまり支点はフロントタイヤになります。車の質量が実際上ほとんど変わらないとしますと、「支点から重心までの距離」だけが極端に変わることがお分かりでしょう。それまで30mあった「距離」がほんの数mになってしまうのです。

距離が何分の１か何十分の１かになったことで、角運動量保存則が働きます。車の重さは変えようがありません。距離も変えられません。
変えられるのは「角速度」つまり、時間当たりどれだけ回転するか、です。

スピンした途端に「クルッ」っと回るのは「角運動量保存則が働くから」です。

フィギュアスケートの回転でも、「体を大きく広げてスピンに入り、コンパクトにまとめることで回転速度を上げます」ね。同じことです。直感的とはいえ、慧眼に恐れ入ります。

実験的には回転いすなどで確認することができます。回転いすでくるくる回りながら、腕を曲げ伸ばししてみてください。

補足

角運動量保存則！
よくわかりました！
スピンの急激な回転の謎が！
これはおそらく、回転運動から回転運動への変化だけではなく、直線運動から回転運動に変わる際にも当てはまる法則であると思います。要するに全体の運動量は変わらないということですよね。

推進力のほとんどがいきなり回転するためだけに使われるのですから、そりゃすごい勢いになりますよね。

でも、「スピンが起こった場合に」回転速度が速くなるわけはわかったものの、わたしのそもそもの質問である「スピンが起こる理由」がやはりわかりません。

逆に、わざとスピンをしようとしたら、どういう状況を作ればよいのでしょうか？

回答No.3

rabbit_cat

つまり，前輪だけに加重がかかって前輪だけはしっかりグリップして，後輪がそのまますべってるということでは．

補足

回答ありがとうございます^^

そうですね。前輪がグリップして、後輪が滑っているというのもいえると思います。
でも、それだけではないと思います。
サーキットを一周すると、派手なドリフトとかではなくても、リヤを滑らせながら走っている区間というのはちょこちょことあります。でも、クルクルっと回転するのとは全く違う感覚です。
そう、リヤが滑りながらもコーナリングをしているのと、それが行き過ぎて、スピンになってしまう境目がどこかってことなんですよね。わからないのは～

タイヤの角度とか、スピード、荷重のバランスがどうかこうかなったら、コーナリングではなくて、スピンになるっていうそのポイントを知りたいのです。

回答No.2

F_P_E

はじめまして。

＞自動車のように重いものを回転させるほどの、強い力が、どこで、どういう条件が重なったときに発生して

とありますが、自動車がスピンしているときには自動車をスピンさせようとする力は働いてはいません。もし働いているのならば、スピンはさら回転速度が増しし始め未来永劫その自動車はスピンし続けることになります（壊れない限り、転倒しない限り）。

さて、実際にはそのスピンは何もしていなくても収まっていくはずです。これはスピンしている間には車にはスピンを妨げようとする力（地面からの摩擦力）が常に働いているためです。

では、なぜスピンするのか。それには”運動量”というものが大切になってきます。運動量とは、直感的には物体の”勢い”だと思っていただけるとわかりやすいと思います。コーナーを曲がる以前までエンジンを働かせて、車はものすごい量の運動量を保持しています（運動量は摩擦力のために常に減る一方なのですがアクセルを踏むことで減少した分の運動量を供給しているのです）。その運動量をうまく制御して（つまりブレーキをかけたり、ハンドルをきったり・・・）、コーナリングなどを行っているわけです。

カーレーサーはコーナリングの際、この運動量（運動量が大きいことは速度が速い、運動量が０というのはつまりは停止です）をいかに落さずコーナーを曲がれるかを競っていらっしゃるといっても過言ではないと小生は考えます。言い換えれば、いかにスピードを落さずにコーナーを曲がれるか、です。レーサーは運動量の制御のテクニシャンで、常にその制御の極限と戦っていらっしゃるのでしょう。その極限をふっと超えてしまうと・・・コースアウトなのでしょうね。

注釈の多い、読みにくい文章で申し訳ないです。込み入った詳しい説明はできませんが、しかし、要は上で述べたことが物理学の言わんとするところです。質問者さんの質問で、

＞自動車のように重いものを回転させるほどの、強い力が、どこで、どういう条件が重なったときに発生して、突然クルクルと回り出すのか？

とありますが、まず、力は発生しないことは理解していただけたかと思います。しかし、どのような条件のもとでスピンが始まるのかという質問には答えられません、なぜなら様々な要因（たとえば、入射速度、車の大きさ、地面の状態・・・）を総合して判断しなければならないからです。

あと一つ。フィギュアでのスピンも車と同様で、ただ意図して自分の持っている運動量をスピンへと移行させているのです。ですので、

＞氷の上という外力の働きにくいところで、どういう工夫をして、高速回転をする力を生み出しているのか？

とありますが、さきほど同様スケータは力を生み出しているわけではないのです。もともと持っていた運動量という勢いのようなものをまっすぐ滑るために使うのではなく、一箇所に留まってスピンするために使っているのです。

また、スケータはスピンの回転を自由に多くしたり減らしたりしていますが、これは別に新たに力が加わって運動量を増やしたりしているわけではないのです。スピンの運動量、角運動量とかいったりしますが、角運動量が一定の場合、回転半径が大きいほど回転速度が小さくなり、回転半径が小さいほど回転速度が大きくなります。スピンしているスケータを見ていると、手を伸ばしているときはゆっくり（それでも十分我々からすれば速いですが。。。）とスピンしていますが、その手を身体にたたみ込めると同時に回転の速度が増しているのがわかるかと思います。

長くなりました。
質問者さんの質問の回答となっているのかと心配ですが、小生の知識の限りを尽くしたつもりでございます。

補足

ありがとうございます^^
知識の限りを尽くしていただいて、大変恐縮です^^;

まったく読みにくい文章ではありません！丁寧な注釈感謝します。
走っている勢いが、スピンの元であって、特別な力を加えているわけではないということですね？

それは、そうだろうなぁと思います。

わたしの「力」という言葉の使い方が悪いのやもしれませんが、新たなエネルギー量を加えられないとしても、運動が変化するためには必ず力が発生していると思います（？）。
感覚的には、ちょうどよくハンドルを切っていると普通にまがるだけですが、ある程度高い速度のときにハンドルを切りすぎるとスピンが始まってしまいます。そこのところのもうちょっと細かい現象の分析をと思うのですが…。
ハンドルを切ることで、推進力の一部が横向きの力になるわけですよね。そこから単純な直線運動から、公転しながら自転もする複雑な回転運動がはじまるのだと思います。力の発生というのは、中学校あたりでならった力の分力で捉えているのですが違うでしょうか？

>どのような条件のもとでスピンが始まるのかという質問には答えられません

そこをなんとか＞＜

質問を変えると、「スピンをしないように運転するにはどういったことを気をつければよいか。それはなぜか？」っていうことなのですが、こういう観点からはどうでしょうか？

回答No.1

ymdmshr

スピンさせる時の横方向の力は遠心力です。
スピンする時は、タイヤの横方向のグリップ力を遠心力が超えた時にスピンします。
簡単に説明するとこんな感じです。
タイヤのグリップ力というのは簡単に言うと
　1.加減速時の縦方向
　2.コーナリング中の横方向
の2種類があります。(荷重移動は考えないとします。)
たとえばF1等でコーナーでのブレーキングが遅れて曲がらない場面があります。コレは、縦方向にグリップ力を100%使っているため横方向へのグリップ力がないためです。
ですのでスピンする例として、横Gがかかっている時に加速すると
グリップ力を横方向に100%使用していたものが何%か縦方向に使われてしまします。
このとき横Gがグリップ力を超えてしまうとスピンします。
こんな内容でご理解していただけますか？

補足

回答ありがとうございます^^

スピンの前提条件に、グリップの限界を超えてタイヤが滑っている状態であるというのは、間違いなくあると思います。
でも、それだけですべて説明できるでしょうか？

派手なドリフト走行は、明らかに後輪のグリップを失った状態ですが、スピンではありませんよね。

例えば、後輪駆動車の場合、止まっている状態（もしくはごく低速の状態）から急にアクセルを踏んでホイルスピンさせると、前輪は勝手には進みませんから、後輪が滑ってばかりで前輪を軸にその場でクルクルと回るというのは可能と思います。
でも、クルマ全体が進行方向に高速で動いているときは、単純にタイヤのグリップが減っても必ず回転運動がはじまるとは限らないと思うのですよ。進行方向に対して横向きに力が加われば、力の合力によって、クルマのコーナリングがはじまるだけですよね？
そのときに、タイヤのグリップが低くても、単にオーバステアかアンダーステアになるだけではないでしょうか。

ご説明の現象のほかに、もうひとつかふたつ条件があるのではないでしょうか。

おそらく前輪が軸となる条件というのが分析できるのではないかと想像しているのですが…？