車が天井を走るとしたら……

質問

ある記事で、F1マシンは非常に軽量で、大きなダウンフォースで車体を地面に張り付けて走っているので、一定速度を超えてからは、ダウンフォースの力が車重を上回るため、理論上は天井を走っていくことも可能であるとのことが書いてありました。

そこで思ったのですが、たとえば、出力が１０００馬力で車重が１０００キロの車があったとします。
その車が時速Xkm/hで走っているときに１５００キロのダウンフォースがかかっているとしたら、その際には、車の重さと合わせて、下向きに合計２５００キロの力がかかっていることになるのだと思います。

この場合もダウンフォースが車重を大きく上回っているので、先ほどのF1マシンの例と同じで、理論上天井を走っていけることになると思います。では、実際にこの車がダウンフォースの力を借りて天井を同じ時速Xkm/hで走ったとしたら、車重が下向きに１０００キロかかっていても、このケースだとダウンフォースによって天井(上向き)に１５００キロの力で押さえつけられる形になるので、天井に対して車からは５００キロの力がかかっていることになりますよね。

１０００馬力で重さ１０００キロなら、パワーウエイトレシオはちょうど１ということになりますが、もしこんなシチュエーションを現実に再現するとしたら、パワーウエイトレシオは０・５ということになるのでしょうか？（速度によってダウンフォースは変わりますが、いずれにしてもこの原理によって天井には車重が掛からない分、普通に地面を同じ速度で走った場合と比べてパワーウエイトレシオが小さくなるということになりますか？)

また、その状態で速度を下げていくことで、発生するダウンフォースも１５００キロから、１４００キロ、１３００キロ、１２００キロ・・・と小さくしていくと、車はどのくらいの発生量までなら天井に張り付いていられるのでしょうか。

現実にはまずあり得ない状況なので、非常にイメージしづらい上に妙な質問で申し訳ありませんが、実際のところ、数学的・物理学的に計算してみるとどうなのか気になって質問してみました。どなたか詳しい方、わかるようでしたら解答、解説をよろしくお願いいたします。
長文ですみません。

回答No.2

tance · ベストアンサー

ANo.1の方の回答のとおりです。

パワー/ウエイト　レシオは加速などの目安ですから重力ではなく
質量が問題です。質量はダウンフォースで変わるものではありません。

タイヤの駆動力やブレーキ力はタイヤと地面との摩擦にかかっています。
タイヤと地面の間に働く力に摩擦係数を掛けると駆動力やブレーキ力が
求まります。

特殊な状況を除き、摩擦係数は１以下です。
つまり、駆動力は車の重さ以上には発生しないことになります。
100000馬力のエンジンを積んでいても自重1000kgの車には1000kgを
越える駆動力は発生しません。

一方、加速度は駆動力を質量で割ったモノです。
その駆動力が自重以下だということは、加速度の上限は１ということになります。

これを打開したのがダウンフォースです。
タイヤと地面の間に働く力を自重以上にできれば、駆動力も自重以上に
なるので、加速も減速も自重の縛りを越えられる、というわけです。

タイヤと地面の間に働く力は自重を重くすれば大きくなりますが、それでは
加速度は変わりません。自重（質量）で割るわけですから。
そのために重力（質量）に頼らない下向きの力が必要となり、羽が登場するのです。

（重力と質量を厳密に使い分けていない説明になっていますが、
結果に違いはありません。気になるなら重力加速度を加味して
読み直してください）

実際、スピンをして車の進行方向と車の前後が逆になる瞬間は
ダウンフォースが揚力に変わり、車が浮き上がる現象があります。
少し浮くくらいではなく、完全に空中に飛び上がってしまい、
観客席に飛び込む事故も実際にありました。

お礼

どうもありがとうございます。遅くなってすみません。
ではダウンフォースと質量は直接関係ないわけですね。説明を読んで、ダウンフォースの果たす役割の重要さを改めて感じました。

回答No.1

中村 拓男（@tknakamuri）

>パワーウエイトレシオが小さくなるということになりますか

パワーウェイトレシオは　質量/馬力です。重量/馬力
ではありません。質量はダウンフォースとは無関係に
1000Kg です。

また、ダウンフォースが 1000kg を下回ると当然車は
落下すると思います。おそらくその前にタイヤの静止摩擦が
小さくなってダウンフォースの抗力を下回り、車が空転
しだすと思います。

お礼

遅くなってしまいすみません。
どうもありがとうございます。ダウンフォースの力と質量を混同してしまっていたので、すっきりしました。