ABUS ENGINEERING WORKBOOK 「AERO」VOL.1

CHASING EVERY SECOND

私たちにとって、パフォーマンスサイクリングは
新たなエキサイティングな方向への論理的なステップだ

Jonathan Pade, product manager helmets, ABUS Germany

 

 

APPROACH AND PHILOSOPHY

A QUANTUM LEAP…

ABUS GAMECHANGERは、マーケットにおいて初のエアロヘルメットというわけではありません。

それはアプローチであり哲学です。 これまでに作られたエアロヘルメットの中で最も速く、 最も空気安定性があり、最高のパフォーマンスを発揮するサイクルヘルメットを設計および製造することが私たちの使命であると考えています。

 

私たちがどこから来たのか。

私たちはロックビジネスのリーディングカンパニーです。

そして、私たちはアーバンヘルメットを作ることにおいて長く積み上げた歴史を持っています。

そして5年前(2016年)、サイクリング用のヘルメットを作ることにしました。 プロサイクリング用のパフォーマンスヘルメット。 エンジニア、デザイナー、セキュリティの専門家のチームとともに、私たちは着用の仕方、乗り方を変える次世代のヘルメットを開発しました。 それはすでに私たちの会社を変革しています。

 

このアプローチはすべてを変えました。 ABUSの私たちにとって、それは本当にゲームチェンジでした。


APPROACH AND PHILOSOPHY

APPLIED PHYSICS

自転車に乗って、風に逆らって、何も進まなかったという経験はありませんか?または、オープンカーに乗って、風があなたの顔を押しのけるような体験はありませんか? そうした時、風はまるで生きているかのように爽快なものですが、普段は空気をまったく感じないというが意外です。 

 

私たちはこの不思議なガスに囲まれていて、それなしでは生きることは不可能ですが、私たちはそれについて考えることはほとんどありません。 空気を高速でスライスしたときの空気の挙動を理解することは非常に重要です。空気力学の科学がなければ、飛行機や宇宙船、車の速度記録車、を設計することはできませんし、橋がハリケーンを乗り切ることもできません。では、空気力学とは正確には何ですか? よく見てみましょう!  

 


WHAT IS AERODYNAMICS?

固体、液体、気体の最も明らかな違いの1つは、密度です。つまり、特定の空間に「モノ」の原子がいくつあるかです。 固体と液体は気体よりもはるかに密度が高く、これはプールを歩いたことがあれば感じた事があるでしょう。 空中を歩くのに比べて、水の中を体を動かすのは信じられないほど大変な作業です。 あなたは文字通りあなたの前にある水を邪魔にならないように押し出す必要があります。 あなたが前進するにつれて、水はあなたの周りをあなたが残したばかりの空間に流れ込みます。 水の中を歩くよりも水の中を泳ぐ方がはるかに速くなります。これは、体を長くて薄い形状にして抵抗を少なくすることができるためです。

 

水の中をよりスムースに移動し、抵抗が少ないため、より速く移動できます。 空中の移動もほとんど同じです。 水のように、空気は流体(簡単に移動または流動できる液体や気体に付けられた名前)であり、一般的に言って、ほとんどの流体は同じように動作します。 空中を高速で移動したい場合は、飛行機や電車のような長くて細い乗り物で、邪魔にならないようにすることをお勧めします。水中を泳ぐ時、体を細長く並べて横に泳ぐこととまったく同じ理由で飛行機や電車もチューブ状になっています。

 


 

空力抗力は、特にトラックサイクリングやタイムトライアルのサイクリングで最も重要な変数であり、

時速50 kmを超える全抵抗の90%を占め、空気密度ρ、速度υの2乗、抵抗係数C 、

および正面領域Aによって導き出されます

 

流体をすばやく効果的に移動する方法を考えることが、実は空気力学のすべてです。 より正式で科学的な定義が必要な場合、空気力学は、物が空気中をどのように移動するか(または空気が物の周りをどのように移動するか)の科学であると言えます。 

 


 

THE SCIENCE OF AERODYNAMICS

空気力学は、流体力学と呼ばれる物理学の一分野の一部であり、移動する液体と気体の研究がすべてです。 非常に複雑な計算が含まれる場合がありますが、基本的な原則は比較的理解しやすいものです。 それらには、流体がさまざまな方法でどのように流れるか、何が抗力(流体抵抗)を引き起こすか、流体が流れるときにどのように体積とエネルギーを節約するかが含まれます。

 

もう1つの重要なアイデアは、静止した流体の中をオブジェクトが移動することは、科学では流体が移動してオブジェクトが静止している場合とほとんど同じであるということです。 そのため、風洞内で車や飛行機の空力性能を調べることができます。飛行機や車の静止モデルの周りに高速の空気を吹き付けることは、同じ速度で空中を飛行または運転することと同じ環境を作れます。  

 


 

LAMINAR AND TURBULENT FLOW

ペットボトルから水を空にしようとした時、2つのまったく異なる方法で水を空にできることにおそらく気付くでしょう。 ボトルを浅い角度で傾けると、水が非常にスムーズに出てきます。 空気はそれを通り過ぎて反対方向に移動し、ボトルを「空」で満たします。ボトルをさらに傾けたり、垂直に保持したりすると、水がぎくしゃくして騒々しく出てきます。 それは、空気と水がボトルの首で戦わなければならないからです。 水が勝って飛び出すこともあれば、空気が勝って突入して水の流れを一時的に止めることもあります。 水が出るときと空気が入るときの戦いは、注ぐときに特徴的な「ボコッボコッ」という音を出します。

ここで見られるのは、2つの極端なタイプの流体の流れです。 最初のケースでは、水と空気が、層流(または流体が平行線で流れるためストリームラインフロー)と呼ばれる層で互いに非常にスムーズにすべりあいます。

 

2番目のケースでは、空気と水がより不安定な方法で移動します。これを乱流と呼びます。 スポーツカーのようなものを設計しようとしている場合、理想的には、体の周りの空気の流れができるだけスムーズになるように体を形作ります。つまり、乱流ではなく層流になります。 乱気流が多いほど、車が受ける空気抵抗が大きくなり、エネルギーが無駄になり、

速度が遅くなります。

 


 

BOUNDARY LAYER

流体が物体を通過する速度は、物体からの距離によって異なります。 駐車中の車に座っていて、強風が200km/hであなたを通り過ぎてうなっている場合、空気と車の速度の差は200km/hだと思うかもしれません。

しかし、停車中の車と、動きの速い空気の間に突然の劇的な切れ目があるわけではありません。車の表面では、対気速度は実際にはゼロといえます。

車の塗装の分子とそれらに接触する空気分子の間の引力により空気が車に張り付いていきます。


 

車から離れるほど、風速は速くなります。車から一定の距離を置くと、空気は200km/hの全速力で移動します。対気速度がゼロから最大に増加する車の周囲の領域は、境界層として知られています。流体が効率的に、穏やかに、そしてスムーズに境界層を横切って速度を上げて流れることができるとき、層流が得られます。これが起こらないとき、つまり流体が滑らかな層でそれ自体をすり抜けるのではなく、無秩序に混ざり合って混ざり合うときに、乱流が発生します。

 

境界層のアイデアは、あらゆる種類の興味深いものにつながります。たとえば、高速で空気の中を走っていても、車がほこりっぽくて汚れている可能性がある理由を説明します。

 

速く移動しますが、塗装のすぐ隣の空気はまったく動いていないので、ごみの粒子が予想どおりに吹き飛ばされることはありません。

 

本棚からほこりを吹き飛ばそうとするときも同じことが言えます。本当に激しく吹き飛ばすことができますが、すべてのほこりを吹き飛ばすことは決してありません。せいぜい、ほこり(棚に付着したままの下層)からほこり(ほこり粒子の上層)を吹き飛ばすだけです!

 

境界層の概念は、風力タービンをそれほど高くしなければならない理由も説明しています。地面に近いほど、風速は低くなります。地面の高さでは、コンクリートのようなものでは、風速は実際にはゼロになります。

 

空に向かって高く風力タービンを構築すると、(うまくいけば)境界層を越えて、対気速度が最大になり、風がタービンのローターを駆動するための運動エネルギーが高くなる場所に到達します。

 


 

DRAG

速く行くほど、空気に逆らって働く必要があります。歩いている時、十分な速さで移動していないため、空気抵抗はそれほど重要ではありません。しかし、サイクリングをする場合は、空気力学についてもっと考え、空気の流れをできるだけ乱さない合理化された姿勢をとる必要があります。

 

このライダーのように、涙のような形をしたサイクリングヘルメットを手に入れて、ぴったりした服を着ることをお勧めします。空気抵抗(Dragと呼ばれる抗力)は、層流と乱流の違いによって起きます。

 

スポーツカーが空気中を高速で移動する場合、流れは比較的層流のままです。トラックがそのなかを突き進むとき、はるかに多くの乱気流が起こります。抗力は、移動体の周りの空気の流れが乱れ始めたときに移動体が感じる力です。

 

自転車に乗ったり、スプリントレースをしたことがある場合は、速度とともに抗力が増加することを感じるのは明らかです。ただし、非常に重要な点は、速度が上がるにつれて直線的に増加するのではなく、速度の2乗に応じて増加することです。言い換えれば、速度を2倍にすると、大まかに言えば、抗力は4倍になります。動きの速い車両は、抵抗を克服するためにエネルギーのほとんどを費やします。約300km/hに達すると、実質的にすべてのエネルギーを使用して、空気を邪魔にならないように押し出そうとします。これは、車の速度記録車だけでなく、通常のドライバーにも当てはまります。アイドリングストップの市街地走行では、ブレーキングにほとんどのエネルギーを浪費します。

 

高速道路を高速で走ると、エネルギーのほとんどが失われ、空気が押しのけられます。
(この背後にある簡単な計算を確認するには、DavidMacKayの著書SustainableEnergy Without Hot Airでの議論をご覧ください。) 

 


 

WHY DOES DRAG HAPPEN?

抵抗には、摩擦抗力(フリクションドラッグ)と形状抗力(フォームドラッグ)と呼ばれる2つのタイプがあり、それらには異なる原因があります。風速が通り過ぎるときに車がじっと留まっていると想像してみてください。車の形状が滑らかな場合、塗装の横の空気はまったく動いていません。少し動いているその先のレイヤーと、それを超えたレイヤーがもう少し動いています。これらの空気の層はすべて、足が床を横切ってスライドするのとまったく同じ方法で互いにすれ違うのです。摩擦を引き起こす互いの分子間の相互引力を克服する必要があります。摩擦抵抗は、空気の層が互いにすれ違うようにするのにエネルギーがかかるために発生します。

 

物体が粗い、または邪魔になるほど、空気の流れが乱れ、層間の摩擦が大きくなり、抗力が大きくなります。低速では、空気の流れは物体にぶつかると分裂し、物体が適度に空気力学的である場合、その輪郭にぴったりと沿ってその周りを流れます。

しかし、空気の流れが速く、物体の空気力学的特性が低いほど、空気の流れが途切れて乱流になります。それが形状抗力の意味です。

 

速く進むほど、さらに速く進むのは難しくなります。これは、車や飛行機、エアロバイクで速度記録を破ることを非常に困難にするトリッキーな科学です。理論的には、流体力学の法則(空気力学がその一部です)は、ロケットエンジンを積んだ車で真っ直ぐな平原を高速で移動する場合でも、水中翼船で波をすくい取る場合でも、軍用機で高速で移動する場合でも、ほぼ同じように適用されます。ただし、飛行機は5~10倍速く移動できるため、車やボートとは異なるカテゴリに分類されます。それらが特定の速度、音速に達すると、空気力学のさまざまなルールが作用します。

 

ジェット機を音速の壁に押し込むと、機首と尾部に巨大な円錐形の衝撃波が形成され、抗力が大幅に増加します。そのため、超音速(音速よりも速い)ジェット機には、鋭い機首と鋭い後退翼があります。さらに速く進むと、空力ルールが再び変わります。極超音速(音速の約5倍)では、短い翼が最適であり、超音速機よりも機首から後方に配置する必要があります。

 

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