自動車に必要な､簡単な物理学



さて、それでは軽く始めますかぁ。
物理と言っても、とても簡単に説明しますので、
構えずに頭をスッカラカンにして見れば､誰でも簡単に理解できます！！
騙されたと思って､読んでみてください！！

１、単位について：

まず始めに、物理学では一般にMKS系単位というのを使用します。
MKSとは、長さ（位置）にはメートル[m]、質量にはキログラム[Kg]、時間には秒[s]を、「単位として使用しましょう」というだけの意味で、それ以上の意味は無いです。
　

２、運動の力学：

それでは始めに､自動車に必要そうな運動の力学について説明してみましょう。

非常に簡単なので､まず、変位（＝位置）､速度､加速度､力､仕事（＝エネルギー）、仕事率（＝馬力）、運動量､角速度､角運動量、 慣性モーメント､力のモーメント（＝トルク）について、それぞれの意味と、関係について説明します。

・変位（位置、距離､長さ）とは：

位置のことです。単位は[m]（読みはメートル）です。これはいいですね。

・速度とは：

1秒間に1メートル移動するような速度を､1[m/s]といいます。（読みは､メートル毎秒）
式は、
速度＝位置の変化量／（変化にかかった）時間　　です。
自動車では､普通はKm/hが使われますね。同じ意味の物です。
ちなみに、1 [Km/h]＝0.278[m/s]です。

速度には、慣習に従い､文字vを使うことにします。


・ 加速度とは：

1秒間に1[m/s]ずつ速度が増していく加速度を､1[m/s2]といいます。（読みは､メートル毎秒毎秒。）
式は、加速度＝速度の変化量／（変化にかかった）時間です。
ちなみに、G（ジー）という単位と同意です。1G=9.8[m/s2]です。
1Gとは、地球の重力の加速度のことです。

加速度には、慣習に従い､文字aを使うことにします。


・ 力とは：

質量が1[Kg]の物を、1[m/s2]ずつ加速させ続ける力を、1[N]といいます。（読みは､ニュートン）
式は、
力＝質量×加速度
です。これは､定義（決まり)なので、覚えちゃってください｡
余談ですが､地球の重力加速度は､9.8[m/s2]です。よって、1[Kg]の物体が地面を押す力は､9.8[N]です。これを、1[Kg重]（読みは、キログラムじゅう）と言ったり､1[Kgf]（読みは、キログラムフォース)と言ったりもします。

力には、慣習に従い､文字Fを使うことにします。質量には､mを使うことにします。
すると式は､
F=ma
ですね。

・仕事（=エネルギー）とは：

1[N]の力で､1[m]動かす仕事を､1[J]といいます。（読みは､ジュール。ちなみに､カロリーも同意で､1[cal]＝4.19[J]です。）
式は、
仕事＝力×位置の変化量
です。　仕事は､エネルギーとも言います。
仕事の文字には､Uを使うことにします。動いた位置の長さをsとします。
力は､m×aなので式は､

U=m×a×s

ですね。
これは、いくら力を掛けても全く動かなければ､仕事はゼロになると言う事です。
これも､決まりなので、覚えちゃってください｡


・ 仕事率とは：

一秒間に､1[J]の仕事をし続ける（エネルギーを出しつづける）仕事率を、1[W]といいます。（読みは､ワット。ちなみに､馬力と同意で､1馬力＝735.5[W]です。）
式は、仕事率＝仕事（の量）／（かかった）時間　です。
つまり、一秒当たりにする仕事のことですね。
例えば、1馬力のエンジンがあれば､100[W]の電球を7個付けられる事になりますね。

余談ですが､人間が1馬力出す事は可能なのでしょうか？？
体重75Kgの人が､一秒あたり1[m]ずつ、階段を駈け上ればそれが大体1馬力です。
150Kgの人でしたら､一秒あたり50[cm]ですね。これは､不可能ではなさそうですね。
瞬間的にだったら、人が1馬力を出すことはできるんです。


さて、 とりあえず､これが運動の基本です。
ここまでわかれば、とりあえず一段落です。


次に､自動車のメカや､ドラテクのために､是非覚えておいた方がいい法則や式を説明してみましょう。

・慣性とは：

慣性とは､動いている物体は外から力を与えられない限り､同じ方向の、同じ速度で動き続けようとし、止まっているものは止まり続けようとする性質を言います。 まあ､当たり前ですね。
また、慣性は質量によって決まり､質量が大きいほど大きくなります。これを､慣性の法則といいます。
　

・運動量とは：

運動量は、質量×速度で表され、単位は力積と呼ばれる物と同じですが、単位は覚えなくても良いです。
運動量には、文字pを使うことにします。
式は､
p=mv
ですね。

ただ運動量は、外部から力が与えられない限り、保存する（変わらない)と言う事だけを覚えておいてください。
これが、運動量保存則です。

・運動エネルギーとは：

運動エネルギーは、
運動エネルギー＝1/2×mv2
で表されます。式を導くには積分が出てくるので、ここでは省略します。暗記しちゃっていいです。
ちなみにこれは、この物体に与えられた仕事と等しいです。
単位も[J]で、基本的に、仕事と同じ物であると理解しておいてください。
運動エネルギーは､質量に比例し､速さの2乗に比例します。
また、運動エネルギーも、物体に何らかの力が与えられない限り保存します。
これが、エネルギー保存則です。

やっぱり、ちょっと詳しくエネルギーについて説明してみましょう。
自動車に出て来るエネルギーには、一般に運動エネルギーと熱エネルギーが存在します。
これらは、相互に変換が可能です。
熱エネルギーを運動エネルギーに変える機械の例が､エンジンです。運動エネルギーを熱エネルギーに変える機械の例が、ブレーキです。
その他にもエネルギーには､音エネルギーや､位置エネルギー､化学エネルギー、放射エネルギー､質量がもつエネルギーなどが有りますが､自動車ではあまり使わないので無視します。
ただ一つだけ覚えておいてください｡　エネルギーは､形が変わってもその総量は変わりません。増やしたり､消し去る事はできないんです。
これが本当のエネルギー保存則です。

さて、直線運動はとりあえずこれだけです！！
とりあえず､これだけ覚えれば基本はOKです。
しかしながら､車というの機械は回転物だらけなので､次に回転についての力学を説明します。
　

２、回転の力学：

ここでは、回転軸が固定された簡単なモデルについて説明します。ハンドルや､タイヤや、ホイールでも思い浮かべてください｡

・角度とは：



角度は､図のθを指します。単位は､[度]、または[rad]（ラジアン）です。物理の世界では､通常はラジアン単位を使用します。
ただし､ラジアンの場合､単位は省略される事が多いです。

一般に使われる､単位の[度]との関係は､2π[rad]=360[度]です。
何故ラジアン単位を使うのかも意味があるのですが､とりあえず覚えちゃってください｡
ちなみに何故､角度にはいつもギリシャ文字のθ（シータ）を使うかと言うと､昔からの習慣なだけで､他に意味はありません。
他の本を読んだときにわかりやすいように、ここでも慣習に従います。

・角速度とは：

角振動数とも言います。意味は､回転する早さで､一秒間に､1[rad]回るものの角速度を､1[rad/s]といいます。（読みは､ラジアン毎秒。）
一般に角速度は､ギリシャ文字のω（オメガ）で表されます。これも、昔からの習慣です。
車のタコメーターの表記は､rpm（revolution per minute、毎分回転数）で、これと似た意味です。
これは、一分間当たりの回転数なのはいいですよね？
ちなみに、1[rpm]＝0.1047198[rad/s]です。

さらに、角速度ω[rad/s]を2π[rad]で割ったものを､回転数[s-1]､または周波数と呼び､[Hz]（ヘルツ）と言います。
これは、一秒あたりの回転数の事です。
1分は60秒なので､1[Hz]=60[rpm]ですね。
つまり、6000rpmで回っているエンジンは､ヘルツ表記にすると100[Hz]ってことですね。

・角運動量とは：

まず、円周をω[rad/s]で回っている物体の速さの式は、
速さ＝円の半径×ω　[m/s]　です。
つまり、
v=rω
ですね。

実は､このように計算を簡単にするために､角度にはラジアン単位を使用しているのです。
何となく理解できると思いますけど､これも決まりなので､面倒なら覚えちゃってください｡

さて、 普通の運動量は､上で説明したように､質量×速度でしたね。
すると、回転している物体の運動量は､上の式より､
運動量＝質量×円の半径×角速度
ですね。
つまり、
p=mrω
ですね。

更に､角運動量はこの運動量に、円の半径を掛けたものと決められていて､
角運動量 = 円の半径×（質量×円の半径×角速度）
です。
日本語だと長いので､質量を､m、半径をr、角速度をωとすると、
角運動量=r×m×r×ω=mr2ω
と表されます。
角運動量では､単位は使わないので覚えなくていいです。

角運動量も､運動量と同じように、外から力を与えられない限り保存します。
これを角運動量保存則と言います。
つまり、力が与えられない限り､回転が止まっているものは止まり続けようとし、回っているものは回り続けようとします。
まあ､これも当たり前ですね。

・慣性モーメントとは：

慣性モーメントとは､角運動量の、mr2 の項（部分）のことを言います。
よって、
慣性モーメント＝mr2＝角運動量／角速度
です。
これはとても重要です。
慣性モーメントは､回転物の､回転の「させにくさ」を表すものです。
この値は､質量に比例し､中心軸からの距離の二乗に比例します。
これが大きいほど、回転が止まっているものは回転させにくく､回転しているものは回転を止めにくくなります。
これは、フライホイールや、ホイールなどを思い出すと分かりやすいですね。
自動車業界では､「イナーシャ」と言う言葉も使いますが､慣性モーメントと同じ意味です。
低イナーシャのクラッチディスクとか､フライホイールとか言うのは､回しやすく止めやすいという意味です。

・力のモーメント（トルク）とは：

自動車では､トルクと言う言葉の方がずっと聞き慣れていますね。トルクと全く同じ意味です。よって､以下トルクと言う言葉を使います。
トルクとは､物体を回転させる力のことです。単位は､[N･m]です。（読みは、ニュートンメートル）
自動車の世界では､[Kg･m]と言うのも良く使いますね。これは、上記の通り､1[Kg]=9.8[N]なので、1[Kg･m]＝9.8[N･m]です。 （正確には､Kgは質量の単位なので､[Kg･m]と言う表記はおかしいはずで､[Kgf･m]とするべき。）
トルクの式は､
トルク＝円の半径×円の接線方向の力
です。
図のFが接線方向の力です。rが円の半径です。　慣習により､トルクをτとすると、
τ＝r×F　ですね。



まあ、テコの原理を思い出せば何となくわかりますね。半径が大きければ回転させる力も大きくなります。

ちなみに、トルクに、動かした角度を掛けると仕事量になります。
また、トルクに1秒当たりの回転数を掛けたものが、仕事率（＝馬力と同意）になります。
これより､馬力＝トルク×回転数（×定数）　だという事が判りますね。

更に､トルク＝角加速度×慣性モーメント　というのも覚えておくといいでしょう。
これは、大きなトルクを掛けるほど､回転の上昇の仕方（角加速度)が速くなると言う意味です。慣性モーメントは一定ですからねっ。

・遠心力とは：

遠心力とは､円周上を回っている物体が､中心から外に膨らもうとする力です。これも､式の導きは微分が出てくるので省略します。
円周を回っている物体の遠心力の式は､
遠心力＝質量×円の半径×角速度2
です。
つまり､
遠心力＝mrω2
ですね。
更に､角度ではなく､速さの表記にすると､速さv=rωなので、
遠心力＝mv2/r
も成り立ちますね。
これも重要だと思うので､式だけ覚えちゃってください｡　この式は､多分今後良く出てきます。


さて､御疲れ様でしたぁ。これで､とりあえず運動の力学は終了します。
こうやって見ると､簡単ですよね？？
たったこれだけの知識で､かなり自動車が理解できるはずです。
勘のいい人は､もう車の仕組みや動きと、式がくっ付いてきましたかも知れませんね。


＊物理が詳しい人へ。
今回の説明は､何よりも解り易さを優先したため､ベクトルをスカラーとして扱ったり､微分積分を使わなかったり、法則の説明が大雑把（厳密には正確でない）だったりしています。
その辺をご理解ください。

一応､ちゃんとした表記でも書いておきます。微分がわからない人は､無視していいです。
位相をx、時間をt、速度をv、加速度をa、力をF、仕事をU、位相の変化量をs、運動エネルギーをEとすると、

ですね。


次に､回転運動だと､半径のベクトルをr、角度をθ、角速度をω、力をのベクトルをF、角運動量をP、慣性モーメントをI、トルクをτ、遠心力のベクトルをFr、時間をtとすると、



と言った感じですね。

　


でわ次に､摩擦とバネの力学の話に行ってみます。


3、摩擦の力学：

・摩擦とは：

摩擦は､接する物質同士が擦れる際に､接触面の方向に働く力です。
単位は､[N]（ニュートン）です。



物体の摩擦力は､以下の式で表されます。
摩擦力　＝　摩擦係数×垂直抗力
教科書だとこうですね。
もうちょっと判りやすく言うと､
摩擦力＝摩擦係数×物体を押し付ける力　ですかね。
摩擦係数は､これまた慣習的にμ（ミュー）というギリシャ文字が使われます。（μは、自動車の世界でも良く出てきますね。）
μの単位はとりあえず覚えなくていいです。

よって、押し付ける力をFとすると、
摩擦力＝μ×F　ですね。
ちなみに､地面に置かれた物体に働いている力は、重力ですね。
力=質量×加速度　なので、加速度をいつも通りaとすると、
F＝ma=mg　[N]　（gは、重力加速度で9.8[m/s2]）ですね。
よって摩擦力は､
摩擦力＝μmg [N]　です。

摩擦係数μは、物質固有の定数だと思ってください｡
例えば、道路の上のタイヤの摩擦係数は､大体0.9位、線路の上の､鉄の車輪で､0.6位です。

さて、ここで重要な法則ですが､摩擦係数には､動摩擦係数と、静止摩擦係数があります。
静止摩擦係数とは、止まっている物体を動かす時の摩擦係数です。
動摩擦係数とは、動いている物体を動かし続けている時の摩擦係数です。
一般に､と言うか､必ず､静止摩擦係数は動摩擦係数より大きくなります。
静止摩擦係数が1番大きいので､最大摩擦力は、静止している時になります。
これは重要なので､是非覚えておいてください｡

摩擦の力学は､以上です。これは簡単ですね。
　

それでは次に､バネの力学に行きます。


４、バネの力学




上が､ 力がかかっていない状態。
下が､x[m]引っ張った状態。   

バネは､基準状態から､x[m]引っ張ったり縮めたりすると､その変化した長さに比例した力を発生して、引っ張り返したり､押し返したります。その力をF[N]とすると、

F＝-kx
です。　
これは法則なので､覚えてください｡何故マイナスがつくかと言うと､引っ張ったxとは逆の方向の力が働くと言う意味です。
kは、バネ定数と呼ばれ、バネによってそれぞれ固有の値を持ちます。
ちなみにkには、バネの材質や､線の太さや巻き方などから､計算方法があるので､興味が有る方は調べてみれば面白いと思います。

また、バネは固有の角振動数を持ちます。
その周波数をω[rad/s]とすると、
F=m×ω2×x
となります。
つまり、k= mω2　と言う事ですね。
更に､角振動数がωならば、一周は2π[rad]なので、周期は2π/ω　という事になりますね。周期をTとすると、

となります。

これらも､導き出すのが難しいので､何故そうなるのかはカットします。
式は覚えなくてもいいですが､上の式を見ると､バネ定数が高いほど､また、バネにくっついている物の質量が軽いほど、周期が短くなると言う事が判りますよね？
これは重要なので、覚えておくといいと思います。


お疲れ様でーす。ふー。
とりあえず､力学は以上終了でーす。意外と簡単ですよね？

＊ これも､詳しい人用にまとめときます。
力のベクトルをF、質量をm、位相のベクトルをx、重力加速度をg、摩擦係数をμ、ばね定数をk、角振動数をω、バネの周期をTとすると、



てな感じですかね。


さて、でわ次に､簡単に熱統計力学をかじってみます。
これも､とっても簡単なので､構えずに。

　

4、熱統計力学

・気圧（圧力）について：

1平方メートル (m2) 当たりの面積に、1[N]の力がかかる圧力を、1[Pa]といいます。（読みは、パスカル。）

大気圧は、1気圧といい、101325[Pa]です。
ちなみに天気予報など、気象の世界では、[hPa]（ヘクトパスカル）と言う単位を使いますね。ヘクトとは、100と言う意味です。
ですから、1[hPa]＝100[Pa]ですね。
よって、一般に一気圧は、1013[hPa]と言われます。

また、気圧には[mmHg]（ミリエッチジー）と言う単位も自動車の世界では使われますね。
[mmHg]とは、水銀を1[mm]持ち上げるのに必要な圧力で、1気圧は、760[mmHg]です。

また、タイヤの空気圧や、ターボ圧（ブースト圧）等には、[Kg/cm2]（読みは、キログラムパー平方センチメートル。略して、キロと言う人が多いですね。）と言うのも使われていますね。
1[Kg/cm2]とは、1平方センチメートル (cm2) 当たりの面積に、1[Kgf]=9.8[N]の力がかかる圧力のことを言います。
1気圧は、101325[Pa]ですから、1[cm2]の面積には、
101325×1/0.0001＝10.1325[N]= 1.03[Kgf]の力がかかっていることになりますね。
つまり、1[cm2]の面積当たりに、約1[Kg]の物体が乗っているのと、同じ力が働いていることになります。
親指の爪ほどの面積に、1[Kg]と言うのは有名な話ですね。

ここで、重要なのは、空気圧やブースト圧計は、ゲージ圧と言われ、針が0を指している所が1気圧です。
それに対して、0を指している時に0気圧とする表記を、絶対圧と言います。
例を出すと、ブースト圧が1キロ(1気圧)かかってると言うのは、実際にはインマニ内の気圧は､2気圧であると言う事ですね。


また気体は必ず、気圧が高いほうから低い方に移動します。これは、自然界の法則なので覚えておいてください｡

気圧の話は、とりあえずこのくらい知っておけば良いと思います。


・次に、簡単に、「気圧と、体積と、温度」との関係の話をします。






図（ピストンをイメージ)のような、密閉された空間（熱もエネルギーも外部から加えられない）では、温度が一定のとき、pとＶは反比例します。
式は、
pV=一定 　　　・・・式１

温度をＴとすると、以下の式が成り立ちます。
pV=nRT 　　　・・・式２　ただし、Rは定数、Tは絶対温度、nはモル数といい、簡単に言うと分子の数量です。

これらは、気体の基本法則です。
式2だけは重要ですので、覚えちゃってください。


・気体のする仕事について：

図の気体が、圧力p[Pa]で面積S[m2]のピストンを、x[m]動かす時に、気体は
p×S×x [J]　の仕事をしたことになります。
S×xは、体積なので、気体のする仕事は、圧力×動かした体積　となります。

仕事＝pV 　　　・・・式３

エネルギー保存則より､仕事をした分だけ、気体のエネルギーが減る＝温度が下がる　となります。
例えば、エンジンの燃焼膨張工程がこれに当てはまりますね。
膨張することにより、混合気の温度が下がります。

逆に、ピストンを押したときに、気体のエネルギーは　押す力×動かした体積　の分だけ増えます。
気体のエネルギーが増えるとは、温度Tが上がると言うことと同意です。温度が上がれば、体積Vが同じであれば、気圧pも上がります。（式2より）
例えば、エンジンの圧縮工程がこれに当てはまりますね。
圧縮することにより、混合気の温度と圧力が上がります。

ちょっと難しいですが､ 膨張行程では始めの体積をV1、膨張後の体積をV2とし、気体がする仕事をWとすると、式3と、式2より、


となりますね。
積分がわからない人は、答えだけ見てください。
これより、V2/V1に注目すると、これは正に圧縮比そのものですねぇ。
よって、温度が同じなら､圧縮比が大きいほど大きなエネルギーが出せることがわかりすね。

この式は、圧縮工程にも成り立ちますが、圧縮工程は温度Tが燃焼行程より遥かに小さい為、圧縮比を変えてもプラスマイナス０にはならず、やはり圧縮比が大きいほど大きなエネルギーが出せることになりそうです 。


とりあえず、このページに必要そうな物だけと言うところで、熱統計力学はこの辺にしておきます。必要に応じて追加するかもしれません。

もっと詳しく知りたい人は、内燃機や、熱力学の本を読むといいと思います。


さてとー。
とりあえず、自動車に必要な物理の基礎知識は以上としますね！！


勘のいい人だったら、もう新しいセッティイングやチューニングの方向や、新しい運転の技術を発見したかもしれませんね！！



高校物理の本

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