F1: スピードの背後にある科学、エンジニアリング、イノベーション

モリオ/ウィキメディア・コモンズ

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毎年、20 人のドライバーと 10 のチームが世界チャンピオンの座を目指してレースを繰り広げます。それがF1レースを一行にまとめたものです。

F1 は世界的なセンセーションを巻き起こしています。世界中から何百万人もの人々がさまざまな理由でこのスポーツを観戦しています。このスポーツの最も魅力的な点の 1 つは、F1 マシンのスピードと機敏性です。レースカーは時速 220 マイル (時速 350 キロ) の速度を達成できます。

ドライバーたちが優勝を目指して競い合うのを見るのは楽しいですが、車の構造の背後にある科学、エンジニアリング、イノベーションも同様に魅力的です（それ以上ではないにしても！）。

ここでは、空力、エンジン出力、その他の革新的なエンジニアリング技術など、F1 マシンの速度に貢献するさまざまなエンジニアリング要素を理解しようとします。各 F1 チームは、ライバルに対する競争力を獲得するために、これらの分野で車両のパフォーマンスを最適化するよう努めています。

それでは、はまってみましょう！

Oracle Red Bull Racing（GIPHY経由）

F1 マシンは高速に到達するため、エアフローは設計において重要な役割を果たします。したがって、F1 マシンの空力はエンジンと同じくらい重要です (これについては次のセクションで説明します)。

空気力学には、抗力の低減、ダウンフォースの生成、揚力の最小化という 3 つの主な効果があります。これは、フロントウィングとリアウィング、バージボード、ディフューザーなどの空力機能の設計を制御することによって行われます。

抗力は空気抵抗の一種で、車の走行速度を低下させます。これは、空気に対する車両の相対運動とは反対に作用します。鳥のことを考えてみましょう。彼らは抵抗を減らし、より効率的に飛行できるようにする流線型の体を持っています。 F1マシンも同様です。

車のボディは、ボディの輪郭を滑らかにし、鋭利なエッジを最小限に抑え、車の前面領域を減らすことによって合理化されており、これらすべてが乱流と抗力の軽減に役立ちます。

アンク・クマール/ウィキメディア・コモンズ

空力特性は、車が移動するときに車に作用する上向きの力である揚力を最小限に抑えるのにも役立ちます。車両が周囲の空気中を移動する際の車両の上下の圧力差を測定します。リフト量は主に車体の形状と向きによって決まります。

フロントとリアのウイングは、車の下にあるディフューザーと連携して低圧領域を形成し、ダウンフォースを生成します。ダウンフォースが揚力に対抗して車両のグリップと安定性を高め、ドライバーはコントロールを失うことなく高速でコーナーを曲がることができます。

チームは風洞を使用して、ダウンフォースを最大化しながら抗力を最小限に抑えるためのさまざまなボディ形状とデザインをテストします（ただし、風洞テストで使用される速度は最大 180 km/h に制限されているため、車のあらゆる側面をテストすることはできません）パフォーマンスを最大限に発揮できるため、風洞内で費やせる時間にはチームの昨シーズンの順位に応じて制限があります)。

これらの風洞テストは、チームが車の空力特性を最適化し、各レースシーズンの前にトラックでのパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。

F1 で使用されるエンジンは非常に洗練された機器であり、明らかに車のスピードとパフォーマンスに大きな役割を果たしています。

スワループヴァルマ/ウィキメディア・コモンズ

F1ルールではエンジンの仕様が定められています。 2014年以降、F1エンジンは排気量1.6リッターの4ストローク、ハイブリッド、V6エンジンと、出力を高めるためのターボチャージャー（ボア80mm、ストローク53mm）でなければならない。ターボチャージャーはより多くの空気をエンジンに送り込み、より多くの出力をもたらします。これは、排気ガスを利用してタービンを回転させ、コンプレッサーに動力を与え、より多くの空気をエンジンに送り込むことで実現されます。

F1エンジンが生み出す出力は回転速度に依存し、2021年からは毎分15,000回転（rpm）に制限されている。比較すると、同様の寸法のロードカーは通常、F1 カーの半分である約 6,000 rpm で動作します。

F1 カーのエンジンは 1,000 馬力近くの出力を発生します。機械馬力の 1 単位 (帝国測定) は、250 kg の重量を 1 秒間に地面から 1 フィート上に持ち上げるのに必要なエネルギーです。エンジンは F1 マシンの最も高価なコンポーネントの 1 つであり、チームはエンジンの開発と最適化に多額の投資を行っています。

さらに、ハイブリッド技術によりエンジンの出力が向上します。 2014年以降、FIA（自動車レース統括団体）の規定により、F1チームは電気モーターとバッテリーを組み込んだハイブリッドエンジンを使用することが義務付けられた。ハイブリッドセットアップには 2 つの電気モーターがあり、1 つはバッテリーから電力を供給されてクランクシャフトに電力を追加する MGU-K と呼ばれ、もう 1 つはターボチャージャーを管理する MGU-H と呼ばれます。

このエネルギーはバッテリーに蓄えられ、電気モーターに電力を供給したり、エンジンをブーストしたりするために使用できます。ハイブリッド技術により、自動車はブレーキ中にエネルギーを回収し、後で使用することもできます。この技術は運動エネルギー回生システム (KERS) と呼ばれ、後のセクションで詳しく説明します。

F1 車のエンジンは、コンパクト、軽量、高効率になるように作られています。 F1 カーは燃料エネルギーの 50% を動力に変換することができます。それに比べて、市販車は約 20% しか変換できません。追加の燃料を変換する方法の 1 つは、各シリンダー内に最初に点火する小さな二次チャンバーがあり、プレチャンバー点火を使用することです。

高度なエンジニアリングと材料 (次のセクションで説明します)、ターボチャージャー、およびハイブリッド技術を使用すると、効率がさらに向上します。

興味深い事実: F1 エンジンの製造コストが高いため、すべてのチームがエンジンを製造しているわけではありません。現在、グリッド上でエンジンを製造しているチームは、フェラーリ、レッドブル、メルセデス、アルピーヌの 4 チームのみです。

F1 ではドライバーの安全が最も重要であり、F1 マシンに使用される素材は細心の注意を払って選択されます。ドライバーの安全を確保するために、使用される材料の種類に関しては非常に厳しい規制が設けられています。ただし、使用される材料も車の性能を向上させる必要があります。

ハースF1チーム（GIPHY経由）

材料の技術的進歩により、F1 マシンはこれまで以上に速く、より安全で、より耐久性があり、より軽くなりました。車の重量が軽くなると、ドライバーの安全が確保されながら、加速、速度、機敏性が向上します。

F1 マシンで最も一般的に使用されている素材は、車両の約 80% を占めるカーボンファイバー複合材です。カーボンファイバー複合材には、高強度、軽量、高剛性などのいくつかの利点があります。そのため、車の足回りであるシャシーを構成する材料として最適です。

製造プロセス中に温度を上げて張力を加えると、炭素繊維のモジュラス（軸に沿った応力（軸に沿ったひずみ）の比）が増加し、耐久性が高まります。炭素繊維とは別に、セラミックマトリックス複合材料は比強度が高く、重量に比べて比較的強いため、ブレーキシステムに使用されます。

チタンなどの他の材料は、強度対重量比が高いため、サスペンションやギアボックスなどの重要なコンポーネントの構築に使用されています。また、マグネシウムは軽量で強度が高いため、ギアボックスのケーシングとホイールの構造に使用されています。

youkeys/ウィキメディア・コモンズ

さらに、自動車の基本的な構造サポートであるモノコック (F1 車のドライバーを保護する「セル」) の構築にはナイロン繊維が使用されています。モノコックは非常に強度と剛性が高く、万が一の事故の際にドライバーを守ります。また、車の速度に影響を与えないように軽量に設計されています。

ケブラーやその他のアラミド繊維などの特定の素材は、安全性を向上させるためにヘルメットやドライバースーツなどの保護具の製造に使用されています。これらは、車に大きな重量を追加することなくドライバーを保護する軽量素材です。 F1 カーの最小重量 (2023 年現在) はドライバーを含めて 798kg (1,759 ポンド) ですが、燃料は含まないため、これは重要です。したがって、これを超えるすべてのグラムが違いを生む可能性があります。

F1 チームは、数値流体力学 (CFD) 解析などの革新的なエンジニアリング技術を使用して、車のパフォーマンスを向上させています。これは本質的に、ガス (流体) が車のパフォーマンスにどのような影響を与えるかを評価するための F1 マシンのシミュレーションです。

この技術には、コンピュータアルゴリズムを使用して数学および物理学の空気力学方程式を解くことが含まれます。 CFD シミュレーションは、車両上および周囲の空気の流れを最適化し、抗力を低減し、ダウンフォースを向上させるのに役立ちます。

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F1 チームも車のパフォーマンスを向上させるためにデータ分析を使用します。テストやレース中に、タイヤの摩耗、燃料消費量、エンジンのパフォーマンス、ドライバーの行動などの膨大な量のデータを収集します。このデータは機械学習アルゴリズムを使用して分析され、自動車の設計、セットアップ、戦略における改善の余地がある領域が特定されます。

F1 スポーツの開始以来、F1 ではいくつかの技術的進歩が行われてきました。しかし、近年では、KERS (以前に触れた) とエネルギー貯蔵システム (ESS) の 2 つが目立っています。

KERS は、ブレーキ時に生成されるエネルギーを利用するために使用されます。車の運動エネルギーは、回生ブレーキと呼ばれるプロセスを通じて、モーターまたは発電機を使用して電気エネルギーに変換されます。この電気エネルギーは、ESS として知られるバッテリー (電気 KERS) またはフライホイール (Flybird システム) に蓄えられます。

その後、蓄積されたエネルギーが車の電気モーターに電力を供給し、さらなる加速を提供します。チームが燃料消費量と排出ガスを削減しながらパフォーマンスを向上させることを目指しているため、F1 での ESS の使用はますます重要になっています。より効率的で軽量な ESS の開発は、自動車業界で現在進行中の研究開発分野です。

ジーニアス/ウィキメディア・コモンズ

イノベーションはシーズンごとに常に起こっています。アウディが 2026 年にグリッドに参加する計画を発表したため、期待できることはさらにたくさんあります。

時速 300 キロメートル以上で走行できる F1 カーを設計するには、村が必要です。この記事では、その村のさまざまな場所をすべて探索しました。

空気力学から革新的なテクノロジーに至るまで、車のあらゆる細部が速度とパフォーマンスに影響を与えます。科学、数学、エンジニアリング、コンピューターサイエンスが進化するにつれて、新しいテクノロジーが F1 の可能性の限界を押し広げます。

これは最先端の自動車レースなので、可能性は無限でエキサイティングです。