ドキュメント鑑賞☆自然信仰を取り戻せ!

テレビでドキュメントを見るのが好き!
1回見ただけでは忘れてしまいそうなので、ここにメモします。
地球環境を改善し、自然に感謝する心を皆で共有してゆきたいです。
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ハイテクのルーツ 高性能F1カー Formula1

F1カーは発進から本の『数秒でジェット機の離陸時と同じ速度にまで加速する。
実際はそのものすごいスピードのために離陸してしまわないよう研究されている。
F1カーにはチタンヤカーボンファイバーなどの近代的な材料だけでなく、随所にハイテクのルーツが盛り込まれている。
F1カーの存在目的はただ1つ、レースサーキットで時速300km近い猛スピードで走りぬけること。
最速への探求、車体の軽量化、ラップタイムの短縮のための研究が進められている。
素材、エンジン、車体のデザインなどなど・・・
空気力学が応用されたF1カーはモナコグランプリの高低差のあるコースでも車道にしっかりとはりついて走ることができると言われている。
車体に余分なものはない。
全てが速度をあげ、路面をつかみ、一瞬で停車するために考えられている。
荷物や地図を置く場所などない。
この自動車業界のサラブレッドとも呼べる車の重さは小型車の半分ほど。
そうはいっても自動車であることは変わりない。
ただものすごく速く、超高級でウィンカーがないだけ。

F1カーのエンジンは多くのファミリーカーより小さく、2.4リットルしかない。
馬力よりも精密さがカギ。
F1エンジンの音、猛スピードを生み出すエンジンの爆音には、普通のエンジンを破壊するほどのパワーがある。
乗用車でもF1カーでも内燃エンジンを持つ車の心臓部分の仕組みは同じ。
燃料が燃焼し、燃焼ガスが膨張し、シリンダー内のピストンを押し下げ、そこにあるシャフトを回転させることにより、別のピストンを上へ押し上げ、次の燃焼に備える。
シャフトの回転は同時に車輪を動かす力につながる。

シリンダー内のピストンを増やしたりRPMを増やすことでエンジンのパワーを上げることができる。
ピストンの上下運動とシャフトの回転数を上げる。
乗用車のエンジンはF1カーの半分の回転数に達しただけでも凄まじい熱量と圧力で壊れてしまうだろう。
F1カーのエンジンには秘密がある。
昔の大砲の技術を応用して燃焼から得られるパワーを最大限生かすことに成功した。
内燃エンジンは大砲と似ている。
どとらも筒の中で起こした燃焼を利用し、ものを動かしている。
使い道はまったく別だが・・・
大砲でもエンジンでも燃焼のパワーを有効に使うためには遊隙と呼ばれる隙間を減らす必要がある。

大砲の専門家ニック・ホール「砲弾と砲身の隙間を減らすことが重要。
初期の大砲では、砲身の穴をきれいにあけることはできなかったし、砲弾も正確な球体に仕上げることはできなかった。
隙間が多いとそこから力がもれてしまい、砲弾を強く押すことができない。」
遊隙は砲弾が砲身につまらないようにする安全策ともいえるが、デメリットもある。
砲弾の代わりにピストンを使い実験。
砲身との間にある遊び部分が問題になる。
大きさの違う2種類のピストンを用意する。
小さめのピストンから試す。砲身との間に隙間がある。
大砲の圧力は5バール、1c屬△燭蠅よそ5kgの力がかかる。
3.2.1・・・・バ〜ン!
紐とレバーを組みたてて作った大砲だが、解放された圧力の勢いでピストンを飛ばすことができた。
48m飛ばすことができた。
今度はちょうどフィットする大きさ、押し出す時に摩擦が生じてパワーダウンしないのか?
ピッタリサイズなので砲身につめる時、棒で押さねばならない。
何とかつめこみ5バールの圧力で飛ばす。
ピストンと砲身との間に隙間はない。
3.2.1・・・・バ〜ン!
全く同じ力で撃ったのに隙間が少ないだけでかなり遠くまで飛ばすことができた。
さっきより12m遠くまで飛んだ。
遊隙を減らすだけで同じ圧力を使っても25%も効率的にパワーを使える。

精密機械加工の進歩のおかげで遊隙を減らすことができた。
その功労者は鉄の男と呼ばれた実業家ジョン・ウィルキンソン、彼は18世紀後半に砲身の内側を加工する中ぐり盤を開発した。
ウィルキンソンの中ぐり盤の技術は蒸気機関のシリンダー加工にも採用され、パワーアップに貢献した。
同じ技術がF1カーの高速化にも応用されている。
ピストンの円周をわずかに大きくしただけでも大砲の飛距離を大きく伸ばすことができた。
これがエンジンの中のピストンで、毎分何1000回も上下運動していると思えばその差は歴然。

F1カーのエンジンの回転数は毎分18000回、普通車の3倍。
普通車のエンジンはおよそ200馬力なのに対し、F1カーは800馬力をたたき出す。
1リットルあたりおよそ1.3kmしか走れない。
直線を猛スピードで走り抜けることはできるがそのスピードが別の問題を生む。

離陸時のジャンボジェット機は時速90km近くに達するが、レース中のF1カーはそれをはるかに超える速度で走る。
高速で走る車は時に飛行機のような動きを見せる。
1980年Markus Winkelhockは激しい事故から奇跡的に生還した。
空気力学を駆使したデザインが全てを決める。
失敗すれば車体は空を飛び、成功すれば勝利に近づける。
古代から存在するもっとゆっくりでずっと静かな乗り物、帆船の理論を使ってF1カーのタイヤは地面にへばりついている。
風に対抗して進む帆船の技術を生かしてF1カーは車体を路面に押し付け、コーナーを曲がっている。
風下に向かって航行するのは比較的簡単。
帆を上げれば風を受け進んでくれる。
風上に進むときはそうはいかない。

2000年以上昔のアラブの船乗りは帆の形を変えることでその難問を解決した。
三角形の帆が翼を同じ動きをする。
飛行機の翼は上側の圧力を低くすることで揚力を生んでいる。
帆船のホモ原理は同じ。
帆は翼の形をしているので風が吹いて帆にあたると船を進める力が生まれる。
翼と同じで帆が作り出した圧力の低い空間に向かって帆は進もうとする。
つまり横に・・・
でも船に竜骨があれば横ではなく風に向かって進むことができる。
その原理をF1カー開発者は応用した。
速く走る車は空気力学を応用して車体を地面に押し付けている。
重くなるのでよくないと思うかもしれないが、重ければ高速でも浮き上がらない。

実験、逆さまの翼をつけた車(重力1トン)、風洞でハリケーンを起こす。
風があたり、ダウンフォースと呼ばれる下向きの力を生む。
車はしっかり地面に押し付けられている。
タイヤがしっかりグリップするので高速のまま車はコーナリングできる。
実験は時速130kmでの走行を想定しているが、エンジニアが時速320kmで走った場合の結果を計算で出した。
-1195、下向きの力ダウンフォース。
翼のおかげでさらに1トン近く重くなった。
これなら浮き上がらない。
大きな翼は大きな空気抵抗を生むため、車の速度を下げてしまう。
開発者はダウンフォースを増やし、空気抵抗を減らす研究を続けている。
空気力学は車の動作に大きな影響を与える。
レーシングカーは猛スピードで走っているので事故が起こるとあっという間に大惨事につながってしまう。
モータースポーツでは安全性も重要視されている。
F1の開発チームは最速の車を追及するとともにドライバーを守るための車体の強度をあげねばならない。
必要なのは硬くて軽くて頑丈な素材。
硬さはコーナーリングに影響する。
車体が歪むとタイヤが路面を離れてしまう。
軽い車体は加速と減速を速やかに行える。
F1開発者にとって硬くて軽くて頑丈な素材というのは夢のような存在。
40年ほど前のロールスロイス社も同じものを探していた。
彼らは画期的な新素材を開発する。
高速で回転するジェットエンジンのファンブレードに使うためだ。
軽さと頑丈さはファンブレードの絶対条件。
F1カーと同じ。

カーボンファイバー、加工前の軟らかい状態、ジェットエンジンやF1カーの部品に使われる素材とは思えない。
カーボンファイバーがレースにでるには熱と圧力という2つの工程が必要。
そのため大きな圧力鍋にいれられる。
加工が終わった素材はとても軽く、F1カーのボディに使えるほどに頑丈に変身している。
カーボンファイバーが最初紐の形をしている。
それを編んでシート状にしたり、棒状に加工して使う。
カーボンファイバーの強度を確かめてみよう。
2つのシャフトを用意する。
エンジンからタイヤに力を伝える鋼鉄のシャフトとすごく軽いカーボンファイバーのシャフト。
試験材料に壊れるまでねじる力を加える機械。
壊れる直前にどれだけの力がかかっていたのかをセンサーが計測する。
最大で8000ニュートン・メートルねじることができる。
コルク栓にワインオープナーをねじ込むのに必要な力はだいたい2N・m。
鋼鉄シャフトをねじる。
どんどん数字が上がり、シャフトが歪み始めてネッキングが見られる。
ネッキングとは金属に力を加えた時、耐えられなくなった部分がくびれて変形すること。
鋼鉄のシャフトはひん曲がってしまった。数値は1376N・m。
すっかりねじれてしまった。
カーボンファイバーをセット、このシャフトの値段はおよそ4000ドル、とても高級。
カーボンファイバーのシャフトをねじる。4728N・mで破壊した。
ジェットエンジンのおかげでカーボンファイバーが軽くて頑丈な素材だということが分かり、車の高速化に成功した。

F1カーには衣類の型紙と同じような型がある。
カーボンファイバーの生地を各パーツごと性格に切り抜くことが大切。
モノコックと呼ばれる一体型の車体も作り方は同じ。
ドライバーが乗るコックピット、超軽量の運転席は車体と一体。
カーボンファイバーに十分な強度があるため内部フレームで補強する必要なない。
ドライバーをガードするのは1枚のカーボンファイバーだけ。
他にも安全対策がいる。
F1カーの燃料も普通のスタンドにあるガソリンとほぼ同じ。
とても燃えやすく、それがもう1つの問題点。
F1カーは必要なガソリンをすべて積んでレースに挑む。
200リットルの燃料を時速320kmで運んでいるなんてまるでミサイル。
燃料タンクが破れたらドライバーは丸焦げになる。
たいていのものは強度をあげると重くなるが、F1界では太ることは許されない。
そこで防弾チョッキの技術を使い、軽さと速さを保ちつつ安全性をあげた。
悩んだ開発者は考え方を変えた。
燃料タンクを硬く頑丈にして衝撃に耐えるのではなく、サスペンションの理論を応用することにした。
それは弾力性、ウォーターボトルとエクササイズ用のゴムボールの中に水をいれ、15mの高さから落としてみよう。
ウォーターボトルは破裂し、水が飛び散ってしまうが、ゴムボールは衝撃に耐え破れない。
軽くて柔らかい素材は変形し、衝撃を吸収するので理想的だが、柔軟性と強度を実現することは難しい。
ゴムボールは落下時の衝撃には耐えられるが先の尖ったものに触れたら破れてしまう。
軟らかい素材は壊れやすい。
強くしたければ硬いものを作る。

しかし頑丈な素材を繊維に加工することで、とても軟らかくて同時に強いケブラー(Kevlar)のようなものが作れる。
強度は高いが繊維の状態ではてもフワフワ。
ケブラーは刺す力に対して強いため、兵士の防護服に採用されている。
もともとは1965年にStephanie Kwolekという科学者によって開発されたもので、目的はタイヤの軽量化だった。
カーボンファイバーと同じようにこの奇跡の繊維は鋼鉄よりも強く、5〜10倍の強度を持つと言われている。
これだけ細くしても強度は保たれているとは驚き。
ケブラー繊維を使って生地を編む。
生地にすれば形のあるものを作れるが燃料は漏れてしまうので、別の軟らかい素材で包む。
ケブラーとゴムを合わせた素材を使えば容器を作れる。
F1カーの燃料タンク、とても高額な開発費がかかっている。
2つの素材を組み合わせることで、丈夫で燃料漏れを起こさないタンクを作ることができた。
ゴムとケブラーで補強することで十分な強度を得ることができた。

F1カーのタイヤはレースの最後までもつように作られていない。
少なくとも1回は途中で交換する必要がある。
タイヤ交換にかかる時間は・・・F1の整備士は4本のタイヤすべてを10秒以内で交換する。
工具を使いこなすピットスタッフの動きはまるで訓練された兵士のよう。
通常のタイヤは数本のボルトで固定されているが、F1タイヤは中央の1カ所だけで固定するセンターロック方式なので、エアガンを使えば1秒未満で取り外せる。
速度が上がると物体の温度はあがる。
F1カーも同じ、車体の中で15万回も回転する。
ホイールの温度は1000℃に達することもある。
普通車のホイールの素材は鋼鉄だが、重くて強度が低いため、F1カーには使えない。
車輪の素材はマグネシウム、いろんなものに使われている。
発火材にも使われている。
もしタイヤがパンクし、車輪が地面に触れてこすれてしまったら発火して大惨事につながることだろう。
それでもなぜレーシングカーにマグネシウムを使うのか。
軽くて丈夫だからだ。
F1の世界では軽さと強度は少しの火災のリスクを超える価値があると考えられている。
マグネシウムは急加速や高速でのコーナリング、ブレーキングに耐えられる。

マグネシウムの強度をさらに上げるため、技術者が知恵を拝借したのは古代の技術。
金属を成型するには鋳造という加工法がある。
溶かして型に流しいれるだけ。
鋳造ではハンマーのように簡単なものだけでなく、もっとデザインにこった剣も作れる。
鋳造よりもとても優秀な加工法がある。
剣もF1カーのホイールにももう1つ別の手順を踏むだけで、ずっと強度があがる。
古代から伝わる鍛造という技術だ。
鍛造は圧力を加えると圧縮する金属の特性を生かした加工法。
工法は大きなハンマーで繰り返し叩くこと。
金属を叩くと内部の粒子が均一にそろい組織が強くなる。
鋳造では粒子がバラバラになったままなので、衝撃に弱い部分ができてしまう。
仕上げ、磨き上げた剣は見事に経bン新。
F1チームはホイールに鍛造マグネシウムを使っている。
鍛造したものは鋳造品より軽くて頑丈。
製造工程は少し工業化されている。
半分溶けた状態の合金に9000トンの圧力を加えて成型することで粒子がそろいものすごく強いホイールを作ることができる。

F1カーはスタートからゴールまで最速で走りぬけることだけを考えて作られており、その見事な走りに世界中の人々が魅了されている。
レースの大半はサーキットで起きているのではない。
開発チームはほんの少しでもライバルの先を行こうと日々血のにじむような努力を続けている。
言い換えると最先端の科学技術を応用しているということ。
F1の技術はレースサーキットを飛び出し火星にまで到着した。
火星着陸機ビーグル2に使われているハイテクプラスティックはF1カーの技術から生まれたのだ。

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6EVILSTAR9 (2012/02/06 12:31 PM)
これはヒストリーチャンネルからですね。
私も見ました。

技術者たちが創ったレーシングカーは芸術ですね!
6EVILSTAR9 (2012/02/06 1:03 PM)
↑間違えました、すみません。
ナショナル ジオグラフィックでしたね。
http://www.ngcjapan.com/tv/lineup/prgmepisode/index/prgm_cd/571
poyo (2012/02/06 8:11 PM)
6EVILSTAR9さん、コメントありがとうございます。
私も、ナショジオと、ディスカバリーチャンネルと、ヒストリーチャンネルが、ゴチャゴチャになっていますので、ヒストリーチャンネルですね、と言われて、そうですね、と答えていたと思います。
エンジニアは、より良いものを目指して、努力しているのでしょうね。
私も、何か、発明できたらなあ・・・
SKD (2012/08/21 1:00 PM)
 さいきん、車関係でS-MAGIC製のなんちゃらパーツって聞くようになったんだが、何の略じゃ?
poyo (2012/08/22 9:32 PM)
SKDさん、コメントありがとうございます。
S-MAGIC製のなんちゃらパーツ・・・
なんでしょうね?









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