車にまつわる物理学

車が高速道路を時速１００㎞の一定速度で走行しているとしたとき、推力は車にかかる抵抗力（＝空気抵抗力＋タイヤと路面の間の転がり抵抗力）と釣り合うだけのパワーを出しています。外力となる抵抗力と推力が打ち消しあってあたかも力がかかっていなかのようです。これは運動方程式の左辺の加速度が０になるためで、すなわち等速運動しているということを意味します。このことから、高速道路を時速１００㎞で走っているときのエンジン出力Ｐ［Ｗ（ワット）］を以下のように求めてみましょう。

車にかかる抵抗Ｄは、空気抵抗力と転がり抵抗力の２つです。表に示す一般的な車の諸量※ を使って抵抗力を見積もると、D＝503Nと計算できます。したがって、この抵抗と釣り合うために必要なエンジンの推力はT＝503Nとなります。ですから、この推力に速度27.8ｍ／ｓ（時速でいうと１００ｋｍ／ｈ）を掛けるとパワーＰを求められ、Ｐ＝Ｔ×ｕにより、Ｐ＝14kWが導かれます。馬力（HP）では19馬力です。これで１時間走るのに必要なエネルギーは、パワーに１時間＝３６００秒を掛けることで求められるので14kW×3600秒＝5.04×107Jとなります。ちなみに、１時間の走行距離は１００㎞です。

ガソリン１リッターの持つエネルギーは、3.5×107J。このうちの15％がパワーを生み出すのに使われると仮定した場合、１時間で１００㎞走るのに必要なガソリンの量は、９・６Ｌになります。リッター当たり何キロ走るかが燃費の評価となるので、１００㎞を９・６リッターで割ると、10.4㎞／Ｌと計算できます。

これらのことから燃費を向上させるには、第一に空気抵抗を減らす工夫をする、特にＣＤ値（空気抵抗係数）を小さくする、つまり、空気力学的に車に沿って空気がスムースに流れるようにデザインする必要があるのです。ですから、余計な突起（ドアミラー、ワイパーやアンテナ）を工夫して目立たないようにする、車底をスムースにする、後部形状を空力的に低抵抗にする、それに転がり抵抗を少なくするために車重を軽くすることも重要です。あなたの車はこれらの要件を満たしていますか？

出典：『眠れなくなるほど面白い　図解　すごい物理の話』著/望月修