NASCARは物理学を学ぶための最速の道かもしれない

高速で移動するというのは、とにかくスリル満点です。歴史を通じて、人々は徒歩、馬、船、自転車など、常により速く移動しようと努めてきました。

今日のスピード愛好家は、ほぼ毎週末、お気に入りの NASCAR ドライバーが命知らずのスピードでトラックを走るのを見て、間接的にその体験をすることができます。

人々をこのスポーツに惹きつけるのは、観客の興奮か、あるいは常に危険にさらされているからかもしれません。あるいは、観客を引きつけるのは科学と工学の偉業かもしれません。物理学者として、私はNASCARレース中にあらゆる物理原理が披露されるのを見るのが大好きです。

スピード

NASCAR のドライバーは時速 200 マイルを超える超高速で走行します。加速が非常に速いため、時速 0 マイルから 60 マイルに達するのに 3 ～ 3.5 秒しかかかりません。この加速中、車は平均 2,600 ポンドの水平方向の力をトラックに対して加える必要があります。これは、大型のアメリカワニの噛む力、または成獣のバッファローを持ち上げる力に匹敵します。

アインシュタインの特殊相対性理論によれば、空間を速く移動するほど、時間の流れは遅くなります。したがって、スピード狂の NASCAR ドライバーは、私たち一般人よりもほんの少しだけ老化が遅いと言っても過言ではありません。3.5 時間のレースを終えた時点で、ドライバーはじっとしていた観客よりも約 0.5 ナノ秒だけ老化が遅くなります。ドライバーが今後 50 年間、時速 200 マイルでノンストップでレースをした場合、私たち一般人よりも 70 マイクロ秒だけ老化が遅くなります。

NASCAR のドライバーはスタンドの観客に比べると信じられないほどのスピードで動いているが、彼らのスピードはアインシュタインが考えていた光が移動できるスピード、時速 6 億 7000 万マイルに比べれば小さい。トラックでの相対性の影響は小さいが、確かに存在する。

トラック

では、ドライバーはどのようにしてこれらの速度を達成できるのでしょうか?

車がカーブに入ると、当然、元々進んでいた方向に進もうとします。楕円形のトラックのカーブに沿って方向を変えるには、力を加える必要があります。

必要な力は、タイヤとトラックの間の摩擦から生じます。摩擦は、タイヤとトラックが互いに滑るのを防ぐ、両者のつながりです。

つまり、ドライバーにとっては、バランスを取る行為です。ペダルを踏み続けたいのですが、カーブでは摩擦による操縦能力を上回るほどスピードを出してはいけません。スピードを上げすぎると、摩擦が十分でなく、車が元の方向に進み続けて壁に直行してしまう可能性があります。スピードを落としすぎると、競争相手に遅れをとってしまいます。

トラックの設計方法がここで役立ちます。カーブは傾斜しており、つまりトラックの外側が高く、中央に向かって低くなっています。車を押し上げる道路の力の一部（物理学者はこれを法線力と呼びます）がタイヤの摩擦力を補助し、車がカーブを曲がるのを助けます。

最速のレーストラックのカーブでのバンク角は、遊び場の滑り台の傾斜に匹敵します。リッチモンド インターナショナル レースウェイのバンク角により、車はバンク角がない場合に比べて約 1.3 倍の速度で走行できます。デイトナやタラデガで見られるような大きなカーブや高いバンク角により、ドライバーはコーナーを曲がるときにより高い速度を維持できます。

力

パワーとは、一定時間内にある形態から別の形態に変換されるエネルギーの尺度です。ストックカー レースでは、ガソリンに蓄えられた化学エネルギーが運動エネルギーに変換されます。

NASCAR エンジンは約 750 [馬力)(https://www.popsci.com/what-is-horsepower/) (560 kW) を出力します。これは、約 300 馬力の類似モデルのストリートカーを上回ります。レース中、NASCAR エンジンの電力変換は、同じ期間の一般的な米国家庭の電力使用量の約 500 倍になります。

車の動力は、エンジンの回転によるガソリンの燃焼から生まれます。NASCAR エンジンの回転は、標準的なストリートカーの 3.5 倍速く、はるかに効率的であるため、より速く燃焼してより多くのパワーを生み出すことができます。

衝突

ストックカーの高速性とパワーには、危険な衝突のリスクが伴います。NASCAR で最も激しいクラッシュのいくつかは、約 80 G を記録します。これは、地球に人間を固定する重力加速度の 80 倍に相当します。参考までに、遊園地の乗り物では最高約 6 G です。

安全要素は、衝突が発生する時間、距離、および面積を広げて、これらの大きな力を低減しようとします。その原理は、ブレーキを急に踏むよりも徐々に停止する方が衝撃が少ないことや、釘のベッドが 1 本の釘の上に横たわるよりも広い面積に体の重量を分散することと似ています。

レーストラックの外壁に沿って設置された SAFER バリアは、衝突時に潰れて衝撃力を広範囲に分散させるように設計されています。また、車両の前部も潰れるように作られており、衝突時間が長くなります。

車内のカーボンファイバーシートは、アルミシートに比べて衝撃エネルギーをより多く吸収します。胸郭と肩を包み込むことでドライバーを安定させ、衝撃力をより広い範囲に分散します。

5 点式ハーネスがドライバーと車をつなぎ、衝撃範囲を再び広げます。また、このハーネスはドライバーを車につなぎとめているため、衝突するまで全速力で前進し続けるのではなく、車が潰れるのに合わせてドライバーも減速します。

次回、レース場に行ったりテレビを見たりするときは、NASCAR の物理学や、このスポーツのスピード、パワー、安全性を向上させるために舞台裏で働いている科学者やエンジニアの貢献について考えてみてください。

クリスティン・ヘルムズはリッチモンド大学の物理学助教授です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。