学生なら物理で車を考える①【ブレーキ編】

コーナーや加速でよく「Gを感じる！」っていうじゃないですか。Gってなぁにって話になりますよね。その話をしようかと思います。これから話すのは受験で物理を選ばなかった人向けに書く内容です。物理がわかる人なら茶番でしょうね。

「スピードが危ないのは判断が遅れるから」だけじゃないよ

なぜブレーキについて私が最初に取り上げたか。車は走る、曲がる、止まるという３つの動作に分けられます。止まるというのは危険回避には欠かせません。湾岸の追い越し車線を爆速で突き抜けるのは楽しいですが、万一車が割り込んできて止まれるかどうか、自分が「何キロ出してるから止まれるのはあそこら辺だなぁ」と常に考えられれば事故りませんよね。止まれるか判断できるのは一番大事なのを肝に銘じましょう。

結構理屈で考えますから皆さん頑張ってついてきてください。

一般的に危険に気がついてからブレーキを踏み（①）そこから停止する（②）までの距離を停止距離（①＋②）と言います。①は空走距離、②は制動距離と呼ばれ、今回は②の制動距離について考えます。

教習所の講習で教官が「制動距離は速度の２乗に比例します」と言いますが、「なんで？」とか「本当に？」って思う人もいるはずです。昔コーヒーのCMでアインシュタインのモノマネが黒板に $$E=mc^2$$ と書き、$E,m,c$を「いいね、まじで、カンタン」と読んでいたのを知らないだろうか。これはアインシュタインの立てた仮説の式ですが、この式の$E$はエネルギー（Energy）、$m$は質量（mass）、$c$は光速（celeritas）に由来します。光速だけでラテン語で他は英語です。光速って光の速度ですよね。「エネルギーは光速の２乗に等しい」つまり比例してると意味します。このことからスピードの２乗が車のエネルギーであることを想像して欲しいです。それでは実際に考えてみましょう。車のエネルギーを$E$、車重を$m$、スピードを$v$とします。すると実は次の式が成立します。$$E=\frac{1}{2}mv^2$$ ここで「加速度」「力」「仕事」について話します。「加速度」はどのくらいの速さで加速しているかを指し、$a$（acceralation）と書きます。単位は$m/s^2$で、$m/s$に更に$/s$が加わったと考えてください。$1m/s^2$は$1m/s$加速するのに1秒、$2m/s^2$は$2m/s$加速するのに1秒ということです。すると「力」$F$（force）というのは次のように表されます。 $$F=ma$$ コーナーで「Gを感じる」のGって要は単なる力Fなんですよね。どのくらいの大きさか、いかにして発生するかは次回にお話します。「仕事」はエネルギーに相当し$W$（work）と書きます。仕事は力とその力を加えた距離”l”の席で表され、次のように立式されます。 $$W=Fl$$ $E$というエネルギーを持った車を停止させるには$W$という仕事が必要です。止まってるもの動かすには力$F$が必要ですよね？同様に動いているものを止めるのにも力$F$が必要で、それは「ブレーキ」に当たります。ブレーキ$F$をかける距離$l$とは制動距離のことですよね。よって $$W=E⇔Fl=E⇔mal=\frac{1}{2}mv^2⇔l=\frac{v^2}{2a}$$ ブレーキをかけた時の減速度合い、すなわち負の加速度は変化しない、つまり$a$は変化しません。そのカラクリはまた今度話します。それでは具体的に数字を入れてみましょう。$v=100[km/h]=\frac{100}{3.6}[m/s]$、$a=0.8G[m/s^2]=0.8×9.8[m/s^2]$とすると、制動距離$l$は$l≒50[m]$です。200km/h出していたら止まるのに50×$2^2$=200mかかるわけです。おっかないでしょ？スピードが出ていれば判断も劣るし、気づいたとしてもブレーキ踏むまで空走距離がかかります。 $v$はあなたが走るスピード次第だし、$a$はあなたが良いタイヤ、良い車を乗ればもっと大きくなるでしょう。速度を抑え、良いタイヤを履けば短く止まることができるのです。

安全＝その状況での限界を把握すること

このように物理的に考えると車は速ければ速いほど自分が想像する以上に止まらないわけです。常にスピードを出さないのは一見正しいですが、ある程度限界を知ることは大事だと私は思います。飛ばすときは自分で速度と相談しましょう。高速道路では白線8m、白線と白線の間は12mです。次の白線から次の白線まで20mと考え、「100km/hで50mだから２本ちょい」「120km/hで70mは４本ぐらい」「140km/hで200mだから10本」と先を見てイメージすれば、どこまで飛ばして良いか予想でき、その状況での限界を知ることができます。事故する時って大体不注意か予期せぬことですよね。多少脇見していても車間距離を取れば止まれますし、限界を知っていれば止まれます。物理をわかってると何かと役に立つんですよ！以上を肝に銘じておきましょう。