F1のレース映像を観たとき、多くの人々が驚くのは、その常識を超えたスピードとコーナリング性能だろう。時速300kmを超える速度で、ドライバーは物理法則を無視しているかのように猛烈な勢いでカーブを曲がり抜ける。これは、F1マシンが通常の車と根本的に異なる哲学のもとに設計されているためである。
飛行機が翼で空気を利用して浮き上がる「揚力」を生み出すのに対し、F1マシンは空気を利用して「地面に押し付ける力」を生み出す。この力が「ダウンフォース」である。F1マシンは理論上、時速150km程度で走行していれば、トンネルの天井を逆さまに走っても落ちないほどの強烈なダウンフォースを発生させると言われている。
F1の勝利の鍵を握るダウンフォースの科学的原理と、その技術の進化がレース戦略や安全性をどう変えてきたのかを紹介したい。
逆さまの翼が持つ驚異のパワー
ダウンフォースの核心は、ベルヌーイの定理という流体力学の基本原理にある。この定理は、「流体の速度が速い場所では、圧力が低くなる」という法則を示している。飛行機の翼は、この原理を利用して翼の上側の空気の流れを速くし、上側の圧力を低くすることで下向きの圧力差（揚力）を生む。
F1マシンのフロントウィングやリアウィングは、この飛行機の翼を上下逆さまにした形状をしている。マシンのウィングは、下面を長く湾曲させ、上面を平らに近い形状にすることで、ウィングの下面を通過する空気の流れを上面よりも速くする。その結果、ウィング下面の圧力が低下し、上面の大気圧との間に大きな圧力差が生まれる。この圧力差こそが、マシン全体を強力に地面へ押し付けるダウンフォースの正体だ。
特に、現代F1においてダウンフォースの発生に最も貢献しているのは、ウィングよりも車体の底面「フロア）」である。F1マシンのフロアは、特殊な形状（ベンチュリトンネル構造）をしており、走行中にフロア下の空気を急速に加速させる。この加速により、フロア下の圧力が極端に低くなり、マシン全体が強力に地面に吸い付けられる。この仕組みは、マシンが高速になるほど強力になり、結果としてマシンが地面に固定される力が増大する。この超強力なグリップ力が、ドライバーがコーナーを猛烈なスピードで曲がり切ることを可能にしているのだ。
予算制限とオーバーテイクの課題
The cornering speed is insane 🤯#F1 #LasVegasGP pic.twitter.com/831S1WlDYA
— Formula 1 (@F1) November 22, 2024
ダウンフォースの追求はF1の技術開発の最重要課題であり続けているが、その技術進化はオーバーテイクの難しさというレースの面白さに関わる大きな課題を生み出してきた。
F1マシンのダウンフォースは、その正確で綺麗な空気の流れの上に成り立っている。しかし、先行するマシンが高速で走行すると、そのマシンの後方には乱気流（タービュランス）の塊が発生する。これは、ボートの後ろにできる波のようなものだ。
後続のマシンがこのタービュランスの中に入ると、乱れた空気がウィングに適切に当たらなくなり、ダウンフォースを大幅に失ってしまう。失うダウンフォースはしばしば40%～50%にも達し、後続車はグリップ力を失い、先行車に近づくこと自体が困難になる。これが、F1でオーバーテイクが難しい最大の理由の一つであった。
この課題を解決し、より接近したバトルを可能にするため、F1は2022年シーズンに大幅な空力レギュレーションの変更を導入した。それは、1980年代に禁止されていたグラウンドエフェクトをフロア下で強力に発生させる設計への回帰である。
新しいレギュレーションでは、ダウンフォースの大部分をウィングではなく、フロア下のベンチュリトンネルに依存させた。この設計の意図は、フロアで発生させたダウンフォースは、ウィングで発生させるダウンフォースに比べて、後方に乱気流を発生させにくいという特性にある。結果として、後続車がダウンフォースを失う影響を軽減し、より先行車に肉薄した状態でコーナーを曲がり、オーバーテイクの機会を増やすことを目指している。
現代F1では、予算制限が厳格に適用されている。これは、資金力のあるチームが無限に空力開発に費用を投じ、格差を広げることを防ぐためだ。この制限により、空力開発の専門家たちは、限られたリソースと時間の中で、いかに効率的かつ革新的なダウンフォースを生み出すかを日々模索している。
F1のダウンフォース開発の歴史は、スピードと安全性のバランスを巡る闘争の歴史でもある。F1に初めて「翼」が装着されたのは1960年代後半である。当初はF1マシンに飛行機の翼をそのまま取り付けたような単純な構造だったが、この小さな翼がもたらすグリップ力の増大に気付いたエンジニアたちは、すぐにその可能性に着目した。
1970年代に入ると、車体全体を巨大なインバート・エアフォイルと見立て、フロア下でダウンフォースを発生させるグラウンドエフェクトが開発された。サイドスカートと呼ばれるカバーでフロア下の空気を密閉し、ベンチュリ効果を最大化するこの技術は、当時のF1マシンを驚異的な速さへと進化させた。
しかし、それは同時に安全性を脅かすリスクにもなる。サイドスカートが破損したり、車体が路面のバンプなどでわずかに浮き上がったりすると、フロア下の空気の密閉状態が崩壊し、一瞬でダウンフォースが失われる。この突然のグリップ喪失は、多くのドライバーを高速クラッシュへと導き、安全性の観点から1980年代初頭に厳格なルール変更によって禁止されることとなった。
この教訓から、FIA（国際自動車連盟）は、ダウンフォース技術の発展に歯止めをかけるのではなく、安全性の確保を最優先に、ウィングのサイズや車体の形状を規定するようになった。F1のレギュレーションは、常に「最速の追求」と「ドライバーの保護」という二つの目的の間で揺れ動いているのである。
環境対応と次世代技術
F1は単なるレース競技ではなく、自動車産業の最先端技術のショーケースでもある。ダウンフォース技術も例外ではない。
2026年からはアクティブ・エアロダイナミクスの導入が本格化すると見られている。これは、走行中にマシンのウィングや車体の一部が自動的かつ動的に動くことで、状況に応じてダウンフォースとドラッグ（空気抵抗）を最適化する技術である。
例えば、直線では空気抵抗を減らして最高速度を上げ、コーナー手前ではウィングを立てて最大のダウンフォースを発生させる。すでに市販のスーパーカーにも導入されているこの技術は、F1においてドライバーのスキルと戦略の幅をさらに広げる可能性を秘めている。
また、F1はカーボンニュートラル社会への貢献を目指しており、持続可能な燃料への移行を進めている。将来のF1マシンは、エンジンの高効率化だけでなく、いかに空気抵抗を減らし、少ないエネルギーで速く走るかという空力効率の追求がより重要になる。
ダウンフォース技術は、単に速さを追求するだけでなく、エネルギー効率を高め、未来の自動車開発にも貢献する「環境対応型テクノロジー」としての側面を強めている。
✍️この記事はいかがでしたか？ 読後のご意見・ご感想をぜひお聞かせください