タイヤの接地面積とグリップ力の関係について教えて下さい。

Question

基本的にタイヤを太くしたり径を大きくしたりして接地面積を大きくするとグリップ力は向上すると思うのですが、そうではないという記事を見て錯乱しています。
私が見た記事では接地面積が増える＝面圧が下がるということで結果的に摩擦係数が同じになり、太いタイヤと細いタイヤの間にグリップ力に差は生まれないということを数学的に説明されていました。

しかし私の足りない脳で考えたところ、やっぱり接地面積は少なからずグリップ力に影響を与えると思うのです。
空気圧を上げすぎたタイヤは、中央部分しか接地しなくなることでグリップしなくなってしまうと聞きます。
街乗りをする車に極端に太いタイヤを履くと燃費が下がりますよね、これはタイヤの転がり抵抗が増した、つまりグリップ力が上がった結果なのではないでしょうか。
その昔タイレルというF1マシンが空力の為にフロントタイヤを小さくし、それによる接地面積の減少を、前輪を4輪にすることで補うということもしていました。
トヨタ・MR2やMR-Sといった車は純正で後輪のタイヤが大きくなっており、前後同じサイズのタイヤを履いたらフロントの応答性が高くなりすぎ、簡単にスピンしてしまうような挙動を示すそうです。
最近では日産・ZEOD RCという、後輪は他のLMP1マシンと同じくらいのサイズなのに前輪は極端に細い車がありますが、あれは重心がほとんど後輪車軸上にあるためタイヤサイズが前後で大きく違うんだそうです。

これらはつまり接地面積は直接グリップ力を上げるということですよね？
タイヤのゴムが持つ摩擦係数とグリップ力は必ずしも一致しないということでしょうか？

Answer 1

小学校ので習うのは、摩擦力＝摩擦係数×重さで、摩擦係数が動摩擦係数か、静止摩擦係数かの違いだけですが、現実の世界ではそうはならないのです。
タイヤとアスファルトの摩擦力は、重さを倍にしても摩擦力は倍にまでなりません。
ってことは、狭い面積に重さを集中させるより、広い面積に分散させた方が摩擦力が大きくなります。

質問者からのお礼コメント

なるほど！！ロールしてどちらかのタイヤに荷重が集中すると、荷重が集中した方のタイヤのグリップが増加する割合が、荷重の増加した割合に比例しないんですね。
それがタイヤを太くすることで、比例関係に近づいていくので、結果的に限界走行時のグリップ力の総量が増えたことになるのですね。

Answer 2

条件が欠けています。
路面とタイヤの摩擦係数が大きい場合ではそうなります。
後は自分で考えましょう。

Answer 3

摩擦力をF 、路面の凸凹への引っかかり具合（摩擦係数）を μ 、路面に押し付ける力（垂直抗力） をNとすると。
F = μN になります。
ここに接地面積を表す記号が無いのは、接地面積と摩擦力は無関係だからです。
例えば接地面積を半分にしても、車重が変わらなければ単位面積当たりの垂直抗力が倍になるので、摩擦力に変化は生まれません。
これが簡単な物理のお話です。

ところが実際の車の場合は、そう簡単なお話ではありません。
例えばタイヤに使用されるコンパウンドなどは、温度や速度、垂直抗力に対して比例関係の摩擦係数をもっていません。
走行中はタイヤに掛かる条件は常に変化しますから、摩擦力も状況によって激しく変化する事を意味します。
ですから上記の式は教科書の中で成り立つもので、実際にはなかなか成り立たないのです。

仰る通り、摩擦力が大きい物はなかなか動き出しません。
これは押した分だけ押し返される、作用・反作用の法則のためです。
この時のグリップは静止摩擦力といい、動き出しの瞬間が最も高い摩擦力を発揮します。
一方動いているときの動摩擦力は、動き出しの瞬間よりも若干低い摩擦力となります。

Answer 4

混乱するのもむりないですね。
重要なのは「一般路とコースでは違う」という点です。
一般路では凹凸の影響が大きく接地面積が大きければ大きいほど
しっかり接地しなくなります。
ワイドすぎるタイヤでは常にトレッドの一部しか接地していない状態になりがちです。
一般路では細めのタイヤの方が全面が接地しやすいのです。
コースでは平坦度が良いので接地面積が大きい方が摩擦グリップは
当然大きくなります。
しかしながら一般路であってもあまりにも細いタイヤでは荷重を支えきれなくて
サイドウォールが変形してしまうようではグリップどころではないので
細めといっても限度はあります。
ただしこれも乾燥路面だけの話で、濡れた路面では別の要素が
絡んできますので話は複雑になります。

Answer 5

タイヤだけを変えても接地面はあまり変わらないと思われます。

グリップとなりとタイヤ幅よりもセッテングで大きく変化すします。

Answer 6

実は説明が難しく、数式やグラフを使ったほうが説明しやすい内容ではありますし、知恵袋の字数で説明しきれる自信もないですが、他に出ている回答が、とんでもなく「どうでもいい」「説明になっていない」説明をしているので、なるべく感覚的にもわかるように説明します。

消しゴムで字を消すとき、同じ力で消しゴムを押すとして、何倍も幅広い消しゴムを使っても、よく消えませんよね。広くなった分だけ強く押さないとよく消えないと思いませんか。

これがあなたも例をあげている「面圧」が下がるという事例です

じゃ面圧が下がる幅広タイヤは意味がないのでしょうか？

例えばランエボＲＳが２台あったと仮定します。RSは純正で195/65R15を履いており、1台にはランエボＧＳＲに履いている235/45R17を履かせたとします。銘柄は全く同じ例えばエコピアPZ－Xとして、ゴムじたいのグリップは同じとします。

この2台を一般道を30ｋｍ/hで走るとするとグリップの差はないところか人によっては17インチはハンドルが重くて切れないとか軽快に走らないとか195のほうが走りやすいという人が結構います

じゃ富士スピードウェイでタイムアタックをするとほとんどの人が235のほうが安定してタイムが出せるし、安全だと思うと思います

さっきの消しゴムの例だと広くなった分、強く押さないとよく消えませんよね。

じゃ同じ車重の車でもタイヤを強く押すにはどうするか、というとタイヤに強く負荷をかけて荷重をかけるしかありません。スピード、フルブレーキ、フル加速といった負荷をかけていくと235のほうがグリップが高いことがわかると思います。

また更に深い話ですが235になると偏平も下がりますし、またトレッドの下のスチールベルトの幅が広がります。このゴムより硬いスチール材の幅が広がり、ケース剛性があがることがCF（コーナリングフォース）をあげる効果につながります。

消しゴムの例でいえば、ケース剛性をあげることは、消しゴムをきちんと持つ、ことにつながりますのでますので、よく消えるようになることがわかりますかね。これもグリップUPにつながるんですよ

他にも数式など話したいことはありますが、まずはイメージ掴めましたかね。

下の方は何を言っているのか、わかりません。「タイヤとなると駆動とブレーキと舗装面となるので」って日本語なんでしょうか

もっとわからないのが
「柔らかくて、摩擦を少なくして滑っているようにしか思えません」

ふつう、ゴムが柔らかいと熱をもって摩擦が強くなるのですが・・・滑っているのはそれだけパワーがあってグリップ力を超えているからで摩擦をわざわざ少なくしているわけないじゃないですか

Answer 7

salocin780さんへ

推測での回答です。（素人です）

摩擦といいますか、ひっかかりといいますか、
重量に対し、面積の小さいほうが大きい。
（針を刺せば・・・）

ただ、タイヤとなると
駆動とブレーキと舗装面となるので
まさに、そのバランスの問題に
変わるのだろうと思われます。

なので、ＧＴ－Ｒは 4輪駆動で
タイヤ性能を存分に発揮し
早い。

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常に疑問に思うのが
Ｆ１の 溶けているタイヤ。
どんなに粘りがあろうとも
柔らかくて、摩擦を少なくして
滑っているようにしか思えません。
不思議でなりません。