テスラ サイバートラック vs. フォード F-150：すべては摩擦次第

テスラはきっと私を試しているんだ。先週のサイバートラックのプロトタイプ発表では、アーマーガラスのデモが失敗に終わった。今度はサイバートラックとフォードF-150の綱引きだ。まさに苦戦必至の綱引きだ！

見た目は迫力満点だ。しかし、これは馬力やトルクの戦いではなく、質量の戦いだ。両車とも十分にパワフルなエンジンを搭載している限り、重い方が勝つだろう。なぜか？それはゴムが路面に接する摩擦が全てだからだ。鋼鉄製の車体を持つテスラ・サイバートラックは、おそらくF-150よりも重量があるだろう。そして、環境問題などの理由から、それは必ずしも良いことではない。

こういうスタントに騙されないためには、物理​​学を理解しておく必要があります。一体何が起こっているのか見てみましょう。

問題はこれだ

摩擦は非常に複雑です。2つの物体の表面には、相互作用する原子が多数存在しています。これはそれほど単純ではありません。しかし、ご心配なく。この相互作用をモデル化するかなり簡単な方法があります。ここでは、2つの非滑動面（または「静摩擦面」）間の摩擦力の大きさを表す式を示します。

このモデルの各パーツを見ていきましょう。まずはデモを見てみましょう。本やブロックなど、似たようなものを平らなテーブルの上に置きます。横から押してみましょう。ただし、動かない程度に強く押しましょう。例えば、こんな感じです。

ブロックは動かないので（厳密に言うと加速しないので）、物体にかかる正味の力はゼロニュートンです。つまり、右に押す力と左に押す摩擦力の大きさは等しいということです。では、ブロックを押し下げながら横に押してみてください。

これで、ブロックを動かさずに横方向の力を大きく加えることができるようになりましたね。これは明白で直感的ですが、なぜそうなるのかご存知ですか？摩擦力が増大したからです。これを理解するには、もう一つ、あまり目立たない力、つまり垂直抗力が働いていることを認識する必要があります。

実際には、ブロックを押し下げると、テーブルはブロックが加速してテーブルを突き抜けるのを防ぐため、等しく反対方向の力でブロックを押し上げます。これは、表面に対して垂直であるため「垂直」な力と呼ばれ、重力によって人が歩道を突き抜けるのを防ぐのと同じ種類の力です。

これが全体の鍵です。摩擦力の大きさは法線力の大きさに依存します。強く押し下げれば押し下げるほど、横方向の動きに対する摩擦抵抗は大きくなります。

質量が大きければ摩擦も大きくなる

さて、摩擦モデルに戻って見てみましょう。「静摩擦力」（F _f）つまり、2つの表面が互いに動かないようにするために必要な摩擦力は、法線力（N）と「静摩擦係数」（μ s ）の積以下である、と説明されています。これは、ブロックが横方向の力にどれだけ抵抗できるかの限界を定めています。横方向の圧力が式の右側の数値を超えると、ブロックは動きます。

摩擦係数は単位のない値で、通常は0から1の間で、接触する物質の種類によって異なります。氷の上で鋼鉄が摩擦係数が低いため、そりを氷上で押すのは簡単です。アスファルト上でタイヤのゴムが摩擦係数が高い場合は、0.7程度とはるかに高くなります。

さて、これはピックアップトラックの質量とどう関係があるのでしょうか？例えば、あるトラックが別のトラックを牽引しているとします。このような状況における力の図を以下に示します。

トラックは上下に加速しないため、垂直方向の力は合計でゼロニュートンになります。つまり、垂直抗力は下向きの重力と同じ大きさでなければなりません。そして、重力はトラックの質量に依存します。つまり、トラックが重いほど、垂直抗力は大きくなります。

水平方向はどうでしょうか？動画では、サイバートラックにロープが取り付けられています。このロープは張力によって右方向に引っ張られ、サイバートラックのタイヤと地面の間の摩擦力によって左方向に押されます。トラックが加速（そして動き出す）するには、この摩擦力が後方への張力よりも少なくとも少しは大きくなければなりません。しかし、ここで重要な点が見えてきます。質量が大きいほど垂直抗力が大きくなり、結果として摩擦力も大きくなります。つまり、質量は重要なのです。

おもちゃの車の対決

でも、まだ納得しないの？もっとパワフルなトラックの方が綱引きに勝てるんじゃないの？いいデモンストレーションをやってみたらどう？ここに電池式のおもちゃの車が2台あるわ。赤い車は単2電池2本で動いてる。青い車は単2電池1本で動いてるから、赤い車ほどパワフルじゃないの。この2台の車が綱引きをしたらどうなる？

驚くようなことはありません。バッテリーを2つ搭載した車が勝ちます。でもちょっと待ってください！バッテリーを1つだけ搭載した車に質量を追加したらどうなるでしょうか？ 次のようなことが起こります。

見てください。バッテリーが1つだけの車が勝ちました。重要なのは質量です。

困難な戦い

ああ、でも坂道ではどうでしょう？確かに、上り坂だとこの競争に勝つのは難しくなりますが、それでも質量が最も重要です。こちらはテスラのトラックが荷物を坂道に引っ張っている図です。

この場合、何が違うのでしょうか？まず、法線方向の力が小さいことです。トラックは傾斜面にあるため、重力の一部だけがトラックを路面に押し付けます。つまり、路面からの押し返しの力も小さくなるということです。法線方向の力が小さいほど、摩擦も小さくなります。

でも待ってください！さらに悪い状況です。重力の一部はロープの張力の方向に引っ張られています。摩擦力の低い方の力は、ロープの張力と道路に平行な重力成分の合計に等しくなければなりません。つまり、この綱引きに勝つのははるかに難しくなります。でも、ご存知ですか？十分に強力なエンジンを搭載している限り、摩擦と車両の質量が依然として決定的な要因となるのです。

テスラ・サイバートラックはかなりユニークでクールなようですね。ただ、F-150より重いということを示すためだけに、なぜこんな綱引きのデモをするのか、私には理解できません。

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