アメリカの 国の ページには、1900ねんごろ、道を はしる 車の 3ぶんの 1ぐらいが 電気自動車だった、と 書かれて います。むかしの 道にも、電気で うごく 車は たくさん いたのです。

では、車は どうやって うごくのでしょう。ガソリンの 車も 電気の 車も、まず 「まわる 力」を つくります。その まわる 力が タイヤに とどき、タイヤが 地面を おして、車は 前に すすみます。

まず、ガソリンの 車の 中を のぞいて みましょう。

エネルギー省の資料は、1900年までに電気自動車が全盛期を迎えた、と書いています［1］。アメリカの道を走る車のおよそ3分の1が電気の車だった、というのですから、電気自動車はかなり身近な存在でした。

それでは、車はそもそもどうやって進むのでしょうか。答えの骨組みは、ガソリン車でも電気自動車でも同じです。まず「回る力」を作ります。ガソリン車は、燃料と空気を混ぜたものが爆発する力を、電気自動車は、バッテリーの電気でモーターを回す力を使います。その回転が車輪に届き、タイヤが路面をおすことで、車は前に進みます［2］［5］［9］。

回る力の作り方はまったく別です。まず、ガソリン車の中を見てみます。

エネルギー省の解説では、1900年までに電気自動車は全盛期を迎え、道路上の車のおよそ3分の1を占めた［1］。この数字はアメリカの話であり、日本の道路でも同じ割合だったとは言えない。それでも、電気自動車が最近になって現れた乗り物ではないことは、はっきりしている。

では、燃料を燃やす車と電気の車は、どこが共通で、どこが違うのか。骨組みは次のとおりである。どちらも、まず「回転する力」を作る。燃料車は、燃料と空気の混合物の爆発で生じるガスの力で、電気自動車は、駆動用バッテリーから送られる電気でモーターを回すことで、回転を得る。この回転が車輪へ伝わり、タイヤが路面をおすことで、車は前に進む［2］［5］［9］。

回転の作り方が最も違うのは、動力の出発点である。まず、爆発から回転を取り出す側、ガソリン車の内部から見る。

ガソリンの 車の エンジンの 中には、ピストンと いう つつの ような ぶひんが あります。そして、せまい 部屋の 中で、ねんりょうと 空気が もえて います。

うごきは 4つ あります。1つ目は、空気と ねんりょうを まぜた ものを 部屋に すいこむ。2つ目は、ピストンで ぎゅっと おしこむ。3つ目は、スパークプラグの 火花で ひを つける。すると、もえた ガスが ふくらんで、ピストンを おします。4つ目は、もえた あとの ガスを 外に おしだします。

力が 出るのは、4つの うち 3つ目です。ピストンが おされると、クランクシャフトと いう ぼうが まわります。じてんしゃで 足を 上下に うごかすと、ペダルが ぐるぐる まわるのと にています。ただし 本当は、足の かわりに、もえた ガスが ピストンを おして います。

ガソリン車のエンジンは、内燃機関と呼ばれる仕組みの一つです。エネルギー省は、アメリカだけで2億5000万台以上の道路用の車が、内燃機関にたよっていると説明しています［2］。それだけ多くの車が、エンジンの中の小さな燃焼で動いていることになります。

NASAの教材は、動きを4つの行程に分けています［4］。第1は吸気で、燃料と空気の混合物が、シリンダーという筒の中へ吸いこまれます。第2は圧縮で、バルブが閉じた状態で、ピストンが混合物をおし縮め、圧力と温度が上がります。第3は燃焼で、ガソリン車では、スパークプラグの火花が混合物に点火します［3］。燃えて広がるガスの高い圧力が、ピストンをおし戻します。第4は排気で、燃えたあとのガスが外へおし出され、次の吸気にそなえます。

ピストンをおす力が生まれるのは、4つの行程のうち、第3の燃焼の行程だけです。エネルギー省は、広がるガスがピストンをおし、そのピストンがクランクシャフトを回す、と説明しています［2］。自転車で足を上下に動かすとペダルが回るのと似ています。ただし本当は、足のかわりに、燃えたガスがピストンをおしています。

この回転をそのまま使うのが、ガソリン車です。では、電気の車は、爆発の代わりに何で回転を作るのでしょうか。

内燃機関の基本の流れは、燃料と空気の混合物の燃焼で生じたガスが膨張してピストンをおし、ピストンがクランクシャフトを回す、というものである［2］。エネルギー省は、アメリカの道路用の車両2億5000万台以上がこの種のエンジンに依存していると述べている。

NASAグレン研究センターの教材は、4ストロークエンジンの動きを四つの行程に分ける［4］。吸気では、燃料と空気の混合気が吸気マニホールドからシリンダーへ吸い込まれる。圧縮ではバルブが閉じており、ピストンが混合気を圧縮して、圧力と温度が上がる。そして燃焼では、ガソリン車の場合、スパークプラグの火花が混合気に点火する［3］。高圧になったガスが、ピストンをクランクシャフトのほうへおし戻す。最後の排気で、燃えたあとのガスが外へおし出され、次の吸気にそなえる。

力を生む行程は四つのうち燃焼だけである。残りの三つは、燃やす準備と後始末にあたる。そのため、ピストンが往復運動をしても、クランクシャフトは、燃焼の力を受けて回り続けることになる。往復運動を回転に変えるのは、自転車の足の上下運動がペダルの回転になるのと同じ考え方だが、実際にピストンをおしているのは足ではなく、燃えたガスである。

では、爆発のないモーターでは、回転はどこから生まれるのか。

電気の 車の 中には、ばくはつは ありません。かわりに、大きな でんちが のって います。この でんちは、プラスと マイナスの 二つの はしと、その あいだに ある 化学の ざいりょうで できて います。でんちの 中では、化学の ざいりょうの はたらきで、電気が ながれます。

でんちの でんきは、モーターに おくられます。モーターが まわると、その 力は、トランスミッションと いう そうちを 通って タイヤに つたわります。また、でんきの ながれを かんりして、モーターの まわる はやさと 力を ちょうせつする コントローラーも あります。

電気の 車の でんちには、リチウムイオンでんちが つかわれる ことが あります。この でんちを つくった 人たちは、2019ねんに ノーベル化学しょうを もらいました。ばくはつの かわりに、でんきを おくる しくみに なって います。

電気自動車の中には、エンジンも爆発もありません。アメリカのエネルギー省の説明では、駆動用のバッテリーが蓄えた電気を、牽引用のモーターに送り、モーターの機械的な力を、トランスミッションが車輪に伝えます［5］。

さらに、パワーエレクトロニクス・コントローラーという装置が、バッテリーから送られる電気の流れを管理し、モーターの回る速さとトルク（回す力）を調節します［5］。電気の車の運転は、モーターとコントローラーが分担していることが分かります。

バッテリーは、陰極と陽極という二つの端子と、その間をうめる電解質という化学物質で作られています［6］。リチウムイオン電池の開発には、2019年にノーベル化学賞が授与されました。受賞者はジョン・グッドイナフさん、スタンリー・ウィッティンガムさん、そして日本の吉野彰さんの3人です［6］。

回転を作る仕組みは違っても、車輪を回す最後の部分は、トランスミッションという共通の役目で受け持たれます。それでは、入れたエネルギーは、どれだけ走りに使われるのでしょうか。

電気自動車では、駆動用バッテリーが蓄えた電力が、牽引用の電動モーターへ送られ、トランスミッションがモーターの機械的な力を車輪へ伝える［5］。ガソリン車のように燃料を燃やす過程がなく、電気エネルギーが直接回転に変わる。

この間をつなぐのが、パワーエレクトロニクス・コントローラーである。バッテリーが供給する電気エネルギーの流れを管理し、モーターの回転の速さとトルクを調節する［5］。つまりモーターは、電気を与えれば自動的に回るのではなく、どのくらいの電気を送るかを調整する装置があるため、必要な速さと力で回る。

電気の源であるバッテリーは、陰極（カソード）と陽極（アノード）という二つの電極と、その間に置かれた電解質から構成される［6］。リチウムイオン電池の開発に対して、2019年にジョン・グッドイナフ、スタンリー・ウィッティンガム、吉野彰の3人にノーベル化学賞が贈られた。ただし、バッテリーの寿命やリサイクルの課題は、本稿の資料からは扱えない。

回転を作る道すじは異なっても、車は結局、入れたエネルギーを走りに変えている。その変換は、どれだけ効率よく行われているのか。

1912ねんには、ガソリンの 車は 650ドルでした。電気の ロードスターと いう 車は 1750ドルで、ガソリンの 車の 2ばいより 高かったのです。

それでも、電気の 車には いい ところが ありました。アメリカの 国の ページでは、家の コンセントから 入れた 電気の うち、車を うごかす ことに つかわれる ぶんを しめして います。ブレーキで 電気を ためなおす しくみを つかわない ときは、100 の うち 60〜65ぐらいです。

ブレーキの しくみを つかうと、80を こえる ことも あります。のこりは、はしる こと いがいに つかわれるか、むだに なる ぶんです。

ガソリンの エンジンも、よくする けんきゅうが つづいて います。国の けんきゅうでは、ディーゼルエンジンを 20パーセント よくできる かのうせいが ある、と 考えられて います。どちらの 車も、まだ よく なっています。

電気自動車は、値段では不利でした。エネルギー省の歴史解説によると、1912年にはガソリン車が650ドルだったのに対し、電気のロードスターは1750ドルです［1］。1750÷650は約2.7なので、電気の車は2.7倍近い値段でした。

それでも電気の車には強みがあります。エネルギー省の資料は、家庭用コンセントから入れた電気のうち、走行に届く割合を示しています［7］。回生ブレーキを含めない場合は約60〜65%、回生ブレーキを含めると、アメリカの複合走行サイクルで80%をこえることがあります。100入れたとき、走るために働くのは条件しだいで60台から80台、ということです。

ガソリンのエンジンも、そのままではありません。エネルギー省の研究紹介によると、低温燃焼という新しい燃やし方には、現在のディーゼルエンジンより効率を20%上げられる可能性があると考えられています［10］。これは研究の見込みで、すでに実現した数字ではありません。

こうして見ると、どちらの車も、回転を作る部分が進歩を続けています。ところで、止まるときのエネルギーは、すべて捨てられるのでしょうか。

1912年時点で、ガソリン車の価格は650ドル、電気のロードスターは1750ドルだった［1］。1750÷650は約2.7であり、電気の車は価格が約2.7倍だったことになる。この価格差が普及にどう影響したかは、この資料だけでは言えない。

一方で、エネルギーの使われ方は別の見方を与える。エネルギー省の週報（FOTW #1045）は、壁のコンセントから投入した電力のうち走行に届く割合を、条件を分けて示した［7］。回生ブレーキを含めない場合は約60〜65%、回生ブレーキを含めるとEPA複合走行サイクルで80%を超えることがある。100を投入すると、走行に回るのは、回生ブレーキの扱いしだいで60台から80台になる。残りは、走行以外に使われるか失われる分である。

内燃機関の側も止まってはいない。エネルギー省の「先進燃焼戦略」は、低温燃焼（LTC）に、現行のディーゼルエンジンより20%の効率向上の可能性があると述べる［10］。これは研究の見通しであり、実用化済みの数値ではない。

電気もガソリンも、回転を作る部分を改良する競争が続いているといえる。では、その二つを組み合わせた車は、エネルギーをどう使い分けるのか。

ガソリンの エンジンと 電気の モーターを 両方 のせた 車が あります。ハイブリッド車と いいます。

この 車の でんちは、ガソリンの エンジンからも 電気を もらえます。もう ひとつ、ブレーキを ふむ ときの エネルギーを つかって、電気を ためる ほうほうも あります。回生ブレーキと よばれて います。

ブレーキを ふむと、車は ゆっくりに なります。その とき、うごいて いた 力を そのまま すてるのでは なく、でんちに もどすのです。

エンジンとモーターの両方を積んだ車が、ハイブリッド車です。アメリカのエネルギー省の説明では、この車のバッテリーは、二つの方法で充電されます。一つは内燃機関のエンジンから、もう一つはブレーキを踏むときのエネルギーを利用する回生ブレーキです［8］。

ブレーキを踏んで車を遅くするとき、動いていたエネルギーを電気の形でバッテリーにためるのが、回生ブレーキです。信号で止まるたびに、少しずつ電気がたまる、と考えると分かりやすいでしょう。

ここまで見てきたように、回転の作り方は、ガソリン車、電気自動車、ハイブリッド車で違います。最後の疑問が残っています。どの車も、最後にどうやって前に進むのでしょうか。

ハイブリッド車は、内燃機関と電動モーターの両方を備える。エネルギー省の説明によると、駆動用バッテリーは、回生ブレーキと内燃機関の二つの経路で充電される［8］。回生ブレーキは、ブレーキをかけるときの運動エネルギーを電気エネルギーに変えて蓄える仕組みで、減速のエネルギーを電気として再利用する。

ここで、電気自動車の流れとのつながりが見える。バッテリーは、駆動時に電気を放出し、減速時に電気を受け取ることができる。ただし、資料はハイブリッド車の内部の制御まで示していないため、どの場面でエンジンとモーターを切り替えるかは、本稿では述べない。

どの動力源でも、回転は最終的に車輪に届く。では、車輪が回ると、なぜ車は前へ進むのか。

エンジンでも モーターでも、できた 力は、さいごに タイヤを まわします。でも、タイヤが まわる だけでは、車は すすみません。

タイヤと 地面の あいだには、こすれる 力が はたらいて います。この 力が あるから、タイヤは 地面を おす ことが できます。タイヤが 地面を ぎゅっと つかむと、車は 前に すすみます。

こおりの 上で タイヤが つるつる すべるのを 見た ことは ありますか。つかむ 力が よわいと、タイヤが 空まわりすると 考えられます。

エンジンでもモーターでも、回転はタイヤに伝わります。ところが、タイヤが回るだけでは、車は進みません。TeachEngineeringの教材は、タイヤと路面の間に摩擦力があるから、タイヤは路面をおすことができる、と説明しています［9］。

タイヤが路面をつかむと、車は前に進みます［9］。ガソリン車でも電気自動車でも、最後の部分は同じです。凍った道でタイヤが空回りするのは、路面をつかむ力が小さくなったからだと考えられます。

こう考えると、どちらの車も「回る力を作る」部分は大きく違いながら、「その力を前に進む力に変える」部分は共通していることになります。

エンジンまたはモーターが生んだ回転は、トランスミッションなどを通じて車輪に届く。しかし車輪が回転しているだけでは、車は進まない。教育用資料のTeachEngineeringは、タイヤと路面の間に働く摩擦力があるから、タイヤが路面を「おして」進める、と説明する［9］。タイヤが地面を「つかむ」と車は前に進む、という表現も同じ資料にある。

この資料は教育用の教材であり、一次の研究論文ではない点には注意が要る。それでも、「路面との摩擦が前進の条件になる」という説明は、凍結路で空回りが起きる現象と矛盾しない。摩擦が小さければ、車輪が回っても路面を十分におせない、と考えられるからである。

ここまでを整理すると、車の動力は、燃焼や電気で作られた回転と、タイヤ・路面間の摩擦の組み合わせで成り立つ。前者は車ごとに違い、後者はどの車にも共通する。

きょう できる こと

ひいて はなすと はしる おもちゃの 車が あれば、ゆかの 上と、つるつるの したじきの 上で、はしらせて くらべて みましょう。ゆかでは はしるのに、つるつるの 上では 空まわりして、すすみにくく なるかも しれません。

タイヤが まわって いるのに すすまない ときは、タイヤと 地面の あいだの 力が たりない のかな、と 考えて みましょう。

おうちの 人と

おうちの 人と 道を あるきながら、ガソリンの 車と 電気の 車を さがして みましょう。音の ちがいに 気づくかも しれません。

おもちゃの車で比べる

引いて手をはなすと走る、プルバック式のおもちゃの車があれば、ゆかの上と、つるつるの下敷きの上で走らせて比べてみましょう。ゆかでは進むのに、つるつるの上では車輪だけが回って進みにくくなる、という場面があるかもしれません。タイヤが路面をつかめるかどうかで、車の進み方が変わることを、手で確かめる実験です。

道を歩きながら探す

保護者といっしょに歩きながら、ガソリン車と電気自動車を探してみるのも一つの方法です。見た目だけで見分けにくいときは、走る音がちがうかどうかも注意してみましょう。道に出るときは、必ず保護者と歩き、車に近づきすぎないようにします。

タイヤを指で軽くおさえる

おもちゃの車を走らせるとき、タイヤの横を指で軽くおさえて、おさえないときと進み方を比べてみましょう。おさえると進みにくくなるのは、動きをじゃまする力がふえるからです。ただし、指をはさまないように、ゆっくり走らせて試します。

手で確かめる

プルバック式のおもちゃの車を、ゆかの上と、表面のつるつるした下敷きの上で走らせ、進んだ距離を定規で測って比べる。同じ強さで引くには工夫が要るが、複数回の平均を取れば傾向は読み取れる。車輪が回っているのに進まない場面があれば、タイヤと路面の摩擦［9］が小さいために、路面をおす力が出にくい状態だと推測できる。

資料を読むなら

米国エネルギー省の自動車関連ページ［1］［2］［5］は英語だが、構成が簡潔で読みやすい。ガソリン車の4行程はNASAグレン研究センターの教材［4］、低温燃焼は［10］、バッテリーの構造は［6］にある。これらを読み比べると、内燃機関と電気モーターが、回転を作る途中までは別の道を通り、最後の車輪の部分で合流することが確認できる。