自転車の発達とテクノロジー

およそ四半世紀以前に、石油ショックという大きな社会問題が発生しました。トイレットペーパーがないと大騒ぎをされた記憶があるものと思いますが如何でしょうか、その時代に執筆されたSCIENTIFIC AMERICAN (日本版は1973年5月号)の記事、S.S.ウイルソンさんがお書きになった「自転車の発達とテクノロジー」を読んだことがあります、その内容には 「自転車で移動する人間は、どの動物、どの機械よりも、物理的効率がよいらしい。」 と言う内容です、図を見ると明らかなように驚異的にエネルギー効率が高いと認められます、記事は古いが現在でも通用しますのでポイント部分を要約して紹介します。

「自転車は、構造的・機械的に非常に効率のよいものであり、人間を運ぶために大量生産された最初の機械である。その発達の途上で使われるボール・ベアリング、空気タイヤ、管構造などの技術は自動車や航空機に受け継がれ近代技術への貢献は計り知れない」。

自転車の目的は、個人が容易に移動することができる、自転車は自然の進化よりずっとすぐれた方法でこの目的を達成した。
一定の距離を移動する時に消費するエネルギーを、いろんな動物や機械についての重量の関数として比較してみると、普通に歩く人間は、かなりよい値（0.75cal/g/km）であるが、人間は馬や鮭、またはジェット機ほど効率がよくない。

だが自転車の助けがあれば、一定の距離に対する人間の消費量は約5分の1に減少する（約0.15cal/g/km）。人間が速度を3倍から4倍増すことのほかに、自転車に乗る人は、動く動物や機械のなかで高い効率を誇ることになる。

この性能を発揮するために、自転車は人間工学的に最適化設計に発展してきた。それは筋（最も強力な大腿の筋）を、理にかなった関節運動（足の滑らかな回転運動）で、一定速度（ケイデンス＝60〜80回転）で運行させる。

この実現は動力を効率よく伝達しなければならない。（ボール・ベアリングとブッシュ・ローラーのチェーンなど）。そして回転抵抗を最小 にすること（空気タイヤの利用）。またペダルをこいで坂を登る難儀を減少するために、極力軽量でなければならない。

自転車は歩行に比較してエネルギー効率が高い理由は、主として筋の運動方式にある。自転車は、ある距離を動くことによって機械的な仕事を行なう。一方、筋は緊張しているが動いていないとき（いわゆる”静止状態”のとき）でも、エネルギーを消費している。静かに立っている 人間は、骨を圧縮し、筋を張るという複雑なシステムで直立姿勢を維持している。

ただ立っていてもエネルギーを消費する。また、シャドウ・ボクシングをするように、外部に何の力もおよぼさずに運動する場合でも、 筋のエネルギーは消費されるし、外部に力に対して何ら機械的仕事は行われなくても、手と腕は交互に加速と減速を繰り返すからである。

歩くとき下肢の筋は身体の他の部分を直立姿勢に支持するとともに、身体全体を持ち上げたり下げたり、加速したり減速したりしなければならない。すべてこれらの運動は、有用な外部仕事を何もせずにエネルギーを消費する。

坂を登るときには、重力に対する仕事が付加される。このようにエネルギーを消費する以外にも、足底が地面と接触するたびにエネルギーが失われる。これは、道路、靴、靴下が消耗することによって明らかである。腕や足を振ることも、摩擦による消耗やエネルギー損失を起す。

これを自転車に乗ることを比較すると、第一に自転車に乗る場合は座っているのでエネルギーが節約される。脚（下肢）の筋を支持機能が解放され、これに伴うエネルギー消費を節約することになる、身体の中での往復運動部分は、膝と大腿が中心となる。

脚の関節運動はは一定の速度でなめらかに回転し、身体の他の部位は静止しているので最も強い筋のみが使われる、脚による加速と減速が効率よく達成される。

上昇する脚 はもち上げる必要はなく、もう一方の脚は下向きの推力によって上げられる。一般的なサイクリング姿勢において、背中の筋は胴を支持するために使用されるが、 腕もこれを補助することができ、手と腕にはわずかな緊張しか残らない。

自転車競技の選手などは、風の抵抗を減少させるために、快適とはいえない前傾姿勢をすることで風の抵抗にたいするエネルギー損失抑制している。風による抵抗は、自転車乗りに対して、風の速度の二乗に比例して大きくなる。

この様子は、毎時20kmで、毎時10kmの風にさからってサイクリングするとすれば、毎時10kmの追い風にのって同じ速度を維持する場合よりも、風の抵抗は9倍も大きくなる。

実際には、多くの自転車乗りが知っているように、最適なペダル速度を維持するために、ギア比を変化させて風の状態に合うように自転車の速度を調整する（ケイデンスを重視する）。

風の抵抗以外で、重要なエネルギー損失は、ころがり抵抗がある。車輪に適当な空気を入れたタイヤであれば、ころがり抵抗は滑らかな表面では小さく、速度の影響はほとんどない。

デザイン設計の全ての部分が乗り手の体格と関連しているので、自転車全体がつねに乗り手のサイズに合っていなければならない。軽量な構造の実現は、主としてワイヤ・スポーク の車輪と管構造の開発によるものであり、これか゜自転車のペダルをこいで坂を登らねばならないという事実といえる。

自転車という乗り物は材料やエネルギー源の要求が少なく、環境汚染への影響が少ないこと、健康によい影響を与え、死傷事故もすくないので、博愛的な機械と見ることができる。
この石油ショック事件をきっかけに世界は化石燃料を燃やすことによって大気中のＣＯ2 が増加して地球の温暖化と言う環境悪化が起こるという問 題に気がつき、その対策として省エネが本格的に取り上げられるようになり自動車などは、ダウンサイジングによって小型・軽量化・低燃費の出現となり日本の 企業にとって追い風となった、今ではビッグスリーを超える時代になった。更にエコロジーの提唱で自動車から自転車へと転換が期待されている。



自転車の走行に関する基本も付け加えておこう。

走行抵抗に対する考え方
この内容はｘ24さ んから教えてもらったものです、内容は自動車の考え方だそうです。自転車のものではないか基本は共通だから参考になるだろうとレクチャーを受けたときの ノートです。同じような内容をｋｉｎｓさんからも教えてもらったことがあります。表現は異なるが、ほぼ同じような考え方であることがわかりました。

走行抵抗と走行エネルギ
自転車で人が出す出力は、すべてがスピードに変わるのでなく、大半が走行抵抗によって失われてしまう。そのため、いかに抵抗を小さくして、この出力を有効にスピードに変えることができるのか、そこが非常に重要なテーマになる。

走行抵抗というのは、大きく分けてころがり抵抗、勾配抵抗、加速抵抗、それに空気抵抗の4つがあげられる。それぞれを簡単に説明すると、ころがり抵抗とはタイヤや駆動系のベアリングなどによって生じる抵抗で、車両重量に比例して増大し、簡単には

ころがり抵抗=μ×車両総重量

で算出される。

μはころがり抵抗係数で、低速では一定だが、スピードが高まるにともない急速に増加する傾向を持っている。このようなことから、自転車の重量はレギュレーションをふまえてできるだけ軽量化を図ることが望ましい。
勾配抵抗は、坂道を上るとき自転車を引き戻そうとする力で、重量と坂道の角度sinθに比例するので、

勾配抵抗=車両総重量×sinθ

で示される。

実際に坂を.上るために必要になる力は、これにころがり抵抗を加えたものとスピードが影響するので、

 P=9.8×重量(sinθ+μcosθ) ×V/3.6×100/η

といった数式になる。

ここで、P=必要な動力
          　W=車両重量
    　　　θ:傾斜角
   　　　μ:ころがり抵抗
         　 V:速度
   　　　 η=効率

 加速抵抗は、重量と加速度の積に比例する。数式としては、

   加速抵抗＝加速度×(重量+回転部重量)/重量加速度

重力加速度＝9.8m/s＾2

で表わされる。

空気抵抗は、自転車が走るとき空気の抵抗を受けるために生じる抵抗で、速度の2乗に比例して増加する。このため、速度が高まると急速に抵抗が高まる。

その度合いは、自転車の形状に大きく影響を受ける。数式としては、

空気抵抗＝Cd×前面投影面積×V＾2

            Cd＝空気抵抗係数
            V＝速度

それぞれの数値は、以上のような計算式によって大方の出力の計算ができる。
これに空気抵抗を加えて考えると、平坦路を走るときの走行抵抗は、

 R＝μr×重量×9.8×V＾2+1.203×Cd×A×V3/＾2

            R=走行抵抗
            A:前面投影面積

で表わされる。このとき必要な走行エネルギは、走行抵抗と電気的効率(ηe)、機械的伝達効率(ηm)を掛け合せたものになり、
 W＝R×1/ηe×1/ηm

といった計算式で表わされる。これがフラットな道路を走る場合に必要な出力である。

ころがり抵抗を抑えるための方法

ここで、ころがり抵抗についてもう少し説明しておきたい。タイヤが回転して進むことによって生じる抵抗としては、空気抵抗、タイヤと路面が摩擦することで 生じる摩擦抵抗、タイヤを構成する素材によるヒステリシスロスがある。それぞれに直進時、コーナリング時、制動時によって異なる数値が出るが、これらの 抵抗を100とみたとき、タイヤ自体の空気抵抗は3%前後である。そして、続いて摩擦抵抗が10%足らず、残りがヒステリシスロスであり、これがころがり抵抗の大半を占める。

では、これらの抵抗をできる限り抑えるためには、どうしたらいいだろうか。
まずタイヤ&ホイールについても空気抵抗が生じるので、スポークホイールに軽量なプラスチック製カバーを当てたディスクホイールを採用し、さらに前側にホイールカーバーを加えることでこれを低減する。これによって数パーセントの空気抵抗によるロスを防ぐことができる。

もっとも大きなヒステリシスロスについては、まずロスの少ないタイヤ選定が要求される。通常、スポーツ用自転車用のホイールはロード用かマウンテンバイク用のものが採用される。そのホイール径やタイヤ幅についても、ころがり抵抗が大きく影響する。

タイヤ幅については、路面にトルクを伝えるためには接地幅が広い方が有利になる反面、摩擦抵抗が増える。またタイヤのトレッドパターンも摩擦ロスに影響を 与えるので、オフロード用のブロックパターンのトレッドではなく、オンロード用のパターンを選ぶことで、よりヒステリシスロスを軽減することができる。

特 に、オンロード用の巾でもトレッドパターンが縦溝重視のライトツーリング用のものを選定することによって、摩擦抵抗は少なくなる。さらに、トレッドパター ンの真新しいタイヤは、使い込んでいくことによって摩擦が低減する。完全にトレッドパターンがなくなると15～50%程度摩擦が少なくなるということから考えると、タイヤのトレッドパターンの選定は非常に重要である。

空気圧についても、高い方がころがり抵抗は少ない。空気圧の増加率のほぼ半分程度の割合で、ころがり抵抗は下がるとされている。

このほか、ホイール径もころがり抵抗に影響する。直径が大きい方がころがり抵抗は少なく、小さくなるほど大きくなる。
直進しているホイールの、力とモーメントのつり合いについて考えてみよう。
タイヤの回転軸を中心に、路面に平行な力Faがころがり抵抗Frに勝って前進するとき、車軸にかかる重量Wは、接地中心点Oからオフセット量Zの位置にあるタイヤと路面間の接地圧分布の重心点O'において、路面からの反力Wを受ける。つまり車軸の高さをhとした場合、定常走行状態ではFa=Fｒとなり、接地中心点Oにかかるモーメントのつり合いは

 Fr×h＝W×ｌ

となる。

接地中心点Oにかかるモーメントがつりあうとしたとき、hの長さが短くなればころがり抵抗Frは大きくなる。逆にhの長さを大きく取ることによって、Oにかかるころがり抵抗は小さくなる。このようなことから、ホイール径を大きくすることによっても、ころがり抵抗を軽減できるのである。

以上より、現在の自転車のホイール径は、18インチ以上が主力であり、特に27インチ前後のホイールを採用するケースカ圧倒的に多く、中には26インチを採用するケースも出ている。

空気力学の考えかた

走行抵抗において、どのように空気が影響するかについて紹介したが、これに対する対処の方法が空気力学の考えかたである。

自転車が走るとき、空気抵抗は20km/hを超えるあたりから急速に強まる。40km/hを超えるスピードでは、空気抵抗に奪われる損失の方が走行に費やされるエネルギより大きくなり、出力の80%以上を空気抵抗に奪われてしまう。そのため、高速走行を長時間続けることはエネルギ消費が大きくなる。

高速時の負担をできるだけ少なくするには、走行中の空気の抵抗が少なくなるような自転車形状を研究していく必要があり、これが空気力学である。
自転車で人が出す出力のロスを少なくして、これをできる限り路面に伝えてスピードに替えていくのが、空気抵抗に備えた自転車形状になる。

前出より少し丁寧な数式にすると

空気力＝C×画面投影面積×Ｖ＾2×空気密度/＾2

       V=速度
       Cは自転車の形状によって決まり、自転車の大きさには関係しない空気係数である。

ところで空気抵抗は、形状によってどのような差が生じてくるのであろうか。自転車ではないが箱形のものがもっとも抵抗が大きく、続いて平板を進行方向に直角に.立てた場合、次が球形、もっとも抵抗の少ないのは飛行機の翼型である。自転車がよりハイスピードになると、空気によって車両が浮き上がらないような自転車形状やスポイラーが要求されるかもしれない、自転車の最高スピードは120km/h前後で、それも1分前後ときわめて短い時間のみ可能としている。しかし、最高スピードが120km/hとなると、当然それに備えた対策が求められる。

揚力や高性能化にともなう高性能タイヤの選定などのテーマについては、将来的には配慮すべきだが、今日では空気抵抗を下げる方向を中心に検討することで十 分と思われる。しかし、横風が強い天候の中でレースが行われることもしばしばあるので、これに備えた自転車の形状を考えておく必要はある。これらのことから次世代自転車の形状としてフェアリングを装備するのが標準的になるものとも感じている。すでにリカンベントのような形状とマンゴのようなものを見ることができる。