自転車走行に必要な動力

走行に必要な動力は走行抵抗を上回る力が作用して走ることが出来ます。その内訳を計算するための因子は空気抵抗と転がり抵抗と登坂抵抗および伝動損失の和になります。
このうち空気抵抗、転がり抵抗と伝動損失は動力損失となるので小さくすることが望ましいといえます。必要とする動力は速度が速なると空気抵抗は速度の2乗の割合が大きくなります。

実際の動力は自転車用の動力計を取り付けると計測できますが大変高価なものなので計算で目やすをつけることにします。
動力源となる人体の効率は、そのエネルギー消費から産出されるエネルギー変換効率が１５～３０％であることから実際に使われる必要な動力はその３～６倍と なる。
登坂抵抗に対する改良の余地が少ないが輪荷重の前後バランス考慮することで負担を軽減することが出来ることを確かめてみました。
転がり抵抗と伝動損失は部品の選定とフレームの設計によって大きく変わるのでデザイナーの腕の見せどころとも言えそうだ。

空気抵抗の影響はロードバイクとママチャリのライディングのポスチュァーを見比べると明らか、また、風除けのフェアリングによって改善することも出来る。 この影響を極力少なくしようということから超前乗りというようなエアロポジションというポスチュャーが取り入れられています。このポジションでは重心位置 がほぼ車体の中央にくるようになり荷重のバランスがよくなるメリットがあります。

空気抵抗
走行している乗り物は風によって、自転車に限らず風を切り分けて進むことになります。自転車と直接関係はないが高速で走る鉄道のモデルをご覧下さい、世界最速鉄道の1つ。2007年には時速574.8キロの世界記録を樹立した、これは音速の約半分のスピードに相当します如何に空気抵抗の影響を避けるための戦いが伺えます。
自転車も時速30km/hを超えるようになると必要とするパワーの殆どが空気抵抗に打ち勝つために消費されます。そのためリカンベントのように空気抵抗の少なくなるようなものが有利になります。さらにカウリングをつけた葉巻スタイルの「マンゴ」では時速50ｋｍを軽々と出せるというものも目のあたりで見ることから実感できます。
 
空気が身体および自転車に衝突することによって生じる抵抗は空気１ｍ³ の質量が２０度Ｃで約１．２ｋｇであり、温度と湿度によって多少変化する、スピードが時速20ｋｍを超えるようになると非常に大きな力となります。大半が空気抵抗に打ち勝つための力が占めることになります。


空気抵抗に影響する要因

１． 自転車の速度
空気抵抗は速度の２乗に比例する。速度が２倍になると４倍にというような増え方になるのでスピードを出すということは風との戦いということになります。
２． 投影面積
空気抵抗は身体前面と自転車の投影面積に比例する。投影面積は空気抵抗が減るという走り方を前傾姿勢によって減少させる。また、リカンベントのように投影面積を小さくし更にフェアリングを取り付けて性能を高めるという方法もあります。タイヤも細いＲＯＡＤ用とＭＴＢを比べると面積が大きいものでは風の影響を大きく受けることになります。
３． 形状
形状係数で表す形状の違いは同じ面積でも流線型の形状は空気抵抗が少なくなる。フェアリングをつけたり、リムの形状にエアロホイルを使用したりします。
衣服についても競技用は体に密着し表面を滑らかにすることで面積と共に影響が小さくなる工夫をしています。
４． 空気密度
空気抵抗は空気密度に比例する。冬は気温が低く空気密度が大きいので空気抵抗も大きく逆に、夏は気温が高く空気密度が小さいので空気抵抗は小さくなる。  
５． 風向
４５゜前方から吹いている風の空気抵抗は、その風が正面から吹いている場合の空気抵抗の約７0％になる。 真横からの風は空気抵抗に対して中立ではなく、その風が正面から吹いている場合の空気抵抗の約１0％の空気抵抗を受ける。
追い風による必要動力減少は、向い風による必要動力増加の約４0％となる。
経験的に行きは向い風そして帰りは追い風、帰りの追い風によって回収できる動力は行きの風によって増加した動力の約４0％という勘定になる。

ころがり抵抗
タイヤと路面の間に生ずる抵抗でころがり抵抗係数が大きいほど、またタイヤにかかる荷重に比例する。軽量化によって、ころがり抵抗を小さくなる用にデザインします。
ころがり抵抗 ＝ ころがり抵抗係数 ｘ タイヤに加わる荷重

ころがり抵抗係数に影響する要因
１． 路面の状態
路面の凹凸、表層が粗いほど大きくなる。アスファルトの平坦で密粒の舗装路、ざらついた粗粒の舗装路、無舗装路、石畳、砂利道のようにな順に大きくなる。

トラック競技の路面    0.001

滑らかなコンクリート   0.002

アスファルト道路        0.004

未舗装の道路          0.008

２． タイヤの形状
タイヤの接地面はパターン形状が粗いほど大きくなる。ブロックタイヤが最も大きく、スリックタイヤが小さい。空気圧が低く柔らかいタイヤは、軟弱地盤を走るときは必要だが接地面積が大きくなりころがり抵抗も大きくなる。
３． タイヤの材質
タイヤの材質によって摩擦係数が変わるので、タイヤメーカーはころがり抵抗係数が小さい材質の開発を行っている。タイヤの空気圧が高いほどタイヤの接地面での変形が少なく転がり抵抗は小さくなるが乗り心地は悪くなる。
４． タイヤ外径
要因効果としてさほど大きくないが、タイヤ外径が大きいほど転がり抵抗は小さくなる。また、慣性2次モーメントについての配慮も必要だ。

登坂抵抗
自転車で坂道を登るとき道路勾配仁比例して大きくなる。 登坂によって位置エネルギーが大きくなるので、使われた動力は損失にならない。下り坂ではペダルを漕いで動力を加えなくとも、位置エネルギーを利用して走ることができることになる。

伝動損失
チェーンとか軸受など回転部分の摩擦による損失、これとは別にサスペンションで衝撃とか振動を逃がすことも含まれます。チェーンの摩擦は、ブッシュとピン、リンクどうし、ローラとスプロケットの歯そしてリンクとスプロケットの歯の摩擦などがある。軸受の摩擦には、ペダル軸受、クランク軸受、チェーン・プーリ軸受、前輪軸受および後輪軸受のベアリング、これをＧ3クラスのセラミックボールに交換することで大幅な改善が出来ます、これ以外にもハンドルの摩擦などがある。駆動系のパーツは軽量なものほど高価であるが高性能でもある。

人力エンジンの性能
人力エンジンは２０３個の骨と約８００からなる筋で構成されるものであり使用する燃料もいろんな材料が利用できるもので極めて長い時間メインテナンスなしで安定した百ワットを超える出力を連続的に取り出せるし、瞬間ならばなんと２５００ワット程度まで出せる精密で多機能・多目的に活用できる機構であるといえます。

自転車に乗るばあいに人が出せる動力は、体力や訓練の程度などによって、個人差が大変に大きく１００Ｗから５００Ｗ程度まで取り出すことが出来るという報告があります。２００Ｗ程度まではサイクリングで長時間連続して出せる出力。ツール・ド・フランス級の競技者が、長時間連続して出せる出力は４００Ｗから５００Ｗだそうです。

私たちが一番困難に遭遇するのは上り坂と向かい風です。短時間では４００Ｗ程度の出力を頑張って１０秒程度の無酸素領域で坂道を登る事はできますが、向かい風では短時間で限界を感じることだろうと思います、より動力性能を高めるため筋力をトレーニングで少しずつ出力の増大ができるのも機械エンジンと異なるところだし大事に使えば百年近く利用できるものといえる。

参考になるＷＥＢサイト

自転車の性能とパラメータを推定するアナリティックサイクリング技術提供のソフト。

内容は微分方程式や高度な数値解析手法を使用したソフトでリアルタイムに特徴的なテーブルとメソッドをプロットして返す製品の紹介。

http://www.analyticcycling.com/AnalyticCycling.html

自分自身の結果を参照してください。