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benediktine · 5 years ago

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【毎日乗ってます！どハマり中の自転車をマジメに科学した話　坂道で立ち漕ぎする「物理的理由」は？】 - ブルーバックス | 講談社 : https://gendai.ismedia.jp/articles/-/63771 2019.04.27 竹内薫　サイエンス作家

■《娘へのプレゼントに自分がハマって…》去年のクリスマスに8歳の娘にスポーツバイクを買ってやった（ウチでは、いまだに��ンタさんが持ってきたことになっている）。

仕事にかまけて、なんと12月23日になってから自宅近くの小さな自転車屋さんBを訪れたのだが、問屋さんの在庫はあるものの、配送に2日かかるので、さすがに間に合わない。そこで、全国展開している大手スポーツバイク店に行ってみたら、その場で在庫があり、24日の昼間に納車してくれるというので即決した。

アメリカのM社製で、価格は6万円台。子ども用の自転車としては、かなり高級だ。

娘は、年中児の頃からアウトドア専門の学童クラブで頑張っていて、去年の11月には「しまなみ海道」を自転車で走破した。小学2年なのに一日50km以上も走ってへこたれなかったのだから、サンタさんがご褒美をくれても不思議じゃない。

ところが、その後、スポーツ自転車にハマったのは、娘ではなく私だった。

娘の自転車が来てから数日のあいだ、私と妻とで横浜の {{ baybike : http://docomo-cycle.jp/yokohama/ }} を借りてサイクリングに出かけていたが、毎回、お金を払うことを考えたら、安い自転車を買ったほうがよかろうという話になり、夫婦とも6万円台のクロスバイクを購入した。娘の自転車と同じ値段なのだから、大人のほうはリーズナブルな自転車ということになる。

　{{ 図版 1 : 【写真】まさかの自分が夢中になるとは！　まさか自分がハマろうとは……！　photo by iStock< }}

■《あっという間に毎日の習慣に》

ただし、大人の自転車は、大手バイク店ではなく、12月23日に訪れた、ちっちゃな自転車屋さんで注文して購入した。

じつは、大手自転車店は、以前、娘の幼児用自転車がパンクして修理してもらおうと思って持っていったら、｢ウチはロードバイクのパンクしか修理しません」と断られてしまったのだ。ここは貴族専用のクラブだから、平民はお断り、みたいな雰囲気だった。まあ、スポーツバイクの専門店なのだから、ママチャリや子ども用の自転車は他をあたれ、というのは一理ある。

一方、自宅近くのちっちゃな自転車店B。じつは、こちらもスポーツバイク専門店である。しかし、私は、雑然とした店内に、何台もの修理中のママチャリが置いてあるのを目撃した。つまり、こちらのお店は、近所の困っているお客さんがいれば、スポーツバイクでなくとも、数百円の駄賃で気持ちよく修理してくれるのだ。店員さんは、閉店時間を過ぎても自転車をいじっているし、ようするに自転車が好きで好きでたまらず、ここで働いている。

急いでいたとはいえ、「良心的なお店」で買わずに、われわれのような「（自転車）平民」を見下している店で娘の自転車を購入してしまったことを後悔していた。

　{{ 図版 2 : 【写真】小さな自転車屋さん　　ママチャリでも子チャリでも、数百円で気持ちよく修理してくれる良心的な店だった　photo by iStock }}

だから、私と妻のクロスバイクは、ちっちゃな自転車屋さんで購入することにしたのだ。

で、娘よりも妻よりも、気がついたら私がディープにスポーツ自転車の世界にダイブしていった。私は、毎日のようにこのちっちゃな自転車屋さんに「駄弁り」に行く。そして、毎日、小一時間はクロスバイクで自宅近辺を走り回るようになった。

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■《初めての自転車で病院送りに…！》

スポーツバイクにあまり��しくない読者のために解説しておこう。

スポーツバイクは大雑把に3種類ある。一つは舗装道（オンロード）を走るロードバイク。もう一つは未舗装路（オフロード）を走るマウンテンバイク。そして、三つめが、オンとオフの両方を走るためのバイクだ。

　{{ 図版 3 : 【写真】ロードバイク }} 　{{ 図版 4 : 【写真】マウンテンバイク　ロードバイク（上）とマウンテンバイク（下）の典型例。フォルム以外にも、タイヤ（リム）やフレームの太さに違いがある。オン・オフ両方走ることのできるクロスバイクは、次ページの写真を参照　photo by gettyimages }}

で、私や妻が買ったクロスバイクだが、これは和製英語であり、英語圏ではハイブリッドバイクなどとよばれているらしい。もともとマウンテンバイクが起源で、それがロードを走るように改良されたものだ。

つまり、分類上は、カテゴリー1のオンロード・バイクに属するけれど、オフロードが起源のため、太い凸凹のタイヤを履けば、オフロードも走ることができる。気楽に街中を走るのには持って来いのバイクとして、愛用している人も多い。

昔話になるが、私は小学1年のときに少年自転車を買ってもらったその日に、団地の激坂を転げ落ちるように疾走し、坂の終わりのブロック塀に激突して、救急車で病院に運ばれた。ベッドの上で意識を取り戻した私が、心配そうに見守る母親に発した言葉は「ボクの自転車大丈夫だった？」だったそうだ（あまり覚えていない）。

なんでそんなことになったかといえば、初めての自転車で、ブレーキのかけ方を知らなかったからだ。

■《2代目の愛車は盗まれて…》

2台目の自転車は、父親のニューヨーク転勤のせいで、アメリカで買ってもらった。真っ赤な自転車で、ペダルを逆回しにするとブレーキがかかる（コースターブレーキ）、日本では珍しい機構を持っていた。

私はその自転車を愛したが、あるとき、親友のヘンリーの家の玄��先から盗まれてしまった。太いワイヤーで地球ロック（＝地面から出ている柵などに固定すること）しておいたのだが、でっかい工具でロックは無残に引きちぎられていた。たぶん、300ミリか450ミリのボルトクリッパーで切断されたのであろう。

その後も私は自転車が好きで、沖縄本島や石垣島を一周したり、友達と神奈川県の湘南平の坂を足を着かずに登るヒルクライム競争を楽しんだりしていたが、カナダの大学院に進学して以来、30年以上も自転車とは縁がなかった。

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■《まず、サドルの高さを調整せよ》

“自転車バナ”が過ぎた。そろそろサイエンスの話に入ろう。今回は、スポーツ自転車未経験の人でも理解できる力学入門編だ。

私が（ふたたび）自転車に乗り始めて真っ先に驚いたのは、サドルの高さである。ええと、これが私のクロスバイクなのだが、すぐにわかるようにハンドルバーよりもサドルのほうが上にある。いったい、このサドルの高さはどうやって決めるのであるか。

　{{ 図版 5 : 【写真】クロスバイク　私のクロスバイク。サドルがかなり高い位置にある　写真『 {{ スタッフKのカスタマイズ日誌 : http://bikeport.bike/%E3%82%B9%E3%82%BF%E3%83%83%E3%83%95k%E3%81%AE%E3%82%AB%E3%82%B9%E3%82%BF%E3%83%9E%E3%82%A4%E3%82%BA%E6%97%A5%E8%AA%8C%EF%BD%9E%E5%88%9D%E3%82%81%E3%81%A64%E3%81%8B%E6%9C%88%E3%80%81%E3%82%A8%E3%82%B9/ }} 』より }}

じつは、スポーツバイクを買ってからしばらくすると、お店で「フィッティング」をしてくれるのだ。洋服の丈を調整するように、サドルの高さと前後の位置、さらには傾きまでも体格に合わせて調整する。フィットティング・マシンの上でペダルを漕いでみると、それまでの漕ぎ方とは異次元の軽さが体験できて、感嘆のため息が出る。

「ここから先は、2ミリくらいの幅でサドルの高さを調整していきます」

アラカンの初老ライダーにとって、2ミリの精度でサドルの高さを調整することにいかほどの意味があるのかわからないが、どうやら、スポーツ自転車の世界ってェ奴は、そういうものらしい。

■《ほとんどの人は「低すぎるサドル」で苦労しています》

ついでに言うと、サドルそのものも、あらゆる技術的な実験をもとに研究開発されているようで、価格も上を見たら数万円じゃおさまらない。クッション性も異なれば、尿道を圧迫しないように縦に穴が開いている物もある。

さらには、グライスファイバー補強ナイロンとエラストマー添加ナイロンをメッシュ状にした物など、それはもう、先端技術が駆使されている。

とにかく、適切なサドルの高さに調整するだけで、ペダルは驚くほど軽くなり、それはつまり、脚のトルクが��駄なくホイール（車輪）に伝わる、ということを意味する。

〈注：トルクは「力×半径」のこと。テコの原理を思い出していただきたい。支点からの距離が大きいほど物を動かしやすい。つまり、トルクが大きくなる〉

うーん、世の中のほとんどの人は、低すぎるサドルで自転車を漕いでいるので、うまく力がペダルに伝わらない。サドルの高さの調整は超オススメだ。

ただし、うまく力が伝わるところまでサドルを上げてしまうと、自転車が止まったときに（サドルに座ったままでは）爪先すら地面に届かなくなってしまう。ロードバイクやクロスバイクに乗っている人が、信号待ちのあいだ、サドルの前にお尻を降ろして立っているのは、サドルに座ったままでは横倒しになるからなのだ！（えーと、慣れてきてバランスが良くなると、止まったままでもずっと倒れないでいられるそうな）

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■《「ビンディングペダル」をつけよう》

サドルの前にお尻を降ろして立つと書いたが、それができないでコケてしまうこともある。それは、靴がペダルに固定されているからだ。

スキーの靴を板に固定するけれど、あれと同じで、ビンディングペダルがスポーツ自転車の定番なのだ。通常は、かかと部分を外側にねじるとビンディングがはずれるしくみなのだが、慣れていないと、とっさのときに慌ててしまい、靴がペダルからはずれないことがある。

とはいえ、怖がりすぎる必要はなく、とにかく油断せずに慣れるまで頑張るべし。

　{{ 図版 6 : 【写真】ビンディングペダル　ビンディングペダルの例（左）と、シューズ底の固定金具の例　photo by iStock }}

なぜ靴をペダルに固定するかというと、通常の（靴を固定しない）フラットペダルだと、下に押し下げるときはその力がホイール（車輪）に伝わるものの、最下点から上に足を引き上げるときには力が伝わらないからだ。

靴がペダルに固定されていれば、引き上げるときにも力が伝わるため、まさに力倍増で、効率良く自転車を推進することが可能になる。このテクニックは「引き足」とよばれている。

■《速度は「ギア比」で決まる》

スポーツ自転車のギア比は、学校の物理学で教わる歯車の実験だと思えばいい。

ペダルのフロントギアと後輪のリアギアを見ていれば、ペダルを1回転させたときに後輪が何回転するかがわかる。そして、それにタイヤの円周の長さをかければ、一漕ぎで何メートル進むかが計算できる。

人間の脚力は個人差が大きいが、ギア比を選んだうえで、1秒間にペダルを何回転させられるかがわかれば、自転車の速さも計算できる。

　{{ 図版 7 : 【図（表）】ギア比の例　上記は、フロントギアが50T/34Tの2段、リアギアが12-28Tの11段で、タイヤサイズ2096mm（700×23C）、ペダル回転数90rpm（1分間の回転数）の場合を示す。　illusutration in table by gettyimages }}

速く走るためには、単純に二つの方法がある。

一つはギア比を変え、1回転でグイッと前に進む方法。もう一つは、ギア比はそのままで足を高速回転させる方法。もちろん、最終的には��の二つを組み合わせて自転車を漕ぐわけだ。

セオリーでは、平坦な道路でのスプリントは前者、ヒルクライミング（山登り！）は後者の漕ぎ方だが、現実には、個性のある人間がさまざまな工夫を凝らして自転車を漕ぐ。

ちなみに、ペダルは足がいちばん上にある点から4分の1周までがいちばん力が入るのだという。4分の1周の時点で、脚は膝がほぼ直角になる。

おそらく、「曲がった足を直角まで伸ばす」とき、脚によく力が入るのだろう。蹴りが強いのだ。

サッカーや格闘技などでは、その先も、さらに脚がムチのようにしなって力が伝わるけれど、自転車の場合は、4分の1周から後は、足が前ではなく後ろに戻ってしまう。

もちろん、蹴りがうまくいくかどうかは、サドルの高さや前後の位置にも左右されるし、蹴るよりも「回す」感覚の人も多いようだ。

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■《体重と車体重量、どっちを減らしますか？》

実際に自転車を漕いでいて痛感させられるのが「質量」だ。

私は毎日自転車に乗るようになって、わずか3ヵ月で体重が81kgから75kgまで落ちたが、最近、ペダルが軽くて驚いている。

自転車を加速するためには「体重＋車体重量」が小さいほうが有利だ。F=ma（F は力、m は質量、a は加速度）という公式を見れば、同じ力F で大きな加速aを得るためには、質量mを小さくすればよいことがわかるだろう。

うーむ、こんなところでニュートン力学が役に立つとは。

ホイールや他の部品を交換して軽量化するのもよいが、めちゃめちゃお金がかかる。購入時のクロスバイクの10kgを8kgにするためには、部品交換に10万円以上かかるであろう（体験談です）。

それと比べると、自分の体重を軽くするほうが圧倒的にコスパがよい。ご飯を半分にして、タクシーをやめて自転車で走れば、お金の節約にもなる。メタボも解消できて、ペダルが軽くなるのだから、まさに一石二鳥ではないか。

■《リムの重さを考えよう》

同じ質量のホイールでも、質量の分布によってペダルの感覚は異なる。リム（車輪の周囲のこと）が重いと、漕ぎ出しは「重い」けれど、いったん巡航速度に達してしまえば、慣性で回転が維持されて楽ちん。

平地だと不利に感じるが、坂を登るときは、重力に逆らってつねに出す感じになるので、リムが軽いほうが有利だ。

自転車はペダルやホイールが「回転」する乗り物なので、力に半径をかけた「トルク」が大切だ。そして、自転車全体としては質量が肝だが、ホイールだけを見れば、同じ質量でも、車輪の周囲が重いかどうか、すなわち「慣性モーメント」が大きいかどうかが、漕ぎ心地の決め手となる。

うーん、トルクと慣性モーメント、高校の物理でやりましたっけ。

■《タイヤの回転数をアップする方法》

世の中に抵抗がなければ、動いている物体は、そのままの速度を維持できる。実際には、��面の抵抗もあれば、ハブ（車輪の回転軸）の抵抗もあるので、ペダルを漕がないと自転車の速度は落ちてしまう。

　{{ 図版 8 : 【写真】車軸ハブ　スポーク越しに見る回転軸・ハブ2例。右例で見える手前のレバー状のものは、車輪着脱用の"クイックリリーサー"　photo by iStock }}

路面抵抗（転がり抵抗）を減らすには、一本5000円くらいの良質なタイヤをつければよい。もちろん、適切な空気圧を保つ必要がある。

また、数万円のハブに交換すると、タイヤの回転は驚くほど改善される。自転車を壁に引っかけて、前輪を勢いよく手で回してみて、何分間、回り続けるか、実験をしてみた。

もともとクロスバイクについていたタイヤは2分弱。ところが、ハブを交換したところ、9分も回り続けることがわかって驚愕した（車体への締めつけの度合いでもハブの抵抗は変わってくる）。

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■《速度の3乗に比例してペダルが重くなる!?》

しかし、実際に自転車を漕いでいて、最もペダルを重くするのは「空気抵抗」だと痛感した。ふつうに道を歩いていて空気抵抗が気になることはあまりないが、自転車に乗っていて向かい風になると、自転車がまったく前に進まない感覚に陥る。

それが事実なら、風があまり吹いていなくとも、自転車の速度が上がるにつれ、猛烈な風が吹いているのと同じ状況になるから、空気抵抗のせいで速度は上がりにくくなるはずだ。

空気抵抗には、自転車の速度に比例する部分（粘性抵抗）と、速度の2乗に比例する部分（慣性抵抗）とがある。

前者は空気がネバっとまとわりつくイメー��で、速度に比例して、まとわりつく空気が増えるわけだ。後者は、もっと速くなったときに利いてくる。自転車が空気を吹っ飛ばして前に突き進むイメージで、そのためには、（速度の2乗に比例する）運動エネルギーの分がそのまま抵抗に寄与するようになる。

さらに恐ろしいことに、パワーは「抵抗×速度」なので、実際には速度の3乗（！）に比例してペダルが重くなってしまうのだ。

〈注：パワーは「1秒間に使うエネルギー」のこと。仕事率、工率、電力、馬力などのことで、単位はワット（W）〉

物の本によれば、ロードバイクで時速40kmで走るのは、約30kgの荷物を秒速1mで持ち上げるパワー（300W）に相当し、時速70kmで走るには、約150kgの荷物を秒速1mで持ち上げるパワー（1500W）に相当するのだという（以上、『 {{ ロードバイクの科学 : https://www.amazon.co.jp/dp/4789961656/ }} 』ふじいのりあき、スキージャーナル株式会社より）。

自転車競技では、先頭の自転車がモロに空気抵抗を受け、その背後にいる自転車は（前の自転車の陰になって）空気抵抗をあまり受けない。だから、チームで走る場合は、アシスト役が頑張って前で空気抵抗を受けて、エースを「引く」わけなのだ。

目に見えない空気が、自転車を漕ぐ際の最大の「敵」というところが面白い。

■《自転車でトポロジーを勉強する!?》

道交法では、自転車は原則として車道の左端を走ることになっている。子どもや高齢者、そして、車道を走ると危ない状況では、例外的に歩道を走ってもよいが、その際には徐行が義務づけられている。

日本は自転車後進国であり、車道が自転車にきわめて不親切にできている。この国は、高度成長期にガソリン車のためだけの車道を全国に張りめぐらせてしまい、同じ車両扱いにもかかわらず、自転車のことなど誰も考えてこなかったのだ。

だから、車道の左端を走っていると、直進したいのに「左折しかできない」ような不条理な状況に出くわすことになる。

ええと、本来は、左折レーンの左端を走りながら、自転車は直進してよいことになっている（青信号もしくは直進の信号が青のとき）。

だが、困るのは、左折レーンが物理的に直進レーンと分離されている場合だ。数学的には、このような車道は、自転車が直進できないトポロジー（幾何学）で設計されていることになる。

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■《左折と直進の信号が同時に青になったら!?》

また、物理的に分離されていなくても、左折車が多い交差点で、左折と直進の信号が同時にしか青にならないのも困る。

左折するクルマに巻き込まれないよう気をつけて直進するか、かなり手前で、左折レーンの右端に移動して交差点を直進するしかないが、これが、きわめて危険なのだ。ソフト的に自転車が直進できない設計になっているわけだ。

　{{ 図版 10 : 【写真】交差点の自転車　ハード・ソフトの両面で、交差点は自転車に不親切だ　photo by iStock }}

さらに困るのは、（自転車に乗らない）ドライバーの意識である。彼らの多くは、車両といえばクルマしか頭にないから、左折レーンは左折のみだと勘違いしている。

だが、警察に問い合わせれば明らかなように、自転車は、左折レーンにいなくてはならず、そして、そこから直進せよ、ということになっているのだ！

「おい！　直進するなら直進レーンに移動しろや！」

ドライバーはパッパラッパーと自転車をクラクションで威嚇するが、道交法上、自転車はいちばん左のレーンを走行しなくてはならない。これは教習所できちんと教わるはずだが、ほとんどのドライバーは忘れてしまうらしい。

近所の警察で、「トポロジー的に直進できない交差点」と「ソフト的に直進しづらい交差点」の対処法を訊ねてみたまえ。おそらく、こんな答えが返ってくるにちがいない。

「お客さん、そこはクルマに逆らわずに左折しちまってください。で、最初の信号で停まって、横断歩道を渡って、右折して、元の交差点に戻って、左折してくだせい」

要は、クルマの流れに乗って左折して、500m先の横断歩道で折り返して、交差点まで戻って来いというのである。ええと、それって、無駄に1km走れっていうことですか？　ハイソウデス。

トポロジー的に直進できない道路は、設計し直すしかないが、ソフト的に直進しづらい交差点は、直進だけ青信号になる時間を設ければよいのであるが、なかなか改善されない。

もっとも、最近、「自転車は左折レーンから直進する」ということを示すために、交差点内に青い自転車通行レーンが明示されるようになってきた。無知なドライバーも、一目で「ああ、自転車はこのレーン��直進するのか」と理解できる優れものだ。少ない予算で線引きすることができるのだから、車道上の自転車通行レーンは、どんどん増やしてもらいたい。

〈参考： {{ 自転車通行空間（国土交通省関東地方整備局東京国道事務所 HP : http://www.ktr.mlit.go.jp/toukoku/toukoku00050.html }} 〉

■《坂道で「立ち漕ぎ」する理由、わかりますか？》

自転車の科学については、まだまだ、わかっていないことが多いらしい。

たとえば、スプリントや坂道で「立ち漕ぎ」（ダンシング）をするのはなぜか。一見、車体が左右にブレて、力が逃げているような気もするが、実際には立ち漕ぎのほうがスピードが出るようだ。

東京工業大学工学院システム制御系の中島求教授によれば、立ち漕ぎの際にハンドルを握っている腕を引き寄せることで力を発揮しているのではないかとのことだが、本当にそうなのか、今後の研究を待つ必要がありそうだ（ {{ https://news.mynavi.jp/article/20161121-simulia/2 }} ）。

いやあ、それにしても自転車って楽しいですねぇ。

20kgのママチャリから10kg以下のスポーツ自転車に乗り換えると、まさに「世界が変わる」。

今年のゴールデンウィークは10連休。近場で100kmくらいのサイクリングを楽しむもよし。自転車の前輪と後輪をはずして袋に入れて、電車に積んで、遠隔地まで輪行するもよし。もちろん、近場をゆっくりポタリングするもよし。

でも、その前に、サドルの位置だけは調整してみてくださいね?。

●参考文献：『 {{ ロードバイクの科学 : https://www.amazon.co.jp/dp/4789961656/ }} 』ふじいのりあき（スキージャーナル株式会社）『 {{ 新・自転車“道交法”ブック : https://www.amazon.co.jp/dp/4777946207 }} 』疋田智、小林成基（エイ出版社）

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