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自転車の物理

CYCLE

自転車に乗っている人を見て、英国の高名な辛口評論家がこう言ったとか。
「人は、自転車が自分を運んでくれていると思っているが、人が自転車を運んでいるに過ぎない。」

どうも、この理屈は間違っているらしい。

自転車で移動する人間は、どの動物どの機械よりも、物理的効率がいいらしい

ちょいと古い雑誌の記事にそれはあった。SCIENTIFIC AMERICAN 日本版1973年5月号の記事、S.S.ウイルソン氏の「自転車の発達とテクノロジー」なのだ。

「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。その発達の途上で採用されたボールベアリング、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ており、近代技術への貢献は計り知れない」んだそうだ。

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自転車の発展を詳しく考察する前に、自転車のようにごくごく簡単な装置が、なぜそんなに大きな効果を技術の加速的な進化にもたらしたのか問うてみる価値があるだろう。その答えは、まさに機械の純粋な人間性のなかに存在するといえる。

自転車の目的は、個人が容易に動きまわれることであり、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)を示しているが、人間は馬や鮭またはジェット機ほどには効率がよくない。
しかし、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にに減少する(約0.15cal/g/km)。したがって、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ナンバーワンの効率を誇ることになる。

このすばらしい性能を発揮するために、自転車は人間工学的に最適設計になるように発展してきた。それは正しい筋肉(身体のなかで最も強力なももの筋肉)を、正しい運動(足の滑らかな回転運動)で、正しい速度(毎分60〜80回転)で働かせる。そのような設計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による)。次に回転抵抗を最小にしなければならない(空気タイヤによる)。またペダルをこいで坂を登る苦労を減少するために、最小の重量でなければならない。

自転車乗りが歩行に比較してエネルギー効率が高い理由は、主として筋肉の運動方式のなかにあるようである。機械は、力がある距離を動くことによってみ機械的な仕事を行なう。一方、筋肉は緊張しているが動いていないとき(いわゆる”静止”の仕事をしているとき)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、筋肉を引っ張るという複雑なシステムによって直立姿勢を維持している。したがって、ただ立っていてもエネルギーを消費するのである。同様に、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、筋肉のエネルギーは消費される。外部に力に対して何ら機械的仕事は行われないけれども、手と腕は交互に加速と減速を繰り返すからである。
歩くとき足の筋肉は身体の他の部分を直立姿勢に支持するとともに、身体全体を上げたり下げたり、足を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追加される必要がある。このようにエネルギーを消費するのとは別に、足が地面を打つ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おこす。

これと自転車乗りを比較すると、まず第一に自転車乗りは座っているのでエネルギーが節約される。こうして足の筋肉を支持機能から解放し、これに伴うエネルギー消費を節約する。身体の中で往復運動する部分は、ひざとももだけである。足は一定の速度でなめらかに回転し、身体の他の部分は静止している。最も強い筋肉のみが使われるので、足の加速と減速が効率よく達成される。上昇する足はもち上げる必要はなく、他の足の下向きの推力によって上げられる。標準のサイクリング姿勢において、背中の筋肉は胴を支持するために使用されるが、腕もこれを助けることができ、手と腕にはわずかしか緊張が残らない。

競輪選手は、風の抵抗を減少させるために、あまり快適でない姿勢をすることになる。自転車にとって風の抵抗はエネルギー損失のなかで最も不利な点であろう。風の抵抗は、自転車乗りに対して、風の速度の二乗に比例して変化する。したがって、もし毎時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倍も大きくなるだろう。実際には、全て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。

風の抵抗以外で、唯一の重要なエネルギー損失の形はころがり抵抗である。正常な車輪を用い、適当に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非常に小さく、速度の影響はほとんど受けない。

設計の全ての部分は、人間の体格と関連しているので、自転車全体がつねに人間の大きさに合っていなければならない。軽量な構造は、主としてワイヤ・スポークの車輪と管構造の開発によって実現したのであり、これは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、簡単に自転車をもち上げたいという要求から生じた。

自転車は材料やエネルギー源に対する要求が少なく、環境汚染にほとんど影響せず、健康によい影響を与え、死傷事故もほとんど起こさないので、最も博愛的な機械と見ることができる。

Apple のスティーブン・ジョブズが「コンピュータ」について自転車のアナロジーとして語る。

● aki's STOCKTAKING: JOBS ジョブズのパーソナルコンピュータ論


Posted by @ September 15, 2003 01:57 AM
Comments

kubo さん、はじめまして、こんにちは。
このコンテンツはコピーで、オリジナルではありません。しかし、とても必要な情報であるといつも思っています。たくさんの方が読んでおられます。
もちろん、強い心も.....。

Posted by: 秋山東一 @ January 4, 2006 11:27 PM

改めて自転車に乗ってて良かったと思いました。
これからも乗続けます。
あっそれと。自転車乗りにもっとも必要なものは
強い心かな?
暑さ寒さに負けず、強風にめげず、激坂をものともしない。

Posted by: kubo @ January 4, 2006 01:14 PM

非常に参考になりました。感謝申し上げます。
ところで、駅前の違法駐車した自転車の転倒が気になるのですが、風で転倒することについて、
あとえば、転倒する風速等について、
情報をお持ちでしたら、ご教授いただけないでしょうか。
駐輪場を設置する際の参考にできたらと考えています。

Posted by: 川口彰久 @ January 20, 2004 01:05 PM