自転車の『やさしい物理学』

コマと車輪

　この事は、自転車を選ぶ場合に重要となります。
一言で言えば、小径車は手軽であるけど、長距離乗るにはつらいし、段差がある所は注意しないと転倒しやすかったりします。

　大径車は、かさばるけど長距離乗るには楽となります。一度速度が出ると、良く転がりなかなか速度が落ちません。
車と似てますね。要はＴＰＯと云うことです。

前回の 《ティータイム》 頭の体操ーーー極端を考える
答え　＞＞＞　風がない場合が最小。

風がある場合、行きは早く、帰りは遅くなり、合計は変わらないようにも思えますが、
極端な場合を考えるとすぐ分ります。

飛行機の速度と同じ風速と仮定すると、行きは１/２の時間で到着しますが、
帰りは戻る事はできません。数式上は無限大の時間となります。

このように、物理は、極端なケースを仮定すると、簡単に理解できる事が多々あります。
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自転車の『やさしい物理学』　　（５回目）

車輪の直径とチェーン歯数の関係（その１）

　登山する時、頂上へ直線的登る場合とジグザグ又は螺旋状に登る場合を考えて見ましょう。どちらが楽でしょう？
これも極端な例を考えると分りやすいですね。

　直角に近い絶壁を真っすぐ登ることは、強い力が必要で、とても大変です。螺旋スロープにすると楽でしょうか？
角度を極端に小さくすると、力はいりませんが、歩く距離がとてつもなく長くなります。

　前回の《ティータイム》と同様、角度＝０と仮定すると、頂上に着けなくなります。 中間にちょうど良い角度がありそうです。
でも、物理で云えば、どんな方法であれ、

《ある物体の重さＸ持ち上げた高さ》＝エネルギー（位置エネルギーと云います）

となり、持ち上げる方法には関係ありません。　　　では、なぜある角度で登ると楽なんでしょうか？

人間の能力（筋力や持続力）に、最も効率の良い値があるからです。
自転車も似たような所があり、《ペダル一回転で何メートル進むか》は重要な要素となります。

次回へ続く

　引用しました【いろいろな発電機の分解（桜井昭三）】は【サイエンスＥネット】
http://link.rakuten.co.jp/1/001/992/
内の【教材開発】【やってみよう実験 】にあります。
【サイエンスＥネット】は、いろんな科学知識が分かりやすく公開されていて、私推薦のＨＰです。

《ティータイム》頭の体操ーーー三角形と四角形、多角形
物理と云うより、数学の問題ですがーーー三角形が確定する条件は？
（二辺とその挟む角）、（一辺とその両端の角）、（三辺）でしたよね。覚えてありますか？
そう三辺の長さが決まれば、三角形は確定します。−−−変形できません。
四角形はどうでしょう。　四辺が決まっても平行四辺形等に変形可能ですね。
このように考察すると、三角形だけはシンプルだけど特異な性質（最小の辺で、形が確定する）を持っています。
三角形は、組み合わせればどんな多角形でも作る事ができる、図形の最小単位と云えます。

（極端を考えるーーー＞　三角形は多角形の辺数が最小の極端な場合です。　一方、正多角形の辺数を無限大にすると円になります。）

　競技用自転車は、昔ながらの二つの三角形を組み合わせた構造で作られているのは、この様な理由からです。
ただ街乗り用の場合は乗り降りのしやすさやデザイン等から一本フレームや変形フレームが採用されてますが、フレームの断面を大きくする必要から、重量的には重くなるのは避けられません。
軽い素材を使ってある程度軽量化する程度でしょう。
これも、使用目的とのバランスで選択するのが良いと思います。

　私の体験では、スポーツタイプ（最近は少ないですが）とシティタイプでは、強くこいだ時、感触がかなり違うように感じます。
強くこいだ時、トライアングル構造のスポーツタイプはかっちりしてますが、シティタイプはふにゃふにゃする感覚です。
今は、マウンテンタイプ全盛ですが、個人的趣味からすれば、スポーツタイプ的な軽くて、良く転がり、気楽にのれる街乗り車があればと思います。

《ティータイム》 自転車選びと関係ないけどーーー 　自転車は両手ばなしでも、真っ直ぐ進みますね （やってはいけません） 車もそうですね。　　なぜでしょう？

　自転車は良く見ると、前輪のホークがやや傾いています。（図参照）
自動車のホイールアライメントの１要素であるキャスター角がつけられているからです。

　前輪はハンドル軸を中心に回転します。（回転軸の延長線が地面と交差する点をＡ点とします）
一方、タイヤの接地点をＢ点とすると、Ｂ点は、走行抵抗があるため、自転車後方（図では右）へ引かれます。
ちょうど、旗布が旗の軸を中心にしてなびくのと似ています。
その結果直進方向への復元力が自動的に働きます。

　バックする場合は、全く逆となり、左右どちらかにクルッと回転してしまいます。　一本スタンドの自転車を上りの坂道に留めようとして、経験された方も多いでしょう。

　自動車にもこのキャスター角が付いています。　前進する場合はハンドルは直進するように、復元力が働きます。
一方、 バックする場合は左右どちらかへ切れようとします。（前輪が、いったん切れた方向へ、ますます曲がろうとするからです）　

　『やさしい物理学』から自転車を選ぶとすれば
１．平坦地だけ考えれば『ころがり摩擦』が小さい自転車（重くても一旦加速すれば、後はエネルギーはいらないから、重さは重要ではない）
２．しかし、実際はブレーキをかける必要があるので、加速時のエネルギーを小さくする為、軽い自転車が望ましい。
３．道路は平坦ではないから、上り坂でのエネルギーを少なくする為にも軽い自転車が良い。
　となり、大原則は『軽くて、良く転がる自転車』となります。

車に置き換えると スポーツカーと似てませんか？　　　　高速道路を走らないのなら、少々重くてもゆったりした空間や乗り心地も重要ですね。　　　設計とは、デザインを除けば、相反する条件の中から、何を目的にして、どのようにバランスを取るかにつきます。
　自転車選びとは、使用目的（ＴＰＯ）や、その人の体力などから、その人に合った『設計者の意図する物』を選択する事でしょう。
　次回は、いろんな角度から、自転車を選ぶ場合の注意点の予定です。

などが考えられます。
条件は相反する事が多いので、優先順位をつけて下さい。

１．用途
《遠距離乗り》の場合は、２６、２７インチなどの大径車のトライアングルフレームで決まり。
　切り替えも必須となります。
　マウンテンタイプの場合は、タイヤのパターンに注意する必要があります。
　ブロックパターンは、舗装道路での走行抵抗が大きく、転がりが良くありません。

《チョイ乗り》の場合は選択肢が多くなります。デザインも自由度が増します。
　好みで選んでかまいませんが、ギヤー比と車輪サイズのセッティングに注意が必要です。
　シャカシャカ踏まないと進まない小径車があるからです（後述）。

《重い荷物や子供をのせる》
　スタンドは両立スタンドが必須です。１本スタンドは自転車が回ってしまいます。
　できれば、ハンドルロック等、荷物の積降や子供の乗降時の固定仕掛があると良いですね。

７．適応身長
　一般的な適応身長があり、一覧表として整理されてますが、目安として考えたほうが良いでしょう。
　本来は、身長より股下寸法（足の長さ）のほうが、大事でしょう。
　以前述べたように、体力や年令により修正する必要があります。
　バランス感覚が鈍ってくる年令の方は、やや低めの自転車が安全でしょう。

８．付加的条件（素材、荷物かごの取付け可否、発電機の取付け可否、乗り心地）
　《素材》場所により一長一短があります。　一般的には、高級車ほどステンレスおよびアルミが使用されてます。
　　リムは軽量で加工が容易な事から、最近アルミが多用されてますが、強度から云うとステンレスに部があります。
　　個人的にはステンレスが好きです。　又、アルミは錆びないと思われてますが、白く粉を吹くことも多く、
　　錆びないとは言い切れません。　特にアルミナットは強度も弱く、さらに水滴が付着すると、
　　鉄との接触部分が一種の電池を構成し（次回特集を組みます）、腐食しやすい傾向があるので、
　　アルミは錆びにくいと鵜呑みにしないことです。

　《荷物かごの取付け可否》車種によっては取付けが困難な場合があります。
　　必要なら、購入時に取付けて貰うのが間違いないと思います。

　《発電機の取付け可否》これも車種によっては、発電機が取付け困難な場合があります。

　《乗り心地》前後輪のサスペンション、サドル構造、タイヤサイズなどが乗り心地に関係します。
　　近頃は、はサスペンション付きが多くなってきました。　車体が重くなるのは、いたし方ありません。
　　最近、ゲル入りのサドルカバーが販売されていて、時間とともに、ライダーのお尻の形になじむ設計となってます。
　　ゲルとは化学用語でゼリー状の状態の一種を言います（やさしい化学も連載しなくっちゃ！・・・・しません）