自転車の性能

2011年のクリテリウム・デュ・ドーフィネを完走した、黄色いジャージを着たブラッドリー・ウィギンス。

自転車の性能とは、エネルギー効率など、自転車の有効性に影響を与える測定可能な性能です。自転車は非常に効率的な機械であり、一定の距離を移動するために必要なエネルギー量という観点から見ると、自転車は最も効率的な自家動力式交通手段であると計算されています。[ 1 ]

自転車の輸送性能はトンキロの点でも優れています。[ 2 ]自転車が運ぶことができる貨物重量（積載量）と自転車の総重量の比率で見ると、サイクリング（ここではカーゴバイク）は貨物輸送の最も効率的な手段でもあります。

機械効率

機械的な観点から見ると、ライダーがペダルに伝達する機械エネルギーの最大99%が車輪に伝達されます（400Wで清潔で潤滑された新品チェーン）。ただし、ギア機構の使用により、このエネルギーは1～7%（清潔で十分に潤滑されたディレイラーと直線チェーンライン）、4～12%（3速ハブ付きチェーン）、10～20%（3速ハブ付きシャフトドライブ）減少します。各範囲におけるより高い効率は、より高い出力レベル、ダイレクトドライブ（ハブギア）、または大型の駆動歯車（ディレイラー）によって達成されます。[ 3 ] [ 4 ]

エネルギー効率

人間が時速16～24km（時速10～15マイル）で自転車に乗り、歩行に必要な力のみで走行することは、一般的に利用可能な最もエネルギー効率の高い人間の移動手段です。[ 5 ]空気抵抗は速度の2乗に比例して増加するため、速度に応じてより高い出力が必要になります。ライダーが仰向けになる自転車はリカンベント自転車と呼ばれ、空気抵抗を非常に低く抑えるために空気力学的なフェアリングで覆われている場合はベロモービルと呼ばれます。

レーシングバイクは軽量で、足を自由に動かすことができ、乗り手にとって比較的快適かつ空気力学的に優れた姿勢を実現し、優れた動力伝達を実現する剛性を備え、ギア比が高く転がり抵抗が低いのが特徴です。

ある研究によると、体重 70 kg (150 ポンド) の人間が固く平坦な地面を時速 5 km (3.1 mph) で歩くには約 60ワットが必要ですが[ 6 ] 、 kreuzotter.de の計算機によると、同じ人が普通の自転車に出力で乗ると時速 15 km (9.3 mph) で移動します[ 7 ]。そのため、このような状況では、サイクリングのエネルギー消費は同じ距離を歩く場合の約 3 分の 1 になります。上り坂と下り坂の速度は、坂の傾斜とライダーの努力に応じて変化します。上り坂でのサイクリングでは重力に打ち勝つためにより多くの力が必要なため、平坦な走行時よりも速度が低下したり、心拍数が上がったりします。中程度の努力で、サイクリストは緩やかな坂を時速 8～10 km で漕ぐことができます。草、砂、泥、雪の上を走行すると、ライダーの速度も低下します。自転車のライダーは、下り坂でペダルをこぐことなく、緩やかな 5% の坂を下る際に簡単に時速 20 ～ 40 km の速度に達し、急な坂では時速 50 km を超える速度に達することができます。

エネルギー出力

人間がどれだけのパワーを、どれだけの時間発揮できるかは、体格によって異なります。比出力は体重1kgあたりのワット数で表されます。活動的なサイクリストは、機能的閾値パワー（約1時間）で、1.0 W/kg（初心者女性）、2.2 W/kg（平均的な未訓練男性）、3.0 W/kg（男性、普通または女性、良好な[フィットネス]）、6.6 W/kg（トップクラスの男性アスリート）を発揮できます。5 W/kgは、優れた男性アマチュアまたは並外れた女性アマチュアが到達できるレベルです。[ 8 ] 1時間の最大持続パワーは、約200 W（NASAの「健康な男性」実験グループ）から500 W（ 1975年にエルゴメーターを使ったエディ・メルクス）まで記録されています。1日のペダリングでは、これらの数値はほぼ半分になり、1分間の持続時間は2倍になります。[ 9 ]

エネルギー入力

人体へのエネルギー摂取は食物エネルギーの形で行われ、通常はキロカロリー（kcal）またはキロジュール（kJ、kWまたはキロワット秒に相当）で定量化されます。これは移動距離や体重と関連しており、例えば⁠キロジュール/km⋅kg⁠。食物消費速度、つまり一定期間に消費される量が入力電力です。これはkcal/日またはJ/s = W（1000 kcal/日 ≈ 48.5 W）で測定できます。

この入力パワーは、酸素摂取量を測定することで、あるいは体重の変化がないと仮定した場合の長期的な食物摂取量を測定することで決定できます。これには、基礎代謝率（BMR）または安静時代謝率と呼ばれる、生きるために必要なエネルギーも含まれます。

必要な食料は、出力を筋効率で割ることでも計算できます。これは18～26%です。上記の例から、体重70kgの人が60Wを消費して時速15kmで自転車に乗っている場合、筋効率が20%であると仮定すると、およそ1 ⁠キロジュール/km⋅kg⁠追加の食料が必要になります。旅行中に必要な食料の総量を計算するには、まず入力電力にBMRを加算する必要があります。体重70kgの人が高齢で背の低い女性であれば、BMRは60Wになる可能性がありますが、それ以外の場合はもう少し高くなります。 [ 10 ]このように見ると、この例の効率は実質的に半分になり、約2 ⁠キロジュール/km⋅kg⁠合計食料が必要です。

これは低出力サイクリングでは必要な食料の相対的な増加が大きいことを示していますが、実際には1時間のサイクリングで発生する追加のエネルギーコストはナッツやチョコレート50gで賄えるため、ほとんど気づかれません。しかし、長距離高速サイクリングや上り坂サイクリングでは、追加の食料の必要性が顕著になります。

効率計算を完了するには、消費される食品の種類によって全体的な効率が決まります。そのためには、食品の生産、配送、調理に必要なエネルギーを考慮する必要があります。

標準速度

丘陵地帯における自転車の速度の変化を示すグラフ。

実用サイクリングでは、到達速度に大きなばらつきがある。直立したロードスターに乗っている高齢者は時速 10 キロメートル (6.2 マイル) 以下しか出せないが、より健康な人や若い人であれば、同じ自転車で簡単にその 2 倍の速度を出せるだろう。コペンハーゲンのサイクリストの場合、平均サイクリング速度は時速 15.5 キロメートル (9.6 マイル) である。[ 11 ]ライダーの体力やリズム、自転車のタイヤの空気圧やサイズ、ギア比、地形の傾斜が、ライダーの全体的な速度に影響する。100 W のパワーでペダルをこぐ人は、ロードスターで秒速 5.5 メートル、レーシング バイクで秒速 7.5 メートル、フェアリング HPV で秒速 10 メートル、究極の HPV で秒速 14 メートルを達成できる。[ 9 ]競技サイクリングでは、軽量素材、低抵抗タイヤ、空力設計、集団の空力効果の使用によって、持続可能な高速が高められている。複数のサイクリストが風上を交代で走り、その後は後方に下がって休憩することで、グループは長距離でも高い速度を維持できます。チームタイムトライアルでも同様の効果が得られます。

フィットネスサイクリストたちは、スピードメーターやサイクルコンピュータを使用して、速度、勾配、距離、時間、ケイデンス、傾斜、パワー（ワット）、温度、GPS データ、ルート、さらには心拍数など、さまざまな変数を測定、記録、共有します。

自転車のスピード記録

人力車両（HPV）の最高速度として公式に記録されたのは、平地で風が穏やかで、外部からの補助（モーターペースメーカーや防風装置など、ただし一定量の重力補助は含む）なしの状態で、2016年にトッド・ライヒェルトが流線型のリカンベント自転車であるエタ・スピードバイクで記録した時速144.18km（時速89.59マイル）である。[ 12 ] 1989年のレース・アクロス・アメリカでは、一団のHPVがわずか5日間でアメリカを横断した。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]フルフェアリングの条件下で、従来の直立姿勢で自転車に乗った最高速度は、200メートルで時速82km（時速51マイル）であった。[ 17 ]この記録は、1986年にバンクーバーで開催されたExpo86世界博覧会のヒューマンパワードスピード選手権で、ジム・グローバーがモールトンAM7で記録したものです。自転車のスリップストリーム走行における最高速度は、2018年にデニス・ミューラー＝コレネックがボンネビル・ソルトフラッツで記録した時速296km（183.9mph）です。これはドラッグスターの後ろでスリップストリーム走行を行ったものです。

サイクリング速度の揺れ

危険なステアリングの揺れや振動は高速走行時に発生する可能性があり、また低速走行時でも、柔軟性の高いフレームと不適切なダンピングの組み合わせでは発生する可能性があります。[ 9 ]

重量と回転質量の軽減

登坂性能と加速性能を向上させるため、レーシングバイクの軽量化をめぐる企業間の激しい競争が繰り広げられてきました。UCI （国際自転車競技連盟）は、公認レースで使用する自転車の最低重量を6.8kgと定めています。[ 18 ]

質量削減の利点

平坦な道を一定速度で走行する場合、大幅な軽量化によるパワーの節約はごくわずかで、むしろ空力性能の向上という形で重量を増やす方が効果的です。しかし、急勾配の登り坂では、軽量化の効果はすぐに実感できます。例えば、自転車、ライダー、荷物を合わせたシステム全体の重量を10%軽減するだけで、約10%のパワー節約につながります。

加速時にも質量の軽減は直接的に感じられます。例えば、Wayback MachineにアーカイブされているAnalytic Cyclingの計算機 （2022年1月15日）によると、500g軽いホイールを装着したスプリンターの場合、タイム/距離で0.16秒/188cmのアドバンテージが得られます。クリテリウムレースでは、ライダーがコーナー進入時にブレーキをかけなければならない場合、このブレーキは熱として無駄になります。平坦なクリテリウムを時速40kmで走行し、1kmの周回コースを周回、1周あたり4つのコーナー、各コーナーで10km/hの減速、1時間の走行時間で160回のコーナー「ジャンプ」が発生します。ライダーと自転車の重量が90kgの場合、同じ速度で走行した場合と比較して約3分の1の労力しかかかりません。したがって、システム全体重量（自転車、ライダー、荷物の合計）の10%の質量軽減は、約3%のアドバンテージをもたらす可能性があります。

軽量ホイールの利点

タイヤとリムの質量は、直線的にも回転的にも加速されなければなりません。典型的なスポークホイールでは、リムとタイヤの質量の影響は実質的に倍増することが示されています。したがって、これらの質量を軽減することは、クリテリウムにおけるスプリントやコーナーの「ジャンプ」において特に顕著です。[ 19 ]

必要な電力

さまざまな抵抗を克服するために必要な電力を、主に速度と動作パラメータの関数として与えるよく知られた式があります。 [ 9 ]

さまざまなコンポーネントの速度に対する出力曲線: – 空気抵抗力は最初は非常に低く、速度の 3 乗で増加します。– 転がり抵抗力は最初は高くなりますが、緩やかにしか増加しません。 – 5% の勾配を登ることは、0.5 m/s 2の連続加速とほぼ同じであることがわかります。

空気抵抗

空気抵抗を克服するために必要な力は次のとおりです。 PD{\displaystyle P_{D}}

PD＝12ρvr3CDあ{\displaystyle P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v_{r}^{3}\,C_{D}\,A}静止した空気中、または
PD＝12ρv1つの2vrCDあ{\displaystyle P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v_{a}^{2}\,v_{r}\,C_{D}\,A}向かい風の中、

どこ

ρ{\displaystyle \rho }空気の密度は約1.225です。kg/メートル3海面、15℃の場合[ 20 ]
vr{\displaystyle v_{r}}道路に対する相対的な速度です。
v1つの{\displaystyle v_{a}}明らかな向かい風であり、
CDあ{\displaystyle C_{D}\,A}は特性面積とそれに関連する抗力係数の積です。

見かけの風の概念は、真の向かい風または追い風から生じる場合にのみ、ここで直接適用できます。この場合、は向かい風と のスカラー和、またはと追い風の差です。この差が負の場合、 は抵抗ではなく助力とみなす必要があります。ただし、風に横方向の成分がある場合は、見かけの風はベクトル和で計算する必要があり、特に自転車が流線型の場合は、横方向の力と抗力の計算がより複雑になります。適切な処理には、帆にかかる力のような表面にかかる力を考慮する必要があります。 v1つの{\displaystyle v_{a}}vr{\displaystyle v_{r}}vr{\displaystyle v_{r}}PD{\displaystyle P_{D}}

抗力係数は物体の形状とレイノルズ数に依存し、レイノルズ数自体は に依存します。しかし、 が断面積である場合、直立した自転車に乗るライダーの通常の速度では、 はおおよそ1と近似できます。 v1つの{\displaystyle v_{a}}あ{\displaystyle A}CD{\displaystyle C_{D}}

転がり抵抗

タイヤの転がり抵抗を克服する力は次のように表されます。 PR{\displaystyle P_{R}}

PR＝vrメートルグラムコス⁡（アークタンジェント⁡s）Crr≈vrメートルグラムCrr{\displaystyle P_{R}=v_{r}\,mg\cos(\arctan s)C_{rr}\approx v_{r}mgC_{rr}}

ここで、 は重力（公称9.8 m/s^2）、 は勾配（上昇/下降）、は質量（kg）である。この近似値は、一般的な転がり抵抗係数 にすべて適用できる。通常、これは（自転車の道路上の速度）とは無関係であると仮定されるが、速度とともに増加することが認識されている。ローラー機構による測定では、様々なタイヤを最大推奨圧力まで膨らませた場合、低速時の係数は0.003から0.006であり、10 m/sで約50%増加する。[ 21 ]グラム{\displaystyle g}s{\displaystyle s}メートル{\displaystyle m}Crr{\displaystyle C_{rr}}vr{\displaystyle v_{r}}

登坂力

斜面の垂直登坂力は 次のように表される。 PS{\displaystyle P_{S}}s{\displaystyle s}

PS＝vrメートルグラム罪⁡（アークタンジェント⁡s）≈vrメートルグラムs{\displaystyle P_{S}=v_{r}mg\sin(\arctan s)\approx v_{r}mgs}. [ 22 ]

この近似値は、勾配が小さい、つまり通常の勾配の場合、実解に近似します。0.35のような非常に急な勾配の場合、この近似値は約6%の過大評価となります。

この力はバイクとライダーの潜在的エネルギーを増やすために使用されるため、下り坂では動力として戻され、ライダーがブレーキをかけたり、希望よりも速く走行しない限り失われません。

加速のためのパワー

全質量mのバイクとライダーを加速度aで加速し、質量を持つ車輪も回転させるための力は次のとおりです。 Pあ{\displaystyle P_{A}}メートルわ{\displaystyle m_{w}}

Pあ≈vr（メートル+メートルわ）1つの{\displaystyle P_{A}\approx v_{r}(m+m_{w})a}

この近似は、力がリムとタイヤに集中し、それらが滑っていないと仮定した場合に有効です。したがって、このようなホイールの質量は、ホイールのサイズに関係なく、この計算では2回カウントできます。 メートルわ{\displaystyle m_{w}}

この力はバイクとライダーの運動エネルギーを増大させるために使用されるため、減速時に返され、ライダーがブレーキをかけたり、希望よりも速く移動しない限り失われません。

総電力

総電力は次のように計算されます。

P＝（PD+PR+PS+Pあ）/η{\displaystyle P\,=(P_{D}\,+P_{R}\,+P_{S}\,+P_{A}\,)/\eta \,}

この記事の冒頭で説明したドライブトレインの機械効率は どこにありますか。η{\displaystyle \eta \,}

この簡略化された式から、いくつかの興味深い値を計算できます。例えば、無風状態を仮定すると、ペダルに供給される電力（ワット）は次のようになります。

  • 90 kg の自転車とライダーが平地で 9 m/s (32 km/h または 20 mph) (空気抵抗を克服するための努力の 76%)、または 7% の勾配で 2.6 m/s (9.4 km/h または 5.8 mph) (空気抵抗を克服するための努力の 2.1%) で進むには 175 W。
  • 90 kg の自転車とライダーが平地で 11 m/s (40 km/h または 25 mph) で走行している場合 (空気抵抗を克服するための努力の 83%)、または 7% の勾配で 4.3 m/s (15 km/h または 9.5 mph) で走行している場合 (空気抵抗を克服するための努力の 4.2%)、300 W。
  • 65 kg の自転車とライダーが平地で 9 m/s (32 km/h または 20 mph) (空気抵抗を克服するための努力の 82%)、または 7% の勾配で 3.3 m/s (12 km/h または 7.4 mph) (空気抵抗を克服するための努力の 3.7%) で進むには、165 W が必要です。
  • 重量 65 kg の自転車とライダーが平地で 11 m/s (40 km/h または 25 mph) で走行している場合 (空気抵抗を克服するための努力の 87%)、または 7% の勾配で 5.3 m/s (19 km/h または 12 mph) で走行している場合 (空気抵抗を克服するための努力の 6.1%)、285 W。

自転車とライダーの重量を 1 kg 減らすと、平坦な場所で 9 m/s で 0.01 m/s の速度増加が見られます (時速 32 km (20 mph)、40 キロメートル (25 マイル) のタイム トライアルで 5 秒)。 7% の勾配で同じ削減を行うと、0.04 m/s (90 kg の自転車 + ライダー) から 0.07 m/s (65 kg の自転車 + ライダー) の速度向上が見られます。 1 時間登る場合、453 グラム (1 ポンド) の軽量化により 69 ～ 107 メートル (225 ～ 350 フィート) の高度向上が見られます。 自転車とライダーの組み合わせが重い場合は、効果は少なくなります (例: 0.06 km/h (0.04 mph) ⋅ ​​1 時間 ⋅ 1,600 メートル (5,200 フィート) / マイル = 69 メートル (226 フィート))。参考までに、ツール・ド・フランスとジロ・デ・イタリアの大きな登りの平均グレードは次のとおりです。

ジロ・デ・イタリアの勾配[ 23 ]

ツール・ド・フランスの勾配

参照

参考文献

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  22. ^正弦はしばしば無視されます。正しい扱いについては、James C. Martin他著「ロードサイクリングパワーの数学的モデルの検証」、Journal of Applied Biomechanics、第14巻、第3号、1998年8月14日、276～291ページ[1]を参照してください。
  23. ^ジロ・デ・イタリアの最も厳しい登りArchived 2020-09-27 at the Wayback Machine .
  24. ^ 「サストレが2008年ラルプ・デュエズのステージで優勝」。2008年7月23日：Velo News。2009年2月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年1月14日閲覧。{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
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