自転車の性能

自転車の性能とは、エネルギー効率など、自転車の効率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す。一定の距離を移動するために人が消費しなければならないエネルギーの量で言えば、サイクリングは最も効率的な自家動力の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]自転車が運べる}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）は最も効率的な貨物輸送手段でもあります。

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的エネルギーの最大99％が車輪に伝達されます（400Wで清潔で潤滑された新しいチェーン）。ただし、ギア機構を使用すると、これが1〜7％（清潔で十分に潤滑されたディレイラーとまっすぐなチェーンライン）、4〜12％（3速ハブ付きチェーン）、または10〜20％（3速ハブ付きシャフトドライブ）減少します。各範囲でより高い効率は、より高い出力レベルとダイレクトドライブ（ハブギア）または大きな駆動歯車（ディレイラー）で達成されます。^{[3] [4]}

人間が時速16～24km（10～15マイル）で自転車に乗り、歩くのに必要な力だけを使って移動することは、一般的に利用できる最もエネルギー効率の良い人間の移動手段です。^[5] 空気抵抗は速度の2乗で増加するため、速度に応じてますます高い出力が必要になります。ライダーが仰向けになって乗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。

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ワットの電力が必要ですが^[6]、kreuzotter.de の計算機によると、同じ人が普通の自転車に乗った場合の速度は時速 15 km (9.3 mph) になります^[7]。したがって、このような状況では、自転車に乗る際のエネルギー消費量は、同じ距離を歩く場合の約 3 分の 1 です。上り坂と下り坂の速度は、坂の傾斜とライダーの努力によって異なります。上り坂での自転車走行では、重力に打ち勝つためにより多くの電力が必要になるため、速度が低下したり、心拍数が上昇したりします。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、雪の上を走行する場合も、ライダーの速度は低下します。自転車のライダーは、下り坂でペダルをこがなくても、緩やかな 5% の坂を下るときに時速 20 ～ 40 km の速度に簡単に達することができ、より急な坂では時速 50 km を超える速度に達することができます。

人間がどのくらいのパワーをどのくらいの時間発揮できるかは、体型によって異なります。特定のパワーは体重 1 キログラム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])、および 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 レベルは、約 200 W ( NASA の実験グループの「健康な男性」) から 500 W ( 1975 年のエルゴメーターのエディ メルクス) まで記録されています。1 日のペダル漕ぎでは、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]

人体に供給されるエネルギーは食物エネルギーの形で、通常はキロカロリー[kcal] またはキロジュール[kJ、kWs 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、次のような単位が付けられます。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か、体重の変化がないと仮定して長期的には食物消費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 またはおおよそ安静時代謝率と呼ばれる、生きるために必要なパワーが含まれます。

必要な食料は、出力パワーを筋効率で割ることによっても計算できます。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で自転車に乗っており、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 余分な食料が必要です。旅行中に必要な総食料を計算するには、まずBMRを入力電力に追加する必要があります。体重70kgの人が高齢で背の低い女性の場合、BMRは60Wになる可能性がありますが、他のすべてのケースで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 総食料が必要です。

これは、低出力サイクリングに必要な食料の相対的な増加を示していますが、1 時間のサイクリングで発生する余分なエネルギー コストは 50 g のナッツまたはチョコレートでカバーできるため、実際にはほとんど気になりません。ただし、長距離の高速サイクリングや上り坂のサイクリングでは、余分な食料が必要であることは明らかです。

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。

実用サイクリングでは、到達速度に大きなばらつきがあります。高齢者が直立したロードスターに乗っても時速 10 km (6.2 mph) 以下しか出せないのに対し、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 倍の速度を出せます。コペンハーゲンのサイクリストの平均サイクリング速度は時速 15.5 km (9.6 mph) です。^[11]ライダーのフィットネスとケイデンス、自転車のタイヤの空気圧とサイズ、ギア比、地形の傾斜が、ライダーの全体的な速度に影響します。100 W のパワーでペダルをこぐ人は、ロードスターで毎秒 5.5 m、レーシングバイクで毎秒 7.5 m、フェアリング HPV で毎秒 10 m、究極の HPV で毎秒 14 m の速度を出せます。^{[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、および}プロトンの空力効果の使用によって、持続可能な高速が強化されます。複数のサイクリストが風の向かう方向で交代で走り、その後後ろに下がって休憩するため、グループは長距離でもより速い速度を維持できます。チームタイムトライアルでも同じ効果が得られます。

フィットネスサイクリストは、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。

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風よけなど、ただし一定量の重力アシストを含む）なしの状態で、人力車両（HPV）が公式に記録した最高速度は、2016年にトッド・ライヒャートが流線型のリカンベント自転車であるEta Speedbikeで記録した時速144.18km（時速89.59マイル）です。^[12] 1989年のレース・アクロス・アメリカでは、一群のHPVがわずか5日間でアメリカを横断しました。^{[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走行した自転車の公式最高速度は、200メートルで時速82km（時速51マイル）でした。^[17]この記録は、1986年にバンクーバーで開催されたExpo86ワールドフェアの人力スピード選手権で、ジム・グローバーがモールトンAM7で記録しました。自転車のスリップストリームでの最高速は、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296キロ（時速183.9マイル）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した時の記録です。

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、柔軟性の高いフレームと不適切な減衰力により低速走行時にも発生する可能性があります。^[9]

上り坂や加速を速くするために、レース用自転車の重量を軽くするための企業間の大競争がありました。UCIは、認可されたレースで使用する自転車の最小重量を6.8kgに制限しています。^[18]

平地を一定速度で走行する場合、大幅な軽量化によって節約できるパワーはごくわずかで、空気力学的改善という形で質量を増やすことはむしろ有益です。しかし、急な坂を登る場合は、軽量化の効果は直接感じられます。たとえば、システム全体の重量 (自転車、ライダー、荷物の合計) を 10% 減らすと、パワーが約 10% 節約されます。

質量の減少は加速時にも直接感じられます。たとえば、Wayback Machineの Analytic Cycling 計算機 Archived 2022-01-15 では、500 g 軽いホイールを装着したスプリンターの場合、時間/距離のアドバンテージは 0.16 秒/188 cm となります。クリテリウムレースでは、ライダーが各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、これは熱として無駄になります。平坦なクリテリウムで時速 40 km、1 km のサーキット、1 周あたり 4 つのコーナー、各コーナーで時速 10 km の減速、1 時間の走行時間の場合、160 のコーナー「ジャンプ」が発生します。ライダーとバイクの重量が 90 kg の場合、同じ速度で走行する場合と比較して約 3 分の 1 の労力が追加され、システム全体の重量 (自転車、ライダー、荷物の合計) の 10% の質量削減により、約 3% のアドバンテージが得られます。

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らない。典型的なスポークホイールのリムとタイヤの質量の影響は実質的に2倍になることが証明されている。したがって、その質量を減らすことは、クリテリウムでのスプリントやコーナーの「ジャンプ」の場合に特に顕著である。^[19]

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]

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

${\displaystyle P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v_{r}^{3}\,C_{D}\,A}$静止した空気中、または

${\displaystyle P_{D}\,={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v_{a}^{2}\,v_{r}\,C_{D}\,A}$向かい風の中、

どこ

${\displaystyle \rho}$空気の密度は約1.225です。kg/メートル³⁠海抜0メートル、15℃ ^[20]

${\displaystyle v_{r}}$道路に対する相対的な速度です。

${\displaystyle v_{a}}$明らかな向かい風であり、

${\displaystyle C_{D}\,A}$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、それが真の向かい風または追い風から来る場合にのみ、ここで直接適用できます。その場合、は と向かい風のスカラー和、またはと追い風の差です。この差が負の場合、 は抵抗ではなく補助と見なす必要があります。ただし、風に横方向の要素がある場合は、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、帆にかかる力などの表面にかかる力を考慮することが含まれます。 ${\displaystyle v_{a}}$${\displaystyle v_{r}}$${\displaystyle v_{r}}$${\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。ただし、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サイクリング速度では、 はおおよそ 1 と近似できます。 ${\displaystyle v_{a}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle C_{D}}$

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。 ${\displaystyle P_{R}}$

${\displaystyle P_{R}=v_{r}\,mg\cos(\arctan s)C_{rr}\approx v_{r}mgC_{rr}}$

ここで、は重力（公称 9.8 m/s^2）、 は勾配（上昇/走行）、は質量（kg）です。^{[説明が必要]} この近似値は、すべての通常の転がり抵抗係数で使用できます。通常、これは（道路上の自転車の速度）とは無関係であると想定されていますが、速度とともに増加することが認識されています。ローラー機構の測定では、最大推奨圧力に膨らませたさまざまなタイヤの低速係数は 0.003 ～ 0.006 で、10 m/s で約 50% 増加します。^[21]${\displaystyle g}$${\displaystyle s}$${\displaystyle m}$${\displaystyle C_{rr}}$${\displaystyle v_{r}}$

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

${\displaystyle P_{S}=v_{r}mg\sin(\arctan s)\approx v_{r}mgs}$. ^[22]

この近似値は、小さい勾配、つまり通常の勾配の場合、実際の解に近づきます。0.35 などの非常に急な勾配の場合、近似値は約 6% の過大評価になります。

この力はバイクとライダーの潜在エネルギーを増大させるために使用されるため、下り坂では動力として返され、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。

総質量 m の自転車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力は次のとおりです。 ${\displaystyle P_{A}}$${\displaystyle m_{w}}$

${\displaystyle P_{A}\approx v_{r}(m+m_{w})a}$

この近似は、車輪とタイヤに集中し、こ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、このような車輪の質量は、車輪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。${\displaystyle m_{w}}$

この力はバイクとライダーの運動エネルギーを増加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。

総電力は次のように計算されます。

${\displaystyle P\,=(P_{D}\,+P_{R}\,+P_{S}\,+P_{A}\,)/\eta \,}$

ここで、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でしょうか。 ${\displaystyle \eta \,}$

この簡略化された方程式から、いくつかの興味深い値を計算できます。たとえば、風がないと仮定すると、ペダルに供給される電力 (ワット) について次の結果が得られます。

• 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) で進む場合 (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) で進む場合 (空気抵抗を克服するための努力の 2.1%) には 175 W が必要です。
• 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。
• 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、速度が 0.01 m/s 増加し、平坦な道では 9 m/s になります (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% の勾配で同じ重量を減らすと、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) になります。 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) の高度を稼ぐことができます。これは、より重い自転車とライダーの組み合わせでは効果が少なくなります (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・ディ・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]

• ステルヴィオ峠：24.3 km で 7.45%
• コッレ デッレ フィネストレ: 18.6 km で 9.1%
• アニェッロ峠: 22 km で 6.5%
• パソランチャーノ - マイエレッタ、ブロックハウスとしても知られる: 22 km で 9.4%
• プラン・デ・コロネス: 5.2 km で 10%
• モルティローロ: 12.5 km で 10.4%
• モンテ ゾンコラン: 10.1 km で 12%

ツール・ド・フランスの勾配

• トゥールマレー：7%
• ガリビエ: 7.5%
• アルプ・デュエズ：8.6% ^[24]
• モンヴァントゥ：7.1%

• 自転車
• 自転車とオートバイの力学、バイクのハンドリングと乗りやすさに影響を与える物理学
  • 自転車とオートバイのジオメトリ
• サイクリングパワーメーター、自転車のパワー出力の測定
• サイクルコンピュータ、自転車の計器
• ギアインチ、自転車がペダルを一回転するごとに進む距離
• サイクリングの概要

• 自転車レースパフォーマンスの物理ベースのシミュレーション 2018-12-15 にWayback Machineでアーカイブされました
• さまざまなハブとディレイラーギアのさまざまなスプロケットサイズの速度と電力要件を計算します