自転車と歩行のエネルギー効率の違い

質問

似たような質問が過去にあったのですが、知りたいことと少し回答がずれていたため、お尋ねいたします。
同じ距離を移動するのに要するエネルギーは重量が同じであれば同一のはずですよね。
それにも関わらず、自転車での移動は歩行よりかなり楽に感じます。自転車の重量を入れてもこれだけ楽なのは、自転車は歩行よりかなりエネルギー効率が良いと考えますが、その一番の要素はどこなのでしょうか？
たとえば、歩行は重力に反する上下の移動が加わっているからエネルギーを消費するのかな、と考えていましたが、これで良いのでしょうか？

回答No.7

circuit_breaker · ベストアンサー

＃４に補足いたします。

外部の摩擦力とか抵抗力に対して全く仕事をしていないという主旨ではありません。しかし一種の摩擦は筋肉内部でも生じていて、その方が勝る場合が多いというのが私の主張です。例えば階段を上る場合と下る場合に注目してみましょう。上がる場合は筋肉が外部仕事をして位置エネルギを獲得したと考えて良いでしょう。それでは下る場合、位置エネルギはどこに消えたのでしょう。階段のステップの温度上昇でしょうか。果たして上りと下りでステップの温度は違うのでしょうか。位置エネルギは筋肉の中で熱として消費されたのではありませんか。

「歩行は重力に反する上下の移動が加わっているからエネルギーを消費するのかな」と仰ってますので、これを切り口に考えてみましょう。もしバネのような可逆（無損失）なもので人体が構成されていれば重心が上下してもエネルギは消費されません。上昇時にはエネルギを使いますが下降時に回生されます。回生されない不可逆の機械もあるでしょう。すなわち上昇時にはエネルギを使うが下降時には熱として捨てる形態で、恐らく、これが仰るイメージに相当するかと思います。しかし横紋筋の効率はそれ以下だというのが私のポイントです。伸縮させなくても、張力に抗する力を発生しているだけでエネルギを消費します。ミオシン・アクチンの構成「スリップする縄をモガキたぐる」をイメージしてください。これこそ摩擦損です。エネルギを注入し続けないと筋肉が伸びきってしまい立っていることすらできません。

水平歩行において、それほどの風圧を感じるでしょうか。道路や靴が熱くなるでしょうか、削れるでしょうか。歩行においてどれほど環境に仕事を残しているでしょう。健常者にとって、じっと立っている事と穏やかな水平歩行に、疲労の差があるでしょうか。ほとんどのエネルギは、体重を支える為、筋肉内部に「スリップする縄をモガキたぐる」摩擦損として消費されていると考えられませんか。勿論、早足になるに従って、衝撃荷重により支えるべき等価的体重は増加するとは思います。

自転車にしても無風状態でゆっくり漕げば停止しているのと、つまり立っているのと疲労に差は無いでしょう。スピードを出せば風損やタイヤ接地点で生じるゴムの連続変形の損失が感じられ、苦しくなるでしょう。しかし「自転車での移動は歩行よりかなり楽に感じます」とのご意見を前提にすれば、外部仕事は筋肉内部のスリップ仕事より小さい場合が比較対象になります。そこで「歩行、自転車に関する疲労の本質的差異は所要時間」と結論した次第です。

なお、消化管などの平滑筋は、横紋筋のように「スリップする縄をモガキたぐる」ような動作や非効率なエネルギ消費「無し」に形を維持する旨、教わった記憶があります。

お礼

なるほど。。。
大まかに理解できました。
顔をつきあわせて話を聞いたら、もっと理解できるのでしょうが。。
文章のみのおつきあいであるのが残念です。
ただ、ずっと疑問に思っていたことのヒントが得られましたので、すっきりとしました。
物理が苦手な私にかみ砕いた説明、どうもありがとうございました。

回答No.6

linus3030

摩擦は間接的な問題であって本質ではありません。

まず
　エネルギー
　運動量
　力積　
の定義を勉強してください。

お礼

力積。。。
勉強します。。。。
親切にお答え頂いたのにも関わらず、物理が苦手だったので、なかなか理解が難しいです。

ありがとうございました。

回答No.5

circuit_breaker

本来、水平方向に等速移動するのにエネルギ消費は無い筈です。にも関わらず労を要し、端的な例として階段を「下る」のも疲れます。

これは筋肉の特徴的構造・性質によるものと考えます。特に骨格筋（横紋筋）にみられるアクチンとミオシンフィラメントのスライド機構は外力に抗して収縮を「維持するだけ」でATPを消費するようです。

仕事は力とその方向への距離の積ですから、力が加わっていても筋の長さが変化しなければ外部仕事は無いわけですが、筋肉中ではそういかないようです。荷物を抱えて維持するとか鉄棒に掴まってぶら下がるなど、外力に対抗して伸びないよう筋の長さを変えない時でさえ、ちょうど油でスリップする縄をモガキたぐり続けるがごとく、前記フィラメント間の分子の腕が動き続けなければなりません。

立っているだけ、あるいは座っているだけでも、姿勢維持のため張力のかかった筋肉はエネルギを消費し続けます。こうして見ると水平移動における徒歩と自転車での疲労の本質的差は、所要時間のようにも思われます。なお一方で、坂を登るような場合にはポテンシャル獲得の為の「真の仕事」を必要とします。このような場合は自転車でも徒歩同様に疲れることでしょう。

お礼

丁寧な回答ありがとうございます。

しかし、すみません。物理を履修していたのにも関わらず、、医療関係なのにも関わらず、、、お答えが私には理解が難しいです。（反省）
たしかに、慣性運動にはエネルギー消費がないのはわかります。しかし、歩行も自転車も慣性ではないわけで、他の方の言われる摩擦力とか抵抗力という力が歩行の方により働くという答えは納得できるのですが、それ以外にも要素があるとのことでしょうか？

筋肉のATPの消費は収縮だけでも必要なのはわかるのですが、それは自転車でも同様な力が必要なわけですし。理解力不足で申し訳ありません。

回答No.4

moto21

専門家ではないので想像の範囲を出ませんが・・・

一番は車輪（ベアリング）がロスの少ないものだからではないでしょうか、単純に空気抵抗と車輪周りのロスが無ければ平坦路ならずっと進めるわけですし、自分で自転車をこいでみると空走する時間があることからもロスが少ないことがわかります。

ただ、平坦路以外は自転車は苦手たと思います。悪路や上り坂は程度がきつい程、歩行が有利だと思います。こんなことから人間が作った平坦路に特化した機構だからという見方もあります。

また歩行時は歩く以外にも自重を支えバランスを取ることにエネルギーが必要だったりということも少し要因としてあるかもしれません。自転車は腰掛ければ足の力は歩行時に比べ多くを前進に使えますし前後は２つの車輪で問題なく左右も車輪のジャイロ効果で軽減されていると思います(わずかかもしれませんが）

以上ほとんど参考にならないかも知れませんが・・

お礼

お返事ありがとうございます。
自転車が平地に特化した乗り物だというのはわかる気がします。
たしかに、上り坂では自転車を押したほうが楽な気がします。
ただ、やはり同じ坂道なら同じだけ負担が多くなってもいいのに、自転車がよりつらくなるってなんとなく納得できない気がします。。。。

回答No.3

linus3030

ちなみに　重量ｘ距離　は

摩擦のない稼動台の上で
自転車と歩行を行った場合の台のズレを計算するような
場合に使います。

また　重量ｘ速度　は衝突時の運動量を保存させる
計算で使います。

お礼

詳しい説明ありがとうございます。
摩擦力（抵抗力）が関係あるのは、いちおう物理を履修したので理解はできるのですが、歩行のどこで摩擦を主に生じているのかがわからないです。

回答No.1

linus3030

>重量が同じであれば同一

抵抗力が同じなら距離を掛けたものがエネルギーですから
同じになりますが

自転車と歩行では抵抗力が違いますので
エネルギーが違ってきます。

回答No.2

linus3030

>重量が同じであれば同一

抵抗力が同じなら距離を掛けたものがエネルギーですから
同じになりますが

自転車と歩行では抵抗力が違いますので
エネルギーが違ってきます。