自転車をこぐ時、低速時に重いのはなぜ？

質問

自転車で坂を登る時など、低速ではペダルが重くなりますよね。一生懸命こいである程度速くなると軽くなりますが。あれは物理的にはどのように説明されるのでしょうか？

「トルク＝力×回転半径」を使うのかな？程度にしか判りません。御存知の方、教えて下さい。高校物理程度の知識範囲でお願いします。宿題の質問ではありませんので、ズバリ応えて頂いて結構です。

回答No.15

toboke · ベストアンサー

なんか面白そうな質問なので、少し考えてみました。私もいつも自転車で坂を上がっていますので、感覚的になんとなくわかります。

No.11さんの後半の回答が理由ではないでしょうか。オマケで主要因でないと書いておられますが、これが原因だと思います。
ペダルで一番力が掛けにくいのは両足が上下に開いたところ（正確にはその少し前）だと感じています。ゆっくり坂道を上がっていると、ここで力が入らないので減速し、少し通りすぎたところでまだペダルを踏み込みにくい位置のときに、ペダルをこぐ力が足りず自転車が止まりそうになってしまいます。逆に踏み込むところでは容易にかなりの力を掛けることができます。

坂道を上がっているときには、ペダルを踏み込むところで正の加速度で増速し両足が上下になったところで坂道による負の加速度で減速する、ということを繰り返し、速度が波打ちながら進んでいきます。
速いときの方が当然よけいにエネルギーが必要になるはずですが、ペダルの回転速度が速いと、力の掛けにくいところを慣性でそのまま行過ぎ、踏み込むところではより多くの力が必要なはずだけれど力は簡単にかかるので、平均して同じ以上の力を掛けていることに気がつかない、と説明できるのではないでしょうか。

つまり低速の場合には、同じスピードで進んでいる、というのが錯覚で、実は速度が波打ちながら進みいやなところで力が必要とされるのでペダルが重く感じるのだと思います。

お礼

低速時は同じ力のつもりでも実は力が入らない場所の影響が大きいため、重く感じるというのですね。納得しました。まとめると
・基本的には低速、高速とも必要な力は同じ
・低速時は加速する事が多いので、その時は余計に力が必要。高速時は逆。
・低速時はさらにペダル位置の影響が大きいため重く感じる
こんなところですね。

回答No.14

nanashisan_

納得いかない意見に対してツッコミを入れるのは大いに結構です。
しかし、私が同意したのは平地の場合の「速度が２倍になれば…、力が同じならエネルギーは２倍に」の部分であって、上り坂（かなり急坂）の場合の部分ではありません。
元々の質問は「坂を登る時」とされていますが、坂の程度によって平地での法則が強く働く場合もあります。
で、「速度が２倍になれば…、力が同じならエネルギーは２倍に」というのは、同じ仕事をするのに(単位時間当たり)長い距離を動かすことですから、てこの原理そのものです。
なお、No.12後半はオマケであって主要因でない事は書いた通りです。

お礼

再度ありがとうございます。
同意するということは平地の場合の理屈を理解されていると思いますが、コメントに書いた通り私にはよく分かりませんでした。どういうことなのでしょうか？

回答No.13

noname#194289

坂を登り始める前に速度を速めるように加速しておくとはじめから楽になることと同じだろうと思いますが、平らな場合でも同じかと思います。

お礼

違うという意見もあるので、私自身はひとまず保留中です。

回答No.12

masa2211

訂正。
＞速度が２倍になれば単位時間の回転数が２倍になるので、力が同じならエネルギーは２倍になります。
＞ただし、速度が２倍になっても、走行抵抗はちょっとしか増えない

走行抵抗（ころがり摩擦）も、空気抵抗などと同様に速度の２乗に比例する
のが正しいらしいです。
したがって、速度が２倍になればエネルギーは４倍。力は２倍。
高速のほうがペダルは重い。

ということは、高速だと軽くなると感じるのは、
・加速をやめたために軽くなることを、高速で軽くなると錯覚している。
という、 Ｎｏ.2さんの回答どおりということに。

お礼

再度ありがとうございます。
走行抵抗といっても全部ころがり摩擦ではないでしょう。こげばこぐほど重くなるってことになり、現実とかけ離れてると思います。

回答No.11

nanashisan_

基本的には、No.10さんの通りと思います。
「速度が２倍になれば…、力が同じならエネルギーは２倍に」で解決ですね。
以下はNo.10を読む前に考えた事をオマケで書いときます。(これも多少影響があると思いますので)

ペダルは垂直の位置にあるより水平の位置にあるほうがこぎやすいと思います。体重を下方向にかけるだけですから。
速度が速いときは力をかけやすいペダル位置にあるときにこいで、力をかけにくい時は休むことができます。
速度が遅いときは力をかけにくい時でも倒れないようにこぎ続けなければなりません。これが大きな力が必要と感じる原因のひとつではないでしょうか。

お礼

ツッコミ入れて申し訳ありませんが、No10の回答は
「速度が２倍になれば…、力が同じならエネルギーは２倍に」ではなくて
「速度２倍でエネルギー２倍なので力は同じ」です。

後半の内容は、要は感覚の問題だということですね。
そっかなぁ・・・？今ひとつ納得行かないのです。

回答No.10

masa2211

＞しかし一定速度（加速度０）であっても、やっぱり低速は重いでしょ？
平地ならばそのとおりです。上り坂（急坂）では正しいとは限りません。

理由：
平地の場合。
人間が自転車に与えるエネルギーは、
力×動いた距離　であるので、
速度が２倍になれば単位時間の回転数が２倍になるので、力が同じならエネルギーは２倍になります。
ただし、速度が２倍になっても、走行抵抗はちょっとしか増えないから、つぎ込むエネルギーはあまり変わらない（少しは増える）ため、
力は減ることになります。
　※空気抵抗は速度の２乗に比例して利くから、速度が速くないことが条件。
　　尤も、自転車（ママチャリ）では、大した速度は出せない。

これは、自動車の場合でも同じことであり、
速度が遅いとき：ローギアでトルクを出す。回転はいらない。
速度が速いとき：トップギアで回転を出す。トルクはいらない。
ですので、変速ギア付き自転車では、自動車と同じように変速します。
　※オートマ車のトルコンも、実は同じことを行っている。

上り坂（かなり急坂）の場合。
今度は、条件が違います。
急坂ということで摩擦や空気抵抗の影響が相対的に減るので無視します。
速度が2倍になれば、高度差も２倍になります。
したがって、自転車＋体重を持ち上げるエネルギーも単純に２倍必要。
エネルギー＝力×距離で、
エネルギーが2倍、距離（＝回転数）が２倍。
したがって、力は同じです。（細かくは、摩擦の増え方が少ないため、多少ですが力は減ります。）

お礼

まず平地の場合ですが、
＞力が同じならエネルギーは２倍になります。
ここまでは分かりました。次の「つぎ込むエネルギーはあまり変わらない」のはなぜですか？力が（ほぼ）同じでも、単位時間当たりの回転数が２倍になるのでエネルギーは約２倍ではないでしょうか？

登り坂の場合
他回答者が力の大きさで説明しているのに対して、位置エネルギーで説明しているのですね。となると、私の疑問はやっぱり「しかし実際の話として低速で重いのはなぜ？」に戻ってしまうのですが・・・気のせいと言いたいのですか？masa2211様は低速で重いと思うことはありませんか？

回答No.9

klx250atto

物理的には他の回答者様の言っていることは間違いないです。

ただ、経験的には質問者様の言っていることは分かります。
時速5 kmで進んでいる時にそのスピードを維持しようと思えば
感覚的には±1 km/hくらいで走っていれば等速で走っていると感じるでしょう。
しかし時速30 kmで走っている時となると±5 km/hくらいは許してしまうのではないでしょうか？
この考え方ですと、低速時のほうが摩擦による減速に対して
必要なだけトルクを送っています。
他には心理的な理由もあるかも知れません。

お礼

２０％の誤差は体感出来ずに等速とみなしてる、と言いたいのですね。簡単に5km/h一定のつもりが実は1秒間に20% 1km/hずつ加速してると仮定します。体感速度は等速です。実際の加速度は1000/3600=1/36 m/s^2です。一方、30km/h一定のつもりが実は1秒間に20% 6km/hずつ加速してると仮定します。加速度は6000/3600=5/3 m/s^2。力は加速度に比例するので低速時よりも高速時の方が力の増加が非常に大きいです。高速時は少しの加速が実は大きな力を加えているということになり、私の求める説明と逆の結果です。パーセントで相対的に考えるとマズイのかも知れません。

回答No.8

Ichitsubo

上り坂に関しては失礼しました。

さて、速度0からでは加速度が大きいと言うことが納得いただけたなら、それがペダルが重いと言うことと同値になります。
その加速度を得るために大きな力を掛けています。しかし、ある程度速度があると、加速度が小さいのでペダルを回すために力を掛けていない、そういうことです。

お礼

再度回答ありがとうございます。
加速するために大きな力が必要で、その分ペダルが重くなるのは分かります。しかし一定速度（加速度０）であっても、やっぱり低速は重いでしょ？それはどうして？と問うているのです。登り坂の話のコメントにも書いてあります。

回答No.7

Ichitsubo

>しかし登り坂のあの重さは、加速だけではなく速度維持だけでも高速時よりペダルが重いと感じるのです

平坦な道の話をしているのにいきなり条件を変更するなどアンフェアです。
しかし、その上り坂とやらを考えましょう。すぐにmatchamanさんの考えが間違いだと気付きます。
上り坂では、何もしなければ摩擦が無くとも重力により減速します(下方向に加速します)。これに逆らって速度を維持しようというのですから、重力による減速を打ち消せるほどの加速力が必要です。坂がきつくて止まるくらいのときというのは、速度0からこぎ出すという大変な力の他に、重力に逆らうという力を加えないと行けません。

それはそうと、自転車に乗ってて、低速時の加速度と高速時の加速度では前者の方が大きいよなあと感じますがね・・・。

お礼

初めから登り坂の話をしてます。質問文をよくお読み下さい。しかしながら登り坂は話を判り易くするために持ち出しただけで、平坦でも違いは無いでしょう。減速要因として摩擦力だけか、さらに勾配による重力が加わるかだけの違いです。いわば減速方向の力が大きいか小さいかだけの違いです。疑問点である速度の大小でのペダル重さの違いには関与しないでしょう。関与するというのでしたら、そこを説明して頂ければおそらく私の疑問は解決するのですが。

で、肝心の回答ですが上記の摩擦や重力の話を除外すると残るのが
＞速度０からこぎ出すという大変な力
これは最終行に書いてある加速度が大きいからなのかと思いますが、私の言う「低速（一定速度）のペダルと高速（一定速度）のペダルの重さの違い」はどうやって説明するのですか？そこを知りたいのです。

回答No.6

maxmixmax

No.5です。

いやいや、違うでしょ。

加速するには、加速する為の力＋摩擦などによる減速に抗う力が要りますが、
速度を維持するのは、摩擦などによる減速に抗う力だけでいいでしょ？

要するに加速する方が力が必要なわけですから、
よりペダルを強く踏み込まなければいけない＝反動が大きい＝重く感じる、のだと思いますよ。

お礼

再度の回答ありがとうございます。
走り始めの低速時には加速もするので、その分だけ余分な力が必要というのは判ります。しかし登り坂のあの重さは、加速だけではなく速度維持だけでも高速時よりペダルが重いと感じるのです。坂がきつくて止まる寸前などは特にそう思えます。私はそちらの現象の原因の方が主ではないかと疑ってるのです。

回答No.5

maxmixmax

低速時に必要な力→加速するための力
高速時に必要な力→速度を持続させるための力

単純に考えれば前者の方が大きな力が必要ですよね。

お礼

この理屈で考えると、低速を維持する走り方と高速を維持する走り方を比べるとどちらもペダルの重さは同じになります。逆に尋ねますが、実際に走ってみて同じだと思いますか？私は低速の方が重いと感じます。