自転車での移動のエネルギーなのですが。

質問

移動する時に、良く自転車使う方がいますよね。

すーっと前から不思議だったのですが、物理的に考えると、自転車を押しながら歩いて移動するのと変わらないようなエネルギーの消費となり、エネルギー自体は自転車に乗らないで歩いて移動した方が、少ないエネルギー消費になるような気がします。

ところが自転車で移動した方が、楽に移動できている気がするのは、なぜでしょうね？
もしかして、上下運動での移動より、上下運動を回転運動に変換して使用することにより、エネルギー変換効率（？）が上がることととかかな？
やっぱりそうなのかな？　生身では筒底でない速度を自転車に乗ると出せちゃうってことは、、、、。

一応、「物理的に」だなんて偉そうに言ってますが、学生時代はアカ点まみれでした。(笑)　素朴な疑問に納得のお返事を頂ければ有り難いです。

回答No.2

mazeran · ベストアンサー

「機構学」で説明できますが、リクエストにお応えして簡単に説明してみます。

人間のような自由度の高い「リンク機構」の構造は、非常に複雑な動きができる反面、人間で言うと「関節」が目的の向き以外に動かないように固定するためのエネルギーが必要になります。
たとえば足の膝の関節の位置は左右にも振れますが、歩くときには左右に振れないように筋肉が動いています。
しかしこの筋肉は、「歩く」と言う目的に対してはまったく仕事をしていません。関節（リンク）の自由度が高いが故に、目的の方向や動き以外にならないようにエネルギーを使って「固定」してやる必要があります。
おまけに体全体のバランスを保つために、歩く筋肉以外の大変多くの筋肉も動かす必要があります。
これらの筋肉で使われるエネルギーが、自転車に乗って移動することと比較すると、「ムダ」なエネルギーになってしまうわけです。

自転車の車輪の自由度は１です。一つの方向にしか回転しません。ペダルもそうです。一つの方向にしか動きません。
ペダルを回すのに使う筋肉は、歩くときよりも遥かに少ない筋肉で回すことができます。
腰から上はサドルに座っているため、歩くときよりバランスを取る筋肉はエネルギーを必要とせず、ペダルの回転も一方向のため、ほとんど回すためだけの筋肉しか動いていません。

このように自由度の低い機構に、人間の関節が拘束されることによってムダな動きに対して筋肉が動く必要がなくなるわけです。
加えて「車輪」の自由度は１ですので、一つの方向にしか動かないことから、「慣性（惰性）」のエネルギーは「回転」にしか使われないので、人間が漕ぐのを止めても慣性で転がり続けるわけです。
人間の関節は自由度が大きいため、慣性のエネルギーを与えても様々な方向に散らばってしまうために、「歩く」と言う一つの動作にならないので、歩く慣性力は「歩く」と言う動作を筋肉が維持しないと行なわれないのです。
歩いてゴールしたとたんに力を抜くと、「ヘニャヘニャァ～」とその場に倒れてしまうわけです。
歩くと言う慣性力を使うにも、人間の場合、常に歩くと言う動作を維持し、バランスを取り続けないと慣性力によって歩けないのです。

物理的に言うと、歩いて移動した距離と、自転車に乗って移動した距離が同じであれば、純粋に移動に使ったエネルギーは同じになります。
ただ、歩くと自由度の高いリンク機構である人間の体を、「歩く」と言う動作以外にならないように他の筋肉がエネルギーを使って働くために多くのエネルギーを消費するわけです。

お礼

お礼が遅くなり、申し訳ありません。
自転車を押して進むエネルギーと自転車をこいで進むエネルギーは同じであるということですね。

多機能多方向に動く人間の体は、それを制御したり支えるために使うエネルギーも必要である。　それを自転車の動きという限定されたものを装備(?)することにより、人間は限定された動きしかできなくなるため、多機能多方向に動くと言う機能がスポイルされる分、逆に制御するエネルギーが少なくて済むと言うことですね。

人間の「歩く」という動作の中には、「体を支える」「バランスを取る」など、「進む」以外のエネルギー消費もあり、「自転車をこぐ」と言う動作は「歩く」動作より、体を支えるにしても自転車に体重を預ける部分が多いし、バランスを取るにしても「ジャイロ効果」などもあり「進む」ため以外のエネルギー消費が少ないと言うことですね。

納得できました。　　ありがとうございます。

回答No.1

mtaka2

人が歩く場合は、身体全体がわずかながらも上下に動きますが
その時の「身体を持ち上げる」ために使ったエネルギーは無駄であり、
人が歩くために使ったエネルギーの全てが「前に進む」ために使えるわけではありません。

自転車の場合は、体重は全て車体が支えており「身体を持ち上げる」ような動作はありませんから、使ったエネルギーの大半を「前に進む」ために利用できます。

また、自転車は、漕ぐのを止めてもブレーキをかけなければ惰性で結構速度を維持できます。「車輪」というのはそれだけ抵抗が少ないので、エネルギー消費が少なくても速度を維持できます。

そういった「無駄に捨てるエネルギーの少なさ」が、自転車のエネルギー効率の高さにつながっているのです。

お礼

お礼が遅くなって申し訳ありません。

足を前に出したりする際の体の上下運動だとか、体を支えるためのエネルギーが自転車だと不要（もしくは極少）ってことですね。
その分、前進に進むエネルギーに使っていると・・・。

ありがとうございます。