自転車はなぜバランスがとれる？？

質問

昔から不思議に思っていたことなのですが、
こいでいないと自転車ってバランスとれずに横に倒れてしまいますよね？
でも自転車をこいでるときはバランス崩して横に倒れるひとはそうはいないでしょう。
これは何でなんですか？
角運動量かなんか関係しそうなのでここに質問してみました！

回答No.4

First_Noel · ベストアンサー

ご存知かと思いますが念の為に，角運動量は右手を使うと分かりやすいです，
右手で親指を立てて，他４本の指を曲げたとき，指先への向きが回転方向，
親指の向きが角運動量の向きです．
蛇足ですが，角運動量はあくまでマクロな視点で考えられる一物理量ですので，
その根本原因となると，皆様おっしゃるように，剛体の運動の特性から生じる結果です．

お礼

２度も答えてくださってありがとうございました！
角運動量って自分で言っといて関係なかったら恥ずかしかったですね；；
ほっとしました(〃∇〃)
自分が知りたかったことが書いてあってわかりやすかったです＾＾

回答No.8

mayutori

自転車は接地部分を支点とする逆振り子になっています。
　指の上に立てたほうきを、手を動かしてうまくバランスをとる遊びを思
い出して下さい。あの遊びで、うまくバランスが取れる理由は、逆振り子
の支点を前後左右に移動させることで、ほうきの運動の中心を上方に移動
させ、重心に近づけて安定させるからです。
　質問のように静止したままでバランスが取れないのは接地点を左右に移
動させることができないからです。
　ところが、自転車は走ることによって、接地点を左右に移動させること
が出来る様になります。このことによって、自転車は重心を安定させる事
が出来るのです。

　車輪の回転によって発生する角運動量は、自転車を楽にまっすぐ走らせ
る程度の事にしか貢献しません。その証拠に、車輪の直径が10cm程度のキ
ックボードもこけずに走っています。
　また、自転車で手放しが出来るのは、前輪がキャスター角という角度で
傾いていることによって、ハンドルがまっすぐに戻ろうとする力が働いて
いるからであって、重心を傾けることによって、ハンドルを回す力と、こ
のまっすぐに戻ろうとする力のバランスによって走っているだけなのです。

お礼

え！？
角運動量ってあまりかんけいなかったのですか？！
教授がそういっていた気がしたんで関係しているとおもっていたのですが＾＾；
貴重な意見ありがとうございます！
もういちど確認してみます＾＾

回答No.7

hagiwara_m

No.6でお答えしたものです。自転車をこぐ速さの効果と、自動安定の効果について、追記しておきます。

同じハンドル操作をしても、こぐ速さによって横方向の加速度は異なります。進むスピードが速ければ、僅かなハンドル操作で大きな加速度、すなわち傾きを修正する効果が得られます。止まっているときは、ハンドルを切っても加速度は得られません（それでも競輪選手などは体のバランスで立っていられる、、）。

No.3でFirst_Noelさんが言われているように、走っている自転車が倒れようとするとき、車輪はトルクを受け、結果として、倒れようとする方向にハンドルを切る効果が自動的に生じます（回転の運動方程式から推察できる）。ですから、乗っている人が100%意識的に調整しなくても、動いている自転車はみずから倒れ難い性質を持っています。これが、手放し運転が可能なことの基本的な理由です。（ただし、この効果がないと自転車が立っていられないわけではないと思います）

お礼

２度の回答ありがとうございました！
すごいわかりやすいです＾＾
またよろしくおねがいします♪

回答No.6

hagiwara_m

「不思議なのに何故、皆平気で乗りこなしているんだ！」と思ったことのある経験者、かつ、昔サイクリングやっていた者（あまり関係ないか）としてコメントします。

いろいろなファクターが関与していると思います。車輪のジャイロ効果、乗り手の体の動きでバランスをとる効果、、等々が関係します。

しかし、一番基本的に効いているのは、ハンドル操作による進行左右方向への加速度（進路の変化）の効果です。手の上に立てたハットなどを、手を小刻みに動かすことで、倒れないようにバランスをとることができますが（倒立振子の問題として制御の問題によく登場します）、自転車でもこれと同様のフィードバックが働いています。

ある方向へ一定の前進速度成分をもって走る自転車を考え、ハンドル操作は微小であるとします。この前進運動と共に動く座標系で考えれば、倒れる自由度を左右に限った手の上のバットと同様に考えることができます。ただし、手を動かす代わりに、ハンドル操作によって車体（及び乗っている人）を左右に動かしています。このとき、慣性のために、車体（及び乗っている人）が進路変更に対して取り残されるようなモーメントを受けますから、傾きが修正され、かつ重心が真下から大幅に外れることのないような状態が保持されます。

上のイメージを描くときは、走る自転車よりも、練習用のローラーの上で（車輪は回るが前進しないで）立っている自転車を考えるといいです。また、ハンドル操作が大きかったり、同じ方向に曲がり続ける場合は、遠心力の話しに置き換えた方がいい場合もあります（本質は同じです）。

回答No.5

Gospel

回転する物体はその軸を一定に保とうという性質があります。
タイヤが回転することで、その性質が物理的に生じます。
あと倒れないのは人間がとるバランスのおかげです。

お礼

なんだかんだいって人間のバランスってやっぱり関係してるんですね＾＾
ありがとうございました！

回答No.3

First_Noel

おっしゃるとおり，角運動量保存の法則から安定します．
例えばコマも，回っているときはとても安定しています．

自転車の場合，前に走っているとき，上下方向の角運動量は０です．
少し右に傾くと，車輪の角運動量成分によって，上向きの角運動量が生まれます．
角運動量保存より，それを打ち消す為に，どうにかして同じだけでかつ下向きの角運動量を
発生させねばなりません．
その結果，自転車全体が右に回る動きをします．
右に倒れようとしながら右に回ることは，倒れにくい方向です．

似た話に，ボウリングの球がレーン上でフックするのも同じく角運動量保存の為です．
ですからボウリングで球をフックさせたいときは，野球のような流体力学的効果のときとは異なり，
若干斜めに回転させるようにリリースすることが肝心です．因みに私，学生時代はボウリング部でした．．

実際には人間の重心が反作用で相対的に自転車の左側に移ることも．
倒れないことに関係していると思います．

これは剛体の運動方程式を立てると導けるのですが，安定から外れて変位しても，
その変位が指数関数的に０に戻るとき，安定な平衡状態，又は漸近安定と言います．

他に，安定であってもちょっと変位すると，その変位が指数関数的に大きくなることも
あります，この安定を単に不安定な平衡状態と言います．

テニスのラケットを回してみましょう．
ラケットの軸を回転軸として回すときは，上記の後者です．
ラケットを放り投げるとき，ガットの根元当たりを回転中心として回すときは，上記の前者です．
鉛筆とかでも，回転中心の位置によっていろいろ変わります．

回答No.2

masa-es

これは車輪の遠心力がかなり影響しています。
実際に、車輪だけを持って車輪を回転させて
向きを変えようと思っても、かなりの力が必要になります。
走り始めは、人間がバランス（左右に揺れながら）を取りながら進みますが、
ある程度のスピードが出れば、車輪の遠心力でほぼ直線的に走れるようになります。
あと遠心力だけではなく、人間の平衡感覚と反射神経もかなり影響していると思われます。

お礼

そうですよね。最初ほとんどのひとが乗れないってことはやっぱ人間にもその要因があるってことですもんね！？
どうもありがとうございました！

回答No.1

TK0318

過去に同様の質問がありましたので読んでください、私にはよく分かりません＾＾；

参考URL：

http://odn.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=168910

お礼

ありがとうございました！不思議に思う人が他にも居るもんですね（笑）