世界サイクリングデー丨小さな車輪のバランスの秘密：自転車をスムーズに走らせるために必要なのは、力とあなただけです

制作：中国科学普及協会

著者: スターチーム (Young Scholars)

プロデューサー: 中国科学博覧会

9月17日は「世界サイクリングデー」で、人々がもっと頻繁に自転車に乗ることを奨励し、環境に優しい交通手段を推進することを目的としています。自転車は環境に優しい交通手段として、古くから人々の心に深く根付いており、多くの人々の日常の移動に欠かせないツールとなっています。しかし、この非常に一般的な交通手段は、実際には呪文を唱えることができる魔術師のようなものです。自転車に座って一生懸命ペダルをこぐと、自転車には 2 つの車輪しか接近していないにもかかわらず、奇跡的にバランスを保つことができます。止まると自転車は揺れますが、走り出すと目に見えない力が支えてくれているような気がします。

自転車がこのように機能するのは、どのような不思議な力によるのでしょうか?左右によろめくのではなく、二輪車で着実に前進するにはどうすればよいでしょうか。

滑るか乗るか？自転車の進化

これは自転車の歴史から始まります。自転車の発展の歴史は、安定性、効率性、快適性の追求に満ちた、独自のデザインの進化として見ることができます。最初の自転車は19世紀初頭にヨーロッパで作られました。当時の自転車はペダルを踏むことができず、足で押すことしかできず、滑る道具のようなものでした。さらに、このデザインは安定性に欠け、転倒しやすくなります。

元々の自転車はスライド式の道具のようなものだった

(画像出典: Wikipedia)

こうして「ハイホイール車両」が誕生したのです。前輪が非常に大きく、後輪が特に小さいのが特徴です。大きな車輪により、道路上の障害物を容易に乗り越えることができ、安定性が向上します。しかし、ライダーは高い位置に座る必要があるため、乗車時のリスクが高まります。その後すぐに、賢い設計者たちが、今日私たちが目にするタイプの自転車を考案しました。それは、同じ大きさの 2 つの車輪があり、その真ん中にライダーが座るというものです。この設計により、自転車の安定性と安全性が向上し、自転車の急速な普及の基礎が築かれました。

非常に大きな前輪が特徴のハイホイーラー

（写真提供：シュコダ博物館公式サイト）

最初の現代的な自転車は、当時はセーフティバイクと呼ばれ、1885 年にジョン・スターリーによって設計されました。

（画像出典：cyclingindependent公式サイト）

自転車のバランスを保つ不思議な力

自転車に乗るとき、目に見えない力が自転車のバランスを保っているように感じます。これは何の力ですか？

自転車に乗っているときになぜバランスを保てるかを説明するために、ニュートンの運動の第一法則である慣性の法則から始めましょう。

簡単に言えば、自転車は一定の速度に達すると、前進し続けようとします。ペダルを踏むのを止めても、車輪と自転車自体の慣性により、自転車はある程度の距離動き続けます。

何らかの外力が介入しない限り（曲がる、ブレーキをかける、風と戦うなど）、自転車は常にまっすぐに前進しようとします。これは、平坦な道路では、発進、停止、または曲がるよりも一定の速度で自転車に乗る方が簡単である理由を説明しています。

私たちは生活の中で慣性の法則の存在を頻繁に経験します。たとえば、バスがブレーキをかけると、慣性の法則により私たちの体は前方に傾きます。

バスの手すりは、ブレーキの慣性によって乗客が落ちるのを防ぎます。

（写真提供：Veer Gallery）

しかし、慣性の法則は、自転車が方向を維持できる理由を説明することはできますが、自転車が左や右に倒れない理由を説明することはできません。これには角運動量保存の法則が必要であり、これは自転車のバランスに無視できない影響を及ぼします。

自転車の設計では、タイヤの回転によって本質的に角運動量が生成されます。角運動量保存の法則によれば、外部トルクが作用しない限り、システム全体の角運動量は変化しません。角運動量は方向に関連する物理量です。保存を維持するために、オブジェクトの回転方向は変更できません。したがって、高速で回転する車輪は回転面を安定させようとします。これが有名な「ジャイロ効果」です。これは、特にタイヤが高速で回転しているときに、自転車が乗車姿勢にあると転倒しにくくなり、より安定する理由も説明しています。

もう一つの典型的な例は、おもちゃのコマです。ジャイロスコープが十分な速度に達すると、倒れることなく回転し続けることができます。これは、ジャイロスコープの車軸に角運動量があり、ジャイロスコープの回転軸が変化することを防ぐためです。読者の中にはハンドスピナーで遊んだことがある人もいるかもしれません。ハンドスピナーが回転し始めたら、回転面を変えようとすると、抵抗する力がはっきりと感じられます。この力がハンドスピナーの角運動量です。

回転するジャイロスコープ

ジャイロスコープが鞭打たれて角運動量を得ると、倒れることなく回転し続けることができます。

（写真提供：Veer Gallery）

サイクリングにおける人間と力の完璧な連携

慣性と角運動量という 2 つの物理原理を紹介した後、読者は自転車に乗る体験をより深く理解できるでしょう。バイクの安定性には物理的な要素が重要な役割を果たしますが、ライダーも重要な役割を果たします。

ライダーの体重、体の位置、力の配分によって、バイクの全体的な安定性が決まります。凸凹した道で自転車が揺れ始めたら、あなたはどう反応するでしょうか?力を打ち消して自転車のバランスを回復しようとして、無意識に反対方向に傾くことがあります。つまり、ライダーは自転車の動的バランスを正確に感知し、状況に応じて体や方向を調整して安定性を保つ必要があるということです。

自転車のバランスを保つ物理的な原理はありますが、自転車をスムーズかつ素早く運転するには、ある程度の訓練と技術が必要です。

（写真提供：Veer Gallery）

結論

一般的に、自転車の安定性は物理的な定理の応用だけでなく、ライダーのスキルの表れでもあります。自転車に乗っている人がスピードを出しているのを見たとき、実際に目にしているのは、人間と自然の法則との素晴らしい対話です。このシーンは、ジャイロ効果の鮮明な例であると同時に、人体の精密に調整された動きを示すものでもある。