【質問】自転車の高剛性化とギヤ比の関係
05-24-2017 05:55 PM   
#1

物理に強い方に質問です。

「自転車全体の剛性が低いほど重いギヤを踏めるのではないか」と最近おぼろげに思っているんですが、これってどうなんでしょうか?

----

こんなことを考えたのは、1970年頃に東京大阪タイムトライアルをやった人の話を聞いたときにギヤ比に驚いたのがキッカケです。

箱根を超えるコースにも関わらず、一番軽いギヤがフロント44Tのリヤ21T。ギヤ比2.1という重いギヤでこなしていたとのこと。今のフロント34Tに換算すると、リヤ​が16Tの計算になります。ちょっとこのギヤ比で私は箱根を足つき無しで越えられそうにはありません。

「当時は大きくてもスプロケの歯数は21Tだった」という話は聞きますが、果たして当時の自転車乗りはすべからく剛脚の持ち主だったという事なのでしょうか? 私はそれは違うのではないかと思っています。

現代ではプロですらフロントのインナーは大きくても39T、選手によっては34Tを使います。コンタドールやフルームですら32Tのスプロケを使うことがあるそうです。彼​らが1970-80年代のプロよりもパワーがないか?と言われるとそんなことはないはずです。

そこで一つの仮説として思いついたのが最初のお話です。昔の剛性が低いフレームやクランク、ペダルでは、山などの高負荷では変形してしまうがゆえに、重いギヤ比でも踏めて​しまっていたのではないか…と。

しかし、最近の剛性が高い自転車で重いギヤ比(例えば44T×21Tで10%の坂を登る場合)反作用の力が大きく、足の筋肉が早々に耐えられなくなる…。

そのため、自転車パーツの高剛性化に伴ってクランクは小さくなり、スプロケットは大きくなり続けているのではないかな、と思ったのです。単にランスを真似た高ケイデンスブ​ームの賜物かもしれませんが。

…感覚的には正しいような気もしてるのですが、物理的に納得の行く説明ができないので、ここで相談してみました。まずは「坂でクランクが回しきれない状態」はどんな状態な​のか定義する必要がありそうです。

ご意見、よろしくお願いします。

baru (@barubaru24)
blog: 東京⇔大阪キャノンボール研究


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05-24-2017 07:09 PM   
#2

行きつけの自転車店長にこの話をしたら、

「スプロケについては、それを許容するキャパシティのディレイラーが無かったからでは?」

とのご指摘も…それも確かにありそう。

baru (@barubaru24)
blog: 東京⇔大阪キャノンボール研究

05-24-2017 10:54 PM   
#3

お久しぶりです。

私は元々80年代のロードをレストアして自転車趣味を始めました。当時のチェーンリングはインナー42T。スプロケは最大21Tでした。でも、そういえばそのギヤで普通に​坂登ってました(笑) 今は普通のノーマルギヤ(インナー38T、スプロケ最大25T)です。昔の機材の癖かギヤは今も重めが好きです。(^_^Wink


さて、本題の物理上の計算ですが、
出力(W)は物凄く乱暴に言えば

トルク×回転数

です。
同じ選手(体重+機材の重量が同じ)が、
同じ坂を

重いギヤ(高トルク)×低いケイデンス

で上っても、

軽いギヤ(低トルク)×高いケイデンス

で上っても、結果としてホイールの回転数が同じ、言い換えれば同じ速度で坂を上っていれば出力(仕事量)は同じです。つまりタイムも計算上は同じはずです。

では昔と今で何が違うかというと、baru様の仰る通り昔のスタイルはシャカリキの野々村輝みたいに重いギヤを根性で踏みまくるスタイル。今の主流は弱虫ペダルの小野田坂​道みたいなハイケイデンスです。私も選手の乗り方のスタイルが変わってきたため機材もそれに合わせて変わってきたのだと思っています。

ここからは物理にあまり関係の無い私個人の感性的なお話なのですが、昔の剛性が低い機材の方がフレームやホイールのしなりとしてトルクを貯め必要に応じて解放してやる走り​方がやり易かったと思います。機材が柔らかいので無茶な踏み片をしても足が残りやすかったようにも感じます。今の機材は溜める前に、推力に変わってしまう感じで足が残りに​くく感じてます。


まとまりの無い話で申し訳ないのですが、私の思うところはこんな感じです。


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05-24-2017 10:58 PM   
#4

こんにちは。
とても興味のある内容なので 物理には弱いですが便乗させてください。


まず、40年前と現代のロードバイクを比較した時に、
フレームやホイールの剛性が上がった事も 変化と言えますが
リヤメカの構造が 最も変化の大きい箇所だと思います。


1978年型のカンパニョーロ・ヌーヴォレコードのリヤメカです。
仰るとおり、この頃のリヤメカはキャパシティが非常に少ないです。
また、スラント角が浅いので ギヤ1段ぶん動かした時の上下方向の動作量も少ないです。

僕がこのリヤメカを使っていた時は、フロント52/42T、ボスフリースプロケット13-22Tという歯数でした。
江文峠や花脊峠、六丁峠くらいなら これでも何とか登れていましたが(ちょっとキツイですが)、
ある時 リヤスプロケットを11-25Tのカセットスプロケットに変更したところ
パンタグラフのスラント角が浅いせいで ガイドプーリーがローギヤにぶつかり変速できない状態に陥りました。

更に、インナーチェーンリングが39Tのクランクに交換した際には
インナー使用時にチェーンがだるんだるんになる、という事もありました。
キャパが少ないというのは、言うなれば 吸収できるチェーンのたるみ量が少ないという事なので そうなったのでしょう。


現代のリヤメカは、ショートケージにコンパクトクランクでも28Tまでなら余裕です。

機材の選択肢は 今も昔も無限ではありませんから、
乗り方を ある程度は自転車に「合わせる」必要があります。
過去のサイクリストは 42×21Tで登ることが当たり前だったから それに合わせた乗り方を習得し、
現代のサイクリストは 39×25Tや 34×28Tなどが選べるようになったので
合わせる乗り方の選択肢が増えた、
結果として ランスをはじめとした「高ケイデンス登り」を武器に走るサイクリストが登場してきたのだと考えました。


ここで ちょっと、サイスポ2月号を見てみます。
CBN内でも話題を呼んだ「ペダリング最終回答」なる特集記事です。

著作権的に問題がありそうなので 一部だけ抜粋させていただくと、

 トップグレードの機材は硬いものが多く、パワーロスは少ない。
 しかし、その反発は体に返ってくるので、体へのストレスも大きい。
 フレームやホイール、フォークなどで しなりを出したほうが、一般サイクリストなら乗りやすい
 バイクのしなりが大きければ、ペダリングがヘタでもリズミカルに踏める。

との事でした(原文コピペではありません)。

「完璧なペダリング」というのは、脚のブレやケイデンスの変動が無い状態の事を指します(と勝手に思っています)が、
ヒルクライムでは ケイデンスが落ちる上 フォームも崩れがちになります。
「登りでは ペダリングが(平地に比べて)ヘタな方に近づく」と考えられますが、
そこに 前述の理論を当てはめてみると

「登りでは、硬い機材の使用は 体への反発を増やし、却って乗りづらくなる」
「ある程度の しなりを生む方が、リズミカルなペダリングを維持できる」

と言い換えられます。

・・・案の定、お二人の書いておられる内容と同じ答えに終わってしまいました。
しかし、僕がいつも一緒に走っている後輩(僕よりずっと速い)曰く
「トレックのバイクは柔らかくて フェルトは硬いんだけど、登りはトレックの方がラク」
との事でしたので、
あながち間違いでもないかと。


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05-24-2017 11:36 PM   
#5

(05-24-2017 10:54 PM)kazane さんは次のように書きました:  さて、本題の物理上の計算ですが、
出力(W)は物凄く乱暴に言えば

トルク×回転数

です。
同じ選手(体重+機材の重量が同じ)が、
同じ坂を

重いギヤ(高トルク)×低いケイデンス

で上っても、

軽いギヤ(低トルク)×高いケイデンス

で上っても、結果としてホイールの回転数が同じ、言い換えれば同じ速度で坂を上っていれば出力(仕事量)は同じです。つまりタイムも計算上は同じはずです。

では昔と今で何が違うかというと、baru様の仰る通り昔のスタイルはシャカリキの野々村輝みたいに重いギヤを根性で踏みまくるスタイル。今の主流は弱虫ペダルの小野田坂​道みたいなハイケイデンスです。私も選手の乗り方のスタイルが変わってきたため機材もそれに合わせて変わってきたのだと思っています。

ここからは物理にあまり関係の無い私個人の感性的なお話なのですが、昔の剛性が低い機材の方がフレームやホイールのしなりとしてトルクを貯め必要に応じて解放してやる走り​方がやり易かったと思います。機材が柔らかいので無茶な踏み片をしても足が残りやすかったようにも感じます。今の機材は溜める前に、推力に変わってしまう感じで足が残りに​くく感じてます。


まとまりの無い話で申し訳ないのですが、私の思うところはこんな感じです。

お久しぶりです。初めてのバイクが80年代のレストアとは、こじらせていらっしゃる!w

さて、それはさておき、ホントに同じケイデンスで同じギヤ比なら同じスピードなのか?ってのがちょっと気になるところなのです。

・昔のフレーム、昔のコンポ
・最新のフレーム、最新のコンポ
 (ただし、少しオモリを積む)

の二台で、同じ人が同じケイデンスで同じギヤ比で同じコースをヒルクライムした時に、タイム差は出ないのか?ってのが気になっています。

私は「しなり」はロスだと考えています。結果として反作用が少ないから足は残るけど、パワーは吸われてるのではないかなーと。

一度実験してみたいですね。

baru (@barubaru24)
blog: 東京⇔大阪キャノンボール研究


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05-25-2017 12:11 AM   
#6

(05-24-2017 10:58 PM)PHILLY さんは次のように書きました:  1978年型のカンパニョーロ・ヌーヴォレコードのリヤメカです。
仰るとおり、この頃のリヤメカはキャパシティが非常に少ないです。
また、スラント角が浅いので ギヤ1段ぶん動かした時の上下方向の動作量も少ないです。

僕がこのリヤメカを使っていた時は、フロント52/42T、ボスフリースプロケット13-22Tという歯数でした。
江文峠や花脊峠、六丁峠くらいなら これでも何とか登れていましたが(ちょっとキツイですが)、
ある時 リヤスプロケットを11-25Tのカセットスプロケットに変更したところ
パンタグラフのスラント角が浅いせいで ガイドプーリーがローギヤにぶつかり変速できない状態に陥りました。

更に、インナーチェーンリングが39Tのクランクに交換した際には
インナー使用時にチェーンがだるんだるんになる、という事もありました。
キャパが少ないというのは、言うなれば 吸収できるチェーンのたるみ量が少ないという事なので そうなったのでしょう。


現代のリヤメカは、ショートケージにコンパクトクランクでも28Tまでなら余裕です。
こんばんわ。
なかなかレアなパーツをお持ちですね!!
私も昔のフレームに現代的なホイール(確か古いサンツァーの下位グレードのRDとWH-R550の9速スプロケの組み合わせ。)を無理矢理入れて似たような経験をしました。(笑)

RDのキャパはサンツァーがRDのリンクをボスフリーのギヤに沿って斜めに動かす特許を出してたのが切れて、各社同じような機構を作れるようになってから増え出したんだと​思います。(特許の情報源は某RDコレクターの人にさっき聞きました。ガイドプーリーが地面と平行に動いていては、変速性能はガクンと落ちるはずです。)
後は各社、自分が売りたいスプロケのギヤ構成を決めて、そのギヤの刃に沿ってガイドプーリーが動くリンク機構とチェーンの余りの長さの変化を吸収するテンション保持機構の​長さとバネ力を決めてあげるだけです。もちろんフレームのエンド幅に収まる範囲内で可能な設計でですが。

という訳で、キャパを増やせなかったのは当時の特許事情もあったのかなーと思います。


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05-26-2017 09:44 PM   
#7

PHILLYさん、お返事遅くなりました。

(05-24-2017 10:58 PM)PHILLY さんは次のように書きました:  まず、40年前と現代のロードバイクを比較した時に、
フレームやホイールの剛性が上がった事も 変化と言えますが
リヤメカの構造が 最も変化の大きい箇所だと思います。


1978年型のカンパニョーロ・ヌーヴォレコードのリヤメカです。
仰るとおり、この頃のリヤメカはキャパシティが非常に少ないです。
また、スラント角が浅いので ギヤ1段ぶん動かした時の上下方向の動作量も少ないです。

(中略)

更に、インナーチェーンリングが39Tのクランクに交換した際には
インナー使用時にチェーンがだるんだるんになる、という事もありました。
キャパが少ないというのは、言うなれば 吸収できるチェーンのたるみ量が少ないという事なので そうなったのでしょう。


現代のリヤメカは、ショートケージにコンパクトクランクでも28Tまでなら余裕です。

機材の選択肢は 今も昔も無限ではありませんから、
乗り方を ある程度は自転車に「合わせる」必要があります。
過去のサイクリストは 42×21Tで登ることが当たり前だったから それに合わせた乗り方を習得し、
現代のサイクリストは 39×25Tや 34×28Tなどが選べるようになったので
合わせる乗り方の選択肢が増えた、
結果として ランスをはじめとした「高ケイデンス登り」を武器に走るサイクリストが登場してきたのだと考えました。

ご意見ありがとうございます。やはりディレイラーですね。

キャパシティのことは考えていましたが、確かにチェーンの張りという所にも差が出てきそうであるというのはごもっともです。乗り方の選択肢が増えたというのにも、確かにそ​の通り。

(05-24-2017 10:58 PM)PHILLY さんは次のように書きました:  ここで ちょっと、サイスポ2月号を見てみます。
CBN内でも話題を呼んだ「ペダリング最終回答」なる特集記事です。

著作権的に問題がありそうなので 一部だけ抜粋させていただくと、

 トップグレードの機材は硬いものが多く、パワーロスは少ない。
 しかし、その反発は体に返ってくるので、体へのストレスも大きい。
 フレームやホイール、フォークなどで しなりを出したほうが、一般サイクリストなら乗りやすい
 バイクのしなりが大きければ、ペダリングがヘタでもリズミカルに踏める。

との事でした(原文コピペではありません)。

「完璧なペダリング」というのは、脚のブレやケイデンスの変動が無い状態の事を指します(と勝手に思っています)が、
ヒルクライムでは ケイデンスが落ちる上 フォームも崩れがちになります。
「登りでは ペダリングが(平地に比べて)ヘタな方に近づく」と考えられますが、
そこに 前述の理論を当てはめてみると

「登りでは、硬い機材の使用は 体への反発を増やし、却って乗りづらくなる」
「ある程度の しなりを生む方が、リズミカルなペダリングを維持できる」

と言い換えられます。

これを受けて記事を読んでみました。

私は剛性ガチガチに固めたカーボンバイクと、とにかく体への負担を減らすことを考えたスチールバイクの二台体制です。確かに、スチールは踏んだ時の反発が少ないせいか足が​残りますね。「進む!」感は無いんですが、結果的に300kmのタイムは自己最速ではありました。

baru (@barubaru24)
blog: 東京⇔大阪キャノンボール研究

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05-27-2017 11:28 PM   
#8

(05-24-2017 11:36 PM)barubaru24 さんは次のように書きました:  さて、それはさておき、ホントに同じケイデンスで同じギヤ比なら同じスピードなのか?ってのがちょっと気になるところなのです。

・昔のフレーム、昔のコンポ
・最新のフレーム、最新のコンポ
 (ただし、少しオモリを積む)

の二台で、同じ人が同じケイデンスで同じギヤ比で同じコースをヒルクライムした時に、タイム差は出ないのか?ってのが気になっています。

私は「しなり」はロスだと考えています。結果として反作用が少ないから足は残るけど、パワーは吸われてるのではないかなーと。

一度実験してみたいですね。

baru様、返信が遅くなってすいません。(ちょっとアレコレ考えてました)

では、いきなりですが本題です。
昔の柔らかい機材と最新の硬い機材の重量差をゼロにして乗り比べてみた時の違いについて、私の知る限りの浅い物理法則の知識での机上の空論ではあるのですが...。


結論から言わせて頂きます。
同じギヤ比で(同じタイヤサイズだとと仮定して)同じケイデンスであれば、
タイヤ周長とホイール回転数も同じなので距離と速度の計算式によりタイムは同じになります。
でも、古く柔らかい機材を使った選手の平均出力の方が高くなる(=パワーロスが出る)と思います。

なんか上げ足取りみたいな答えになってしまってすいません。
ですが敢えて突っ込み所の無いように書かせて頂きました。




えーと、いきなり原子レベルの話になるのですが、
フレームやクランクやホイールが変形と復元を繰り返せば摩擦によって熱に変換され大気に放出されます。
もし身近な物で実験するとしたら、
 ・針金をくの字に曲げたり戻したりを連続ですると熱を帯びてきます。
 ・タイヤも接地面で変形して戻っての繰り返しでやはり同じ原理で発熱します。
といった例があります。
柔らかいフレームやコンポとはいっても変形量は微々たるものなので発熱量は非常に小さいとは思い殆ど無視できるレベルだとは思いますがロスはロスなので柔らかい機材の方が​ロスは大きいと思います。

コンポの方はというとチェーンの幅の薄さやスプロケの薄さ、チェーン自体の重量が結構効いてくる気がします。チェーンだけなら8速時代のHGチェーンが個人的に踏んだ時の​ダイレクト感があって好きなんですが(実は7400デュラ搭載の古いマシンを1台所有してますw)、現行の薄いチェーンの方が各摩擦部の面積が減らせるのか、抵抗が小さく​感じます。ケミカルやシルテック等の潤滑・コーティング技術も見逃せない要素だと思います。
他にも、クランクやBB周りの剛性は現代のマシンの圧勝ですし、ホイールも現代の完組みと昔の手組では剛性差が顕著に出るはずなのでフレーム以上に変形や摩擦によるロスは​そこそこ大きいと思います。特にホイールの空気抵抗の差(スポーク本数とリムの違い)は大きいと思います。


と、ここまではネガティブ面でしたが、
実はパーツの変形ロス以外にエネルギー保存の法則というのがありまして、
乗り手の技術次第でロスを小さくできると私は思っています。
ここからは私流の例え話ですが...。

ホッピングというおもちゃがあります。

一度自力でジャンプして、
落下エネルギーをバネに蓄えて、
次のジャンプは、

バネの力+自分のジャンプ力

で跳ぶ事でより高くまでジャンプできるっていうアレです。リズム感が残念だったり、変なタイミングで膝カックンしたら大幅にエネルギーをロスしますが。(笑)

私はそれと同じことを自転車で出来ると思っています。私のマシンで言うと、クロモリ(VIGORE CrMo Racer)はケイデンス80rpm前後、カーボン(ANCHOR RIS9)は90~100rpmぐらいが一番よく進みます。もちろんガチャガチャ踏んだら膝カックンじゃないですけどどちらもあまり進まないです。(笑)  
※RIS9の方が硬いのでいい加減に踏んでもある程度走ってくれますが。



長文になってしましましたが、簡単にまとめますと。
baru様が仰られように昔の柔らかいフレームやコンポを使用する事によるエネルギーロスはあると思います。でも、敢えて柔らかい機材で脚を残すといった人間側の事情を重​視するのもアリだと思います。

これは物理計算だけじゃなく人間側の事情も加味しないとダメそうですね(^^;
私は一応エンジニアの端くれなので多少物理は出来ますが医学やスポーツトレーニングの知識は殆ど無いので筋肉へのダメージを加味した答えとなると正直分からない事だらけで​す。
私も実験してみたくなってきました。


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05-28-2017 12:51 PM   
#9

(05-24-2017 05:55 PM)barubaru24 さんは次のように書きました:  物理に強い方に質問です。

「自転車全体の剛性が低いほど重いギヤを踏めるのではないか」と最近おぼろげに思っているんですが、これってどうなんでしょうか?

----

こんなことを考えたのは、1970年頃に東京大阪タイムトライアルをやった人の話を聞いたときにギヤ比に驚いたのがキッカケです。

箱根を超えるコースにも関わらず、一番軽いギヤがフロント44Tのリヤ21T。ギヤ比2.1という重いギヤでこなしていたとのこと。今のフロント34Tに換算すると、リヤ​が16Tの計算になります。ちょっとこのギヤ比で私は箱根を足つき無しで越えられそうにはありません。

「当時は大きくてもスプロケの歯数は21Tだった」という話は聞きますが、果たして当時の自転車乗りはすべからく剛脚の持ち主だったという事なのでしょうか? 私はそれは違うのではないかと思っています。

現代ではプロですらフロントのインナーは大きくても39T、選手によっては34Tを使います。コンタドールやフルームですら32Tのスプロケを使うことがあるそうです。彼​らが1970-80年代のプロよりもパワーがないか?と言われるとそんなことはないはずです。

そこで一つの仮説として思いついたのが最初のお話です。昔の剛性が低いフレームやクランク、ペダルでは、山などの高負荷では変形してしまうがゆえに、重いギヤ比でも踏めて​しまっていたのではないか…と。

しかし、最近の剛性が高い自転車で重いギヤ比(例えば44T×21Tで10%の坂を登る場合)反作用の力が大きく、足の筋肉が早々に耐えられなくなる…。

そのため、自転車パーツの高剛性化に伴ってクランクは小さくなり、スプロケットは大きくなり続けているのではないかな、と思ったのです。単にランスを真似た高ケイデンスブ​ームの賜物かもしれませんが。

…感覚的には正しいような気もしてるのですが、物理的に納得の行く説明ができないので、ここで相談してみました。まずは「坂でクランクが回しきれない状態」はどんな状態な​のか定義する必要がありそうです。

ご意見、よろしくお願いします。

既に色々意見がでてますが、身も蓋もない言い方をすれば
「機材に人間が合わせる事ができるので、剛性とギア比には大きな相関性が存在するか分からない」
かと思います。

一応反例としては、ドミフォンレーサーなんかは8倍ぐらいのギア比のトラックレーサーですが、通常のトラックレーサーより柔らかく作ってるというのは見かけたことがありま​せん。
同じく、TTレーサーも昔と変わらないギア比を使ってます(TTの場合、空力のお話も絡んでくるのでちょっと別ではありますが)


入力源である人間が良くも悪くもファジーなので、ファクターとして絡んできた瞬間に定式化はかなり難しくなるのは目に見えてます。

もちろん、フレームやホイール、各コンポーネントの剛性を全部計測した上で、一定パワーをペダルにかけた時の駆動効率を調べていけば、もしかしたら相関性が出ることはある​かとは思います。
剛性が高い・低いと言われても、メーカーも相対値しか出さないので比較検証をややこしくしてる感はあります。
まずはしっかり計測して数値化したところでようやくスタートラインでしょう。


とはいえ、机上での妄想でよければkazaneさんのコメとほぼ一緒にはなってしまうのですが、
「低剛性のは長いストロークのサスペンション、高剛性のは短いストロークのサスペンション」
というのがイメージしやすいかなと思います。
どちらが好みかというのははもちろんあるでしょうが、それがタイムや疲労にどうつながるかは個人差が大きすぎて結局分からないんですよね。
剛性の高低は絶対性能ではなく飽くまでもセッティングのパラメーターの一つで、(あるライダーが)速く走ることできる自転車こそが(その人にとって)速い自転車であるとい​うだけかもしれません。




とりとめのない話になってしまいましたが、全盛期のエディ・メルクスに当時の機材から現在の機材までを選び放題で渡したら、どういう組み合わせで選んでどれくらい速く走れ​るようになるのか、という妄想は非常に楽しいということがわかりました(


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