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.4

ensan8

これは、物理の問題ではありません。生理学の問題です。
人間に限らず生物の筋線維は低速で収縮する場合の方が高速で収縮する場合よりも大きな収縮力が出せます。
また筋組織には筋紡錘という筋に働く力を測る器官が内蔵されていてこれが力の大きさを測ります。
低速の場合の方が筋が大きな力を出せるため、ペダルからの反力も大きくなるため筋紡錘で計られる筋にかかる力も大きく感じられるのです。

お礼

重く感じるのは大きな力を掛けている証拠なのですね。あまりにも知識外の内容なので、正直言って妥当性を考える事すら出来ません。変な言い方ですが、とりあえず異論は唱えず信用します。ありがとうございます。

補足

頭絞って考えました。低速でも高速でもペダルの重さは同じ、人間の筋肉の問題だとします。重さが同じなのだからペダルからの反力も同じです。従って筋紡錘で測られる力も同じではないでしょうか？

また高速の方が収縮力を出し難いのならば、感じる力は別として、高速時にはより力を込めてこぐ必要がある筈です。また本当にキツイ登り坂の場合に低速時よりも高速時の方が先にこげなくなる筈です。この点は現実と矛盾があるように思えます。

回答No.3

chie65536

「慣性」の一言で解かって欲しい所なんですが、それで解からないなら
「止まっている物はいつまでも止まっていようとする」
「動いている物はいつまでも動いていようとする」
のが「慣性」です。

「慣性に逆らう」、つまり
「止まっている物を動かそうとする時」
「動いている物を止めようとする時」
には、非常に沢山のエネルギーを必要とします。

なお「動いている物を同じ速度で動かし続ける」には「摩擦により止まろうとする分だけ、ほんの少し動かし足してやるだけ」のエネルギーで済むので「ペダルが軽い」のです。こっちは「慣性」ではなく「摩擦」の問題。

動き出す時には多くのエネルギーが要ります。それは動いてる物が止まり出す時も同じです。

もし自転車の減速装置が「止まる時はブレーキじゃなくペダルの回転を遅くする事で止まる(ペダルが自由に逆回転しない。逆回転で空回りしない)」と言う方式の場合を考えてみて下さい。

この方式では「動いている物を止めようとする時」に非常に沢山のエネルギーを必要とするので「足の甲が真っ赤になるくらい力を入れないと止まってくれない」でしょう。

普通の減速装置、つまり、普通のブレーキ方式の自転車で、思いっきりブレーキをかけると「キーーっ！」と凄い音がして、ブレーキのゴムが摩擦で熱せられ、激しくゴムが磨り減ります。ブレーキのゴム以外に、タイヤも磨り減ります。

これは「動いている物のエネルギー（運動エネルギー）」が
・空気が振動して音になるエネルギー
・熱エネルギー
・ゴムをすり減らすエネルギー
に変換されているのです。そして、運動エネルギーが減った為に自転車が止まります。

お礼

慣性の説明は判りましたが、これでペダルの重さが説明されるとは思えません。摩擦の説明では私の体験と矛盾するので、原因が摩擦ではない事は分かりました。しかし低速を維持するのと、高速を維持するので違いがあるのはなぜですか？？これは慣性とは関係ないと思います。

回答No.2

FEX2053

実は結構難しい話になると思うのですが。

とりあえず、発進直後の静摩擦->動摩擦の問題は無視するとして、
動き出してからのことに限定すると、仮に常時同じ力で加速するのならば、
別に速度が変ったからと言って、車輪の回転力に差があるとは思えません。
むしろ高速になると空気抵抗が大きくなり、ペダルは重くなるはずです。

ですが、発進直後の方がペダルが重く感じるのは確かですから、この
問題は単純に力学的な問題ではなく、人間の感覚まで含めた総合的な
問題ではないかと推測されるのです。ということで、

１．同じ推進力を得るのに、ペダルの回転角が少なくて済むために、
　感覚上同じ回転数を得ようとして、結果的に重く感じる。

２．速度が上がると加速が必要なくなるため、結果的に力が不要に
　なり、軽く感じる。

要は、発進直後と加速してからでは、同じ力をペダルに加えているわけ
ではない、ということじゃないかと思うのです。で、結果としてこれらの
相乗効果で重く感じるのではないかと思います。

お礼

低速で一定速度（加速度０）を維持するのと、高速で一定速度を維持するのでは前者の方が絶対に重いです。感覚の問題とは思えません。

回答No.1

jklmn

一言で、『慣性』

お礼

ズバリとは書きましたが、一言とは言ってません。