クランクの力学

 ●「トルク」とは何か

 ロードバイクの本には,「ペダルは踏むのではなく,回すものだ」という記述が,かならずといっていいほど出てきます。

 その理由は何でしょうか。

 その答えの一つが「トルク」というものに関わっています。

 この「トルク」という言葉も,ロードバイク関連の本にはたくさん出てきます。

 トルクは「力」ではありません。力と距離のかけ算で求められる量です。

   トルク = 力 × 支点からの距離

 昔は「モーメント」という言葉で理科の教科書に載っていたものです。

 日本語では「回転能」とも表現されるもので,「物体を回転させる能力」と言い換えることができます。

 トルクは距離がかけ算されるので,同じ力の大きさでも,その力を加える点を支点から遠いところに持ってくるほど,トルクは大きくなります。

 ふつうの「力」とのちがいは,「支点からの距離」がかけ算で効いてくることです。


 ●ペダリングにおけるトルク

 この「支点からの距離」が,ペダリングに関して,重要な問題となってきます。

 図1。長さ 17cm のクランクが3時の位置にあります。

torque01.jpg


 このとき,ペダルの軸に 10N の力 F が加わったとすると,このとき発生するトルクは,

   10N × 0.17m = 1.7Nm

 (※ N はニュートンで力の単位,Nm はニュートン・メートルでトルクの単位)

となります。

 かりに,チェーンリングの半径が 10cm とすると,チェーンに加わる力は,

   1.7Nm ÷ 0.1m = 17N

と求められます。

 ペダルの方が,回転の中心 O からの距離が長いので,ペダルに 10N の力しか加えていなくも,チェーンには 17N もの力を加えることができるのです。これは,いわゆる「てこの原理」と同じ理屈です。

 ところで,「支点からの距離」とは,力の加わる方向 = 力の矢印(の延長線)へ支点から下ろした垂線の長さとなります。

 そこで,クランクが1時の位置にあるときに,ペダルを真下に踏むとすると,「支点からの距離」は次の図2の「r'」のようになってしまいます。

torque02.jpg


 この場合のトルクを計算すると,

   10N × 0.09m = 0.9Nm

となり,トルクは半分近くにまで減ってしまいます。

 この場合,チェーンに加わる力は

   0.9Nm ÷ 0.1m = 9N

となり,本来,最大17N の力をチェーンに伝えることができるはずなのに,9N となり,大きな損失となってしまいます。

 つまり,ペダルが3時以外の位置にあるときは,真下に踏んでは(真上に引き上げては)無駄が出てしまうのです。

 足からの入力が,最大のトルクを生み出すためには,下の図3にあるような矢印の方向(クランクに対して90度の方向)に力の加えることが必要なのです。

torque03.jpg


 このような最大のトルクを生み出す入力方向を,連続して描き込んだものが図4です。

torque04.jpg


 クランク回転の軌跡の接線方向に力を加えつづけることで,つねに最大のトルクを発生させることができるのです。

 結局「回すようにペダリングする」ということを,力学的に考えると,こういう意味があるわけです。

 ふつうのペダルでは,この矢印のような方向で力を加えることができません。

 しかし,ビンディングペダルなら,このような入力が可能になるわけですから,ビンディングペダルがいかにすばらしい発明であるかもわかります。


 ●ダンシングとトルク

 また,ダンシングに関しても,ここから一つの知見を得ることができます。

 ダンシングの場合,通常のシッティングよりもかなり大きな力をペダルに加えることができます。そこで,当然,トルクも大きくなります。

 しかし,ダンシングでは,ペダルを「回す」ことがむずかしいと思われます。真下に近い方向でペダルに力を加えることになります。

 そうなると,上の図2ような入力方向になり,支点からの距離が短くなってしまいます。つまり,より大きな力を加えることができる利点はありますが,それに比例させてトルクを大きくすることはむずかしいのです。

 ダンシングは,大きな力を加えることでトルクを大きくできるのですが,支点からの距離で損をするので,効率はよくないということになるのです。

 逆に考えれば,ダンシングで「回す」ペダリングができるとすれば,これは,大きな入力をそのまま大きなトルクに結びつけることができるので,すばらしい武器になります。



 えらそうに書いてきましたが,理解することと,できるようになることはまったく別です。ハハハ。わかっていても,できません(笑)

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Comments 12

maa  

こんばんは!
rikiさん すごいですね! 私 こんなこと考えて乗ったことありませんでした。ペダリングのスキルアップをして今の体重とクランク長を有効活用せねば…でも、回すペダリングとかクルクル回すとかさっぱりわかりません。たぶん1時を過ぎたあたりから踏んづけてます。(^^;
第3回目の「riki」学講座も楽しみにしてます。

2013/03/05 (Tue) 00:35 | EDIT | REPLY |   

riki  

Re; maa様

ありがとうございます。
回す方が効率的とわかっていても,ついつい踏んでしまうし,きれいに回せません。
でも,平地を走っているときに,ときどき,すーっと足の力が抜けていくような感覚になることがあって,あのときはきれいに回せているのかなあと思っています。

2013/03/05 (Tue) 07:34 | EDIT | REPLY |   

ayu  

このきれいな図、rikiさんが描かれたのでしょ?解り易い力学の説明といい、ひょっとして学校の先生でいらっしゃいますか?
あっ!詮索するつもりはありませんので、お答え頂く必要は全然ありませんよ。ただ、内容もさることながら、もっぱら、関心がそちらに行ってしまいましたので…(笑)

2013/03/05 (Tue) 07:50 | EDIT | REPLY |   

まっさん  

タイトル

こんにちは。

いやー今回も物凄くためになりました。そして説明が非常に分かりやすい。
自分が感覚でペダリングをより効率的にするには?とイメージしたものと併せながら読むと、すごく納得できる内容です。rikiさんの物理学はメチャクチャ参考になります。

この延長線上で、感覚的に掴んでいるギア比、なんかも解説して頂くと嬉しいです。例えば、インナーとアウターギア比は同じ場合、どちらで回した方がより効果的なのか?とか。なんとなくアウターで回した方が効果的に思えて、インナーを坂限定で使ったりしていますが^^;。

ではヽ(´▽`)/

2013/03/05 (Tue) 10:28 | EDIT | REPLY |   

riki  

Re; ayu様

ありがとうございます。図はぼくが描きました。
ayuさんの予想,あながち,外れとは言えません(笑)
明言は避けまして…(笑)

2013/03/05 (Tue) 10:36 | EDIT | REPLY |   

riki  

Re; まっさん様

ありがとうございます。
いくつになってもほめられるのはうれしいものです。

ギア比のことですか~。
守備範囲にないので,難しそうです。
宿題として考えておきま~す。

2013/03/05 (Tue) 10:39 | EDIT | REPLY |   

おばさん  

タイトル

げに! 頭で判っていても 身体は別物f^_^;) やろうとしている事と やっている事も別物の様です(>_<); 結果 故障してしまう事も有りますが、いかんせん お年頃のため 一度故障すると 中々回復しません(T . T)
時々 この無謀なおばさんにアドバイスをいれてくれる仲間が 本当に有りがたいです(^_-)
rikiさんも とてもステキな仲間に囲まれてらっしゃいますね☆

2013/03/05 (Tue) 13:32 | EDIT | REPLY |   

riki  

Re; おばさん様

「お年頃」とは,すてきな表現ですね。
さすがです。
ぼくも,「年ですから」とはいわずに,「お年頃ですから」ということにします!
肯定的な表現,前向きな言葉遣いをしているうちに,心も体も前に向いていくものですよね。

2013/03/05 (Tue) 16:43 | EDIT | REPLY |   

おばさん  

タイトル

お年頃でも(^_-) 前回上がれなかった坂が上がれたり、自分だけの「プチ達成感」が得られるロードバイクが大好きです\(^o^)/ 坂の上で いつもお待たせしてばかりで頭ペコペコですが、笑って迎えてくれる仲間に いつも 感謝!ですね(^_-)

2013/03/05 (Tue) 21:48 | EDIT | REPLY |   

riki  

Re; おばさん様

坂の上で,おばさんさんがみんなに笑顔で迎えられる様子が,目に浮かぶようです。
ロードバイクに乗っている人って,どうしてこんなにいい人が多いんですかね。
無心にペダルを漕ぐから? 風になって走るから? 一人の人間の非力さを知っているから?

2013/03/05 (Tue) 22:00 | EDIT | REPLY |   

コギコギ  

タイトル

凄くわかりやすいペダリングの解説でした。
ダンシングの時はハンドルを引いて斜め前へ踏み込んだ後
下死点は一気に通過してモモを引き上げます。
出来るだけ力の方向をrikiさんの解説に近い動きになる様にしているんでしょうね。
こういうネタは大好きですので
次回を楽しみにしています。

2013/03/06 (Wed) 22:06 | EDIT | REPLY |   

riki  

タイトル

Re; コギコギ様
コメント,ありがとうございます。
なるほど,ダンシングのときは,そういう感じで動かすんですね。
ぼくは,まだ,ぜんぜんうまくできません。

1月に1回ぐらい,力学のことを書いてみようかと思っています。
よろしくお願いします。

2013/03/06 (Wed) 22:22 | EDIT | REPLY |   

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