最新更新日:2005.07.09 ・二輪車のコーナーリングは面白い! 最近のマイブームでエンジンにとても強い興味を持ちましていろいろと調べていく中で飛行機が大好きになりました。もともと飛行機は大好きで子供の頃は戦闘機に乗りたいと思っていたものでした。しかし僕は小さい時から眼が悪くて「眼が悪いと戦闘機には乗れないよ」という大人の意見を聞いたばっかりに飛行機への興味は薄れていってしまったのでありました。今思えばなんとしてもパイロットになる!と思えば戦闘機ではないにしろなにかに乗れていたかもしれないので思えば惜しいことをしました。今からでも遅くはナイとも思いますが・・・。 なんでこんなことを書いているかというと飛行機のターンと二輪車のターンはけっこう似ているからであります。多くの人は自転車、オートバイと二輪車に乗れますがこれが飛行機と似ているというと興味深くは無いでしょうか!(そう思うのは僕だけかもしれませんが(^^;) 二輪車のターンの基本は重力と遠心力をいかに使うかにあります。ある時はバランスさせてある時は積極的にバランスを崩して操縦する。いやぁこうやって書くと楽しい響きが感じられます。 僕はそんなこともあってMTBに乗るのも好きですがママチャリに乗ることも好きなんです。 実はこの傾けて曲がるというのは自動車、大型船舶などがやらないだけで意外と多数派なんですヨ。 ■「曲がる」ということ (←クリックするとジャンプします) ■「まっすぐ走る」ということ (←クリックするとジャンプします) |
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つたない絵ですがこれを飛行機の正面から見ていると思ってください。そしてこの時、飛行機は水平飛行をしていると思ってください。 飛行機の重量は翼が生み出す揚力とバランスしています。そのため水平に飛んでいくわけであります。 |
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上の絵から機体を傾けるとどうなるか。 1)揚力は翼に対して直角に発生するので揚力成分と向心力成分に分かれる 2)この向心力で機体はとりあえず曲がる。滑っているようにも見えるでしょう。 3)揚力の垂直成分は減ってしまうので機体は高度を下げてしまう。またこの時に機首を上げると見掛けの揚力成分が増してググッと曲がる。 他にもいろいろと操縦しなくてはいけないですがこれくらいにしておいて本題へ。 |
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これと自転車がどこが似ているかというと向心力(曲がろうとする力)を機体を傾けることにより得ることであります。 まずは曲がる時の力を考えてみます。 |
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このターンの時の力は飛行機、自動車、電車、二輪車、人間となんでも共通です。 あるスピードであるターンをするには向心力Fnは Fn=(m/r)*v^2 だけ必要です。 飛行機の場合は上の絵のように機体を傾けて向心力を得ますが二輪車の場合も同様です。 より強く曲がりたければ速度を早く、回転半径を小さくする必要があります。 通常は向心力と正反対の方向に働く遠心力のほうが分かりやすいような気がしますね。 上の文を遠心力の立場で書くと「速く、小さい回転半径で曲がるとより強い遠心力を受けることになる」という事になります。 |
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さて本題の自転車と思ってください。オートバイとの差は「人間の重心」と「車体と人間の合成重心」が近いところにあるところです。これは動きが分かりやすいというメリットでもありますが人間の重心位置の変更のみによる操縦が難しいというデメリットでもあります(転びそうになった時に自転車の方がリカバリーが難しいです)。乗り手が大人の人間の場合はヘソのあたりと思ってください。 向心力を得るにはどうすればいいでしょうか?それは車体を傾けて重力のcosθを利用するのです。ただ二輪車の場合はこの操作だけだと向心力にならずにペチャンと地面と衝突してしまいます。向心力を得るためにはある曲率でターンしていないといけないからです。そのためにハンドルがあってハンドルを切るわけであります。 |
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こういったオモチャがあると安全に確認できます。ハンドルを切らずにMTBのおもちゃを傾けた状態で押してもターンをせずにまっすぐ進んでしまいます。 オモチャがなくても自転車に乗ってやってみると体感できます。 (昔、FCYCLEの忘年会で頂戴したオモチャ役に立ちました。がやさん、ありがとうございました。) |
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このように舵角を取ることで初めて二輪車は回転運動を始めます。 |
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つまり二輪車のターンは「傾ける+曲率をとる」の2種類の操作をうまくしているわけであります。僕は意外と複雑と思います。どうりで子供の頃に自転車に乗るのが難しかったわけであります。 さてここで二輪車のターンのパターンをあげてみます。左へターンする時で考えています。 パターンA 1)ハンドルを左へ切る。 パターンB 1)重心を左へずらす。 ゆっくりとした速度の場合はパターンA、速くなってくるとパターンBという気がしますが実はパターンAを高速で使えるようになると操縦の自由度が格段に上がります。 それは何かというと重心位置の変更よりもハンドルの操作のほうが格段に操作速度が速いからであります。遠心力と重力をハンドルで使い分けてバンク角を得るという感じでしょうか。 実はこれととても似ている乗り物がスキーです。スキーはエッジの角度の操作が重要でターンの最中に自分の描きたいシュプールになるようにエッジ角を調整して回転半径を作り出します。 さて上の技術を応用するといろいろと操縦ができます。 「車体を引き起こしたい時」:左コーナーで考えてます。 「車体をもっと倒したい時」は逆の操作でいけます。つまり |
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さてこれでハンドル操作は一段落しましたがMTBで操作するものはハンドルだけではありません。ブレーキも姿勢制御に大きく使います。 オートバイはスロットルを回してエンジン出力をあげるというやり方で速度アップ、ブレーキで速度ダウンをしますがMTBの場合は速度アップも速度ダウンも両方ブレーキです。下りに入ると常時ブレーキレバーは握った状態です。ブレーキを緩めると速度アップ、ブレーキを強めると速度ダウンです。 さてこれをどうやって姿勢制御に使うかというと例えば 「ターン中に車体を引き起こしたい時」 ちなみにターン中にペダリングができる場合は同様の効果が出ます。僕の場合は左ターンの時はクランクは左右水平(0度の位置)で右足が前方にあります。クランクの下死点まで90度しか回せませんが使っています。まあ速度アップというよりは踏み込んでのバランス修正というほうが効果が大きいと思います。 「ターン中に車体を倒したい時」 速度の増速による操作は正直あまり効きません。というのは加速は重力に依存するため加速力は弱く速度が上昇するまでに時間がかかるためです。反対に減速による操作はブレーキが高性能で全体が軽量のため良く効きます。 |
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もう1つ制御できるものがあります。それは重心位置です。重心位置は前述のようにヘソの辺りにあります。自転車の場合は下半身はペダル操作で位置が大体決まっていますので上半身の位置を変更することで上述の効果を出すことができます。 「ターン中に車体を引き起こしたい時」:左ターンの時で考えました。 「ターン中に車体を倒したい時」:左ターンの時で考えました。 ただこの重心位置による姿勢制御だけというのはほとんど出番が無いように思います。というのは他の操作と併用して使うからです。まあこんなこともあるヨ程度でしょうか。 |
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これを読まれた方で「もっと傾けたい時ってどんな時?」と思われる方もいられると思います。それはバンクの付いた下り坂なんです。MTBはスキーと同じように3次元的な空間を乗ります。はじめに説明に使った飛行機も3次元なのです。 左下の絵は下り坂をイメージでいた書いたものです。手前から奥へ伸びる道と思ってください。本当の道はこんな風に角度の割り振りはできていませんがわかりやすくしました。本当に説明したいのはもう少し下の絵なのです。 |
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さて矢印のように手前から奥へ行く道と思ってください。 |
左の道のAA断面が右下の絵です。傾斜の勾配は一定でないことが多いです。つまり加速、減速にメリハリが無いとスピードの出し過ぎになってしまいます。 |
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さて次に同じ坂をカント(バンクのきつさ)で書いてみると下記の絵になります(というか、そうなったものと思ってください) |
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この絵を説明したかったのであります。カントが水平に近いところをピンクに、きついところを紫に、その中間に緑で塗りました。 実際の山の道も上の絵の様に傾斜の勾配も違いますし左の絵のようにカントも違います。 |
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まずは左ターンのAA断面。例えばこの図のように通ったとします。細長いのがタイヤでその上の豆みたいなのが人間の体でその中の白黒マークが重心です。 あと数メートル先には右ターンがありますしコーナー出口で傾斜勾配はきつくなります。 次のコーナーの通り方は何種類もあります。 |
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次の右ターンの断面1です。 バンクの上の方まで使う時はこんな感じでしょうか。正直いうとけっこう遠回りのライン取りのような気がします。 上の角度からこのバンク角まで振り込むのはけっこう多い量の切り返しをしたことになります。 バンクから抜け出たくらいでカウンターステアを入れて車体を一気に振ると楽しいでしょうね。 次のターンの事も考えて大回りは嫌だな・・・ということであれば下のようにもいけます。 |
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バンクは使わずに最短距離で抜けようとするとこんな感じ。 こうすると絵的にみても分かるようにタイヤの横への踏ん張りがとても期待されます。 踏ん張れないけどこのラインを通りたい・・・・時はどうすればいいか。 解決策の1つは上の方に書いたスピードダウンですね。このバンクに入る前にスピードダウンをしてこの角度が出るようにします。ただ、コーナーリングのGを使えない立ち上がり時にスピードダウンしようとするとタイヤのグリップが期待できないので速度ダウンはこの1つ前のコーナーの出口くらいでやっておくのがひとつの方法でしょう。 |
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ブレーキ力とハンドル舵角と重心位置による複雑な操作がMTBの自由な操縦につながっていると僕は思います。 さて曲がる時の話をしてきましたがまっすぐ走るのも普通にやっていますがけっこう考えると面白いものなんであります。 それは「自転車はまっずぐ乗るのがとても難しい乗り物」だということです。たいていの人は小学校の頃に自転車の補助輪を外すときに苦労しているはずです。なぜでしょうか?それはバランスを取りながら乗る乗り物でありながら、ペダルを漕ぐと自然にバランスが崩れてしまう乗り物だからです。 別のページでも書いていますが二輪車が直進することは工学的には「倒立振り子」の考えで説明できます。「倒立振り子」とは機械工学的には実用ではロケットが飛ぶ時の噴射ガスの噴射制御方法や研究としては制御の論理の研究対象だったりしますが簡単に言うと手のひらにほうきや傘を立てて倒れないように遊んだりするアレであります。 |
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折畳みの傘であります。 |
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こんな風に手のひらに傘を立てるのを倒立振り子といいます。 ポイントは傘の重心の下に手のひらをもってくること。まあこれはたいていの人はやったことがあるでしょうからわかりますね。 |
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二輪車やスキーはバランスの乗り物です。上の傘の倒立振り子では左に傾いたら手のひらを左に、右に傾いたら手のひらを右に動かして重心を拾う感じでやります。 |
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さて左のモデルを書いて見ました。 肌色の部分は人間でその下の棒のような物が自転車と思ってください。 肌色の真ん中の丸と十字が重心と思ってください。 重心の真下に接地点が来ているのでこの状態では左右どちらにも倒れませんが普通はこの状態だけを保つのは難しいですね。 |
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さて右へ傾きました。 選択肢は二つです。タイヤの接地点を右へずらして重心を拾うかそれともこのまま放置して倒れるかです。 |
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接地点を右へずらして重心を拾いましたね。 自転車をはじめとする二輪車、スキーはこの操作を延々と繰返しているわけです。 |
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自転車にはステアリングにキャスター、トレールがあって元々、機械的に直進するようにもなっていますが基本はこの重心を拾いながら進むことだと思っています。自転車が低速よりもある程度スピードが出たほうが扱いやすいのはホイールのジャイロ効果というよりはこの重心を拾う操作が速くできるからと思っています。 こんなことを考えながら自転車に乗っているとなんだかとても楽しい気持ちになるのであります。だからママチャリも好きなんですね。 僕はMTB Trekkingを楽しむのにこの技術や知恵は多くの場合は必要ないと思っています。でも知っておいて使えるようになるとMTBのイメージがちょっと変わるかもしれません。 |
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