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【自転車は何故倒れないの?】ジャイロ効果をコマとジャイロモノレールで学んでみよう

なんで、自転車は倒れないの?

この疑問をいだく時、調べて出てくる言葉が

「ジャイロ効果」

皆さん聞いたことありますか?

ジャイロ効果を聞いたことない人も多いと思います。

自転車を安定して走らせてくれる不思議な力。

この記事を読むことで、

  • 自転車やロードバイクの理論が少し分かる
  • 力のかけ方のヒントをつかめる
  • ダンシングのヒントをつかめる
  • 3本ローラーのヒントをつかめる
  • 三角関数が少し分かるw

等々、得られるものがある、、、かもしれませんw
(なにかしら閃きのヒントになる可能性はあると思います)

今回は、後半ジャイロ効果について

ジャイロモノレールの仕組みも踏まえて話したいと思います。

単純で複雑な

ジャイロ効果の世界に足を踏み入れて見ましょう。

ジャイロモノレールって知ってる?

ジャイロモノレールとは、

ジャイロ効果を利用して1本のレールを自立し走る列車です。

基本、制止しても倒れません。

もしかすると、現代の電車もジャイロモノレールだった、

未来もあり得たかもしれません。

写真引用:Wikipedia ジャイロモノレール写真より

ジャイロ効果ってなんぞ?

そんなわけで、ジャイロ効果について説明していきたいと思います。

分かりやすくイラスト多めにしてます。

知ってる人はそんな細かい事までと言わず

お付き合い頂けると幸いです(^^;

なるべくイラスト多めで分かりやすく説明しようと思います。

ジャイロ効果の代表コマ

先ずはコマだよww

仮にコマは人間程大きいとします。

先ずはコマを回っていない状態で倒してみましょう。

手前に倒れる事が想像出来ると思います。

この時、

「同じ場所」で倒れますね。

今度はコマが回転している状態です。

回転しているコマに力を入れると

どうなるでしょうか?

倒れる場所が変わりますね。

  1. 力の入れ始め
  2. コマが倒れる場所

上の2つ力の入れ始める場所とコマが倒れる場所は、

回転しているとずれます。
(90度ずつズレる)

上のイラストで大事なポイントは。

「回転していない時」と「回転時」は

倒れる場所が変わると言うことです。

分かりやすく人が力を入れてるイメージで書いてます。

そして、もう一つ単純な例えを出します。

机の反対はもどる

ここに一つのがありますw

仮にこの机、

真ん中が動くようになっていたとします。
(机としての機能性については触れないでねw)

上のイラスト、

人が倒した場所は位置が低くなります。

真ん中と、反対側は倒した場所より高くなりますね。

コマに戻ります。

コマも同様で倒れている場所より、

反対側は高い位置になります。

倒れる位置は上下に振れる

先程の倒れる位置の関係性。

仮にコマにシールを貼ると下のイラストになります。

波になっていますね。

何を単純な事を言ってるんだと思うかもしれませんが、

皆さん大嫌いな人が多い、

三角関数ですよ(笑)

こう見ると簡単にみえますね。

三角関数といえばsin,cos,tanというやつですね

力を入れる位置をグラフに追加するとこうなります。

上の力を入れた位置「力の作用点」は

①のコマを押し始める場所になります。

回りくどくなりましたが、

ジャイロ効果とは

コマの場合、

力を受けた方向ではなく、

回転方向にずれた方向へ倒れようとする。

コレをジャイロ効果と呼びます。

力を入れる場所と倒れる場所が90度ずれるため、

倒れない力のバランスとなるのです。

今回、ジャイロ効果の参考にさせて頂いた

著書「ジャイロモノレール」は、

今回の記事とは別の例えと更に深い話が書かれています。

オススメの著書なので是非一度読んでみると、

面白いですよ。

著者の森 博嗣 さんは「スカイ・クロラ」等も

有名ですね。

引用 ジャイロモノレール (幻冬舎新書)

著者:森 博嗣 

歳差運動

コマの軸の部分の動きを見てみましょう。

下のイラストは軸の接地面

拡大イラストです。

地面に対して軸の位置は円を描き

動きます。

コレを歳差運動と呼びます。

以前ダンシングの記事で、

ホイールを両手に持ち

ホイールの振れについて感じてみようと言う記事を書きました。

このフレこそ歳差運動の正体です。

歳差運動の動きがわかれば

ダンシングの動きの軌道のコツを掴めるかもしれませんよ。

ジャイロ効果と自転車

自転車を傾けると

先程までのジャイロ効果の話を自転車に移して見ましょう。

自転車をコーナーで曲がるときに、

身体だけを倒します。

すると、

イラスト、ホイールの赤いマルがコマで言うところの、

力の入れ始めた場所になります。

90度進んだ場所に力は作用します。

ホイール緑のマル部分に力が入ることで、

自然と傾けるだけで、

曲がっていくはずです。

回転椅子に座った状態でホイールを回します。

その状態でホイールを傾けてみましょう。

傾けた方向に椅子は回転するはずです。

椅子の摩擦力とホイール回転数やトルク次第で回らない可能性もあります。

遠心力とジャイロ効果

ジャイロ効果で内側に傾く力が発生します。

それと同時にコーナーを曲がる時に発生する力が、

慣性力ですね。

水の入ったバケツを手で回すと

こぼれない実験見たことあると思います。

ジャイロ効果とは反対の力がかかる分けですが、

キレイにコーナーを回るコツは、

「慣性力とジャイロ効果を感じながら荷重をかけるとうまく回れる」

という事になるかもしれませんね。

少し話が膨らみすぎますが、

荷重のかける位置を勉強していくと数学のベクトルに到達します。

先程の歳差運動もコマは回転を続けますが、

回転数が落ちてくると、

倒れる方向のベクトルが勝った時に倒れます。

コーナー曲がる時もジャイロ効果と慣性力、摩擦力の釣り合いが取れないと

スリップにつながると言うことです。

*因みに要因はそれだけではありません。

自転車には優秀な姿勢制御装置「人」が搭載されている

ジャイロモノレールは1つのレールを倒れず

走るモノレールと書きました。

内部にジンバルと言うジャイロ効果を

発動するための装置が入っています。

コマと同じくその場で静止するだけなら、

これだけで倒れずにいられます。

ただし、走り始める反復元力がないと倒れずに走る事が出来ません。

反復応力を利用したウエイトやバネを付けたものや、

ジンバルを2つ反対方向に回転させてバランスを取ったもの色々思考されてます。

これが自転車の場合、人という優秀な制御装置となります。

因みに、ジャイロモノレールの難しさは前輪が固定されている所にあるので、

条件は少し違います。

前輪が固定された自転車優秀な制御装置の人でも難しいかもw

著書ジャイロモノレール内に紹介されている、

反復応力を制御する仕組みの一つに

軸回転を利用した加力装置というものがあります。

説明は省略しますが、

この仕組を理解した時、

感動を覚えました。

読んでいくと、物理や数学に少し強くなれる気がしますw

倒れない理由はジャイロ効果だけではない

自転車の作りはとてもうまく出来ています。

フロントフォークは固定されてないため、

ジャイロ効果以外でも自然にハンドルが戻るように出来ています。

キャスパー角と言う言葉、

聞き覚えありますか?

コチラの動画イメージ分かりやすいと思います。

今回の記事では深く掘り下げませんが、

キャスター角やトレイル量、

フロントフォークの作りで

操作性は変わってきます。

いつか、この辺りの事も深く記事にしたいと考えています。

ジャイロ効果はロードバイク流派の源流に

ジャイロ効果は

  • 荷重のかけ方
  • 歳差運動の動きによ振れ

等、ロードバイクの乗り方やペダリング姿勢に関わって来ると思います。

乗り方の捉え方も皆さん色々持たれてたり、

流派も色々ありますね。

もしかしたら、ジャイロ効果のアプローチを発展させた

ものも幾つかありそうですね。

ジャイロ効果以外も倒れない法則

ジャイロ効果以外も転倒する理由はあります。

  • キャスター角
  • 重心の関係

ジャイロ効果以外の法則を

説明しています。

よければ面白いので、

ご参考ください。

まとめ

ジャイロ効果の説明をしてきましたが、

単純なようで複雑だと思います。

分かったようで、細かいところは疑問が残ると思います。

しかし、概要が分かれば自転車生活のヒントになる可能性はあると思います。

ちょっとした知識を考えるのも楽しいですしね。

皆さんの良き自転車生活の一助に慣ればと思います(^^)

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