自転車のホークについて

Question

自転車のホークが、前方に傾いていることと、先が前方に曲がっていることで、なぜ走行の安定性が増し、ハンドル操作が楽になるのでしょう？
現在教育実習中で、自転車の説明文を中学二年生に教えることになっています。そこでホークに関する説明があるのですが、事実が書いてあるだけでなぜそうなのか、物理的によくわかりません。国語の授業なのですが、生徒から疑問が出たので答えてあげたいのです。できれば中学生になんとなくでもわかるように教えてあげたいのですが…詳しい方、是非ぜひ教えてください！！

Bong · Accepted Answer

これを図を使わずに説明するのはとても困難で、私の説明でわかっていただけるか自信がないのですが。私は自動車の本に載っていた図入りの解説を見て、理解するまでに１０分以上かかりました(^_^;)

フォークの傾きについて。
まず、説明しやすいように、自転車を右側から見てホイールの上端を12時、下端（＝タイヤの接地点）を6時、後端を9時という風に時計になぞらえて呼ぶことにします。
ブレーキをしっかりかけて前輪をロックした状態で、ホイールの9時の位置を後ろ向きに引っ張ります。フォークは簡単に前を向きますね。同じようにして、8時、7時、6時・・・と徐々に引っ張る点を少しずつずらしながら、各点を後ろ向きに引っ張ると、やはりフォークは前に向きますが、だんだん強い力が必要になってきます。最終的にフォークの軸の延長線上（普通の自転車なら5時半くらいの位置)ではフォークはどっちにも動かず、それを境に4時、3時の位置を後ろ向きに引っ張ると、フォークは逆にどちらかに回ろうとしますね。
自転車が走っている時、タイヤは抵抗を受けて、常に接地点で後ろ向きの力を発生しています。つまり、6時の位置をタイヤの転がり抵抗分の力で後ろ向きに引っ張っているのと同じ状態です。
フォークの軸から離れれば離れるほど、小さな力でフォークは回ります。つまり、7時の位置より8時の位置を引っ張る方が小さな力でフォークが回りますよね。逆に、同じ6時の位置を引っ張っても、フォークが傾けば傾くほどフォークの軸からタイヤの接地点が遠くなり、より安定するのです。

フォークの先の曲げについて。
まず、用語説明。フォークの回転軸からホイールの中心（つまりホイールがフォークに取り付けられている点）がどれだけ前方にずれているかをオフセットといいます。
まったくまっすぐなフォーク（オフセット＝０）だと、ハンドルを切ってもホイールはただその場で左右を向くだけですが、フォークの先が曲がっていると、ホイールはフォークの回転軸を中心としたオフセットの半径の円を描くように動きます。つまり、先の曲がったフォークでは、フォークを回す力だけでなくホイール自体を動かす力が必要なので、回すのにより大きな力が必要となります。逆に言うと、回りにくい、つまり、安定性が増すのです。

いずれも、前輪がふらつくのを抑える効果があるのであって、自転車自体をまっすぐ走らせるようにしている訳ではありません。まっすぐ走っている時はまっすぐ、曲がっている時はその角度を維持するように働く力です。「ハンドルの動きを鈍くする」といえば適当でしょうか。
乗っている人間からすると、まっすぐ走っている時に安定するというイメージが強いので「直進安定性がいい」と言うことが多いですが、それだけでなく、直進から急に曲がろうとする時、曲がっている状態から急に直進に移ろうとする時の動作も鈍くなります。ですから、上級者は動作の機敏なフォークの傾きとオフセットの小さいものを好む人が多くなります。

dickzickさんの回答にあるように、ホイールベース（前輪と後輪の間隔）が伸びることで安定性が増すという二次的な効果もあります。

以上、非常にわかりにくい説明で申し訳ありません。
他人に何かを説明するという作業、本当に大変ですよね。先生という職業を尊敬しています。がんばっていい先生になってください。

参考図書：自動車用語ハンドブック  GP企画センター編 グランプリ出版

dickzick · Answer

一応、自転車乗りなので
参考になるかどうかわかりませんが、イメージ的な事を。
バイクでも車でも自転車でも同様な事が言えるのですが、
タイヤとタイヤの間隔が短いほど回りやすいって判りますか？
つまり小さい車ほど小回りが利き、大きな長い車ほど小回りが利かない。
多分そこは中学生でもイメージが湧くと思います。
小回りが利かないという事は、
反対に言うと真っ直ぐ走りやすい＝走行の安定が増す、という風には取れないでしょうか？
例をあげると一輪車とダンプの様なものです。
さらにフロントフォークの先端を曲げることでタイヤの間隔を広く取れるようになり、おまけに振動を吸収してくれます。
以上の副作用でフロントフォーク自体が長くなります。
そうするとハンドルが重くなります。
（すいません、ここは上手く説明できません）
ハンドルが重くなると、手放し運転しても真っ直ぐに進みやすくなります。
ハンドルがふらつかないから操作は楽になるでしょう。
全然、物理的な説明でなくてすいません。

聞いた話ですが、
初期の自転車（一輪車の真後ろに小さな補助輪が一個あった感じ）はフロントフォークは地面に垂直についていたそうです。
しかし、そのころの道はでこぼこだったので、重心が前の方にあった為によく前方へひっくり帰っていたそうです。

自転車は、色んな部分の素材、角度等が少しでも変わるとその性格を変えてしまいます。奥が深いですよね。
そのおかげで自転車競技車には一台５０万円を超えるものもあります。
もっと詳しいことが知りたければ自転車屋さんに行ってみるのがよろしいかと思います。
出来れば自転車競技車それもロードバイクを取り扱っているお店がよいかと思います。

参考URL：http://www.bscycle.co.jp/catalog/folding-compact/moulton3.html

noname#2063 · Answer

やはり、力のモーメントとベクトル成分で説明するしかないと思います。

ハンドルの支点と前輪の中心を直線で結び、その直線を対角とする垂直と水平の線で四角を作る。
四角の垂直方向は重力、水平方向は前方への成分となり、それが長いほど直進性が増すけど、逆に曲がり難くなるというわけですよね。

一輪車を例にすると、イメージしやすいかもしれません。
体の重心と車輪の中心を直線で結ぶと、前に進む時には重心が前に移動しているのでやはり四角形ができますよね。
その場合、水平方向は前に進む成分となるわけです。

また、ホークの先は細く、前に曲がっているのは、先端をより曲がり易くすることでショックアブソーバの役目を持っています。

自転車のホークについて

これを図を使わずに説明するのはとても困難で、私の説明でわかっていただけるか自信がないのですが。

一応、自転車乗りなので

やはり、力のモーメントとベクトル成分で説明するしかないと思います。

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