二輪車が倒れない理由

Question

とても不思議です。一定以上の速度を出すとよっぽどの事が無い限り転倒しなくなります。
その理由として思いつく限りで２つあります。
１、車輪が回転すると安定する
２、スピードが出ると安定する

１が正しいとした時の実験を考えると、二輪車のサドル辺りにもう一輪取り付け、一定以上の速度で回転すると静止してても転倒しなくなるということになりますが、頭の中では転倒しそうです。（３輪目は他のタイヤを平行移動した状態）
２が正しいとした時の実験を考えると、車輪は使えない為スケートの刃を取り付けた重りをつけた無人の自転車を一定速度以上で押し出します。しかし、これも転倒しそうです。
スケートは滑れるのですが、静止時と走行時の片足立ちの難度はあまり変わりなかった気がします。

なぜだか分かる方いらっしゃいましたら回答お願いします。

Yosha · Accepted Answer

Yoshaです。

>昔バイクの教習で習ったんですが、「転びそうになったらクラッチを離せ（アクセルを開けろ）」と言われ、確かにバイクが起き上がるんです。
>一本橋で明らかにバランスが崩れたのに持ち直せるんです。曲がって無いのでコーナリング力は殆どなさそうだし、タイヤも殆ど回ってないのでジャイロも期待できない上に、ジャイロだとしても既に傾いているのだから持ち直す方が不思議です。
>転びそうになったらクラッチを離す（アクセルを開ける）と車体が起きる原因はなんでしょうか

「タイヤも殆ど回ってない」状態で「バランスが崩れたのに」「クラッチを離せ」ば「持ち直せるんです」か？

半クラ状態から「クラッチを離せ（アクセルを開けろ）」ですか？

それなら、クラッチ切ったまたは半クラの状態で非常にゆっくりと走らせているときに、転びそうになったのでアクセルを開いて瞬間的にクラッチを離した(つないだ)。
通常、転倒しないように無意識のうちにハンドル切るので、車はわずかの動きであってもアクセルを開いているため前輪(支点)が素早く動き、車体は起き上がろうとする・・・と考えられる。

ほかに、バイクのダートレースで旋回中、内側に倒れそうになったときに、急にアクセルを戻すと後輪のドリフト量がなくなり、車体が起き上がり、外側に飛ばされ非常に危険だとプロレーサーから手ほどきを受けました。ハードコースでもこの傾向はあると思います。
しかし、この話ではないですね？

YHU00444 · Answer

ANo.9の補足です。

車が曲がっているとき、タイヤの転がりの方向と実際のタイヤの進行方向との間には一定のズレがあります。これを「スリップアングル（スリップ角）」といいますが、コーナーリング力は、このスリップ角と速度の積に比例しています。（これはタイヤがスリップ角によって引きずられる量を考えると分かり易い）
速度を上げるほど二輪車が安定するのはこの理由ですね。
※一方で横風の影響が大きくなる理由も、このスリップ角×速度の関係で考えることができるかと思います（説明は省略）

ちなみに、一連のメカニズムは乗り手の意識に関係なく作用しますから、乗り手は余計なことをせず、肩の力を抜いてバイクに任せてOKです。（そうでなければオンロードバイクは最初から存在できない）

YHU00444 · Answer

ANo.5の者ですが、↓について説明します。
>昔バイクの教習で習ったんですが、「転びそうになったらクラッチを離せ（アクセルを開けろ）」と言われ、確かにバイクが起き上がるんです。

これは二輪車のセルフステアを理解する方が話が早いです。

まず、セルフステアが適切に働くには色々な条件があります。

(1).「ヘッドアングル（ヘッド角）やフォークオフセットが適切に設定されて、望ましいトレール量が常に得られていること。」

たとえば自転車のヘッドパーツが緩んでしまうと自転車の操縦安定性が極めて悪くなってしまうのですが、これは、ヘッド角のバラツキによるトレール量のわずかな変化でもハンドリングに重大な影響を与えてしまうからです。（だからこそ「ヘッドパーツ」などと、ご大層な名前が付いているのでして）

※ちなみに模型バイクの場合は、このヘッド角やトレールがメチャクチャですから（そもそもヘッド角が90度だったりする！）、わざと不安定にしないと全く曲がらないハズです。

(2).車両の回転系（ホイール）と非回転系（バイクや乗員）の質量（モーメント）の比率がそれなりの比におさまっていること。

そもそもセルフステアというのは、ヘッド角とフォークオフセットの幾何的な関係で決まるものなので、回転系のジャイロ効果はむしろそれを抑制する方向に働きます。
ですから、それを押さえ込んでセルフステアを働かせるためには、非回転系の質量が回転系のそれに比して十分大きくなくてはなりません。
しかしその一方、ホイールを大きくするとジャイロ効果でホイールの回転が安定して外乱に強くなりますし、幾何的に転がり抵抗の減少も期待できますので（たとえば路面のギャップに対する影響はホイール径にほぼ反比例する）、よって回転系のマスは「大き過ぎず、小さ過ぎず」が望ましいわけです。

(3).タイヤが程良く転がって安定したコーナーリング力を得られること。

そもそもタイヤの摩擦力はタイヤ表面の分子の接触もさることながら、タイヤのゴムが路面の凸凹をマクロに捉えて横方向の力に変化させる効果によるところが非常に大きいのです。
これを「ヒステリシスロス（ヒステリシス損）」と言いますが、これが適切（リニア）に発生するためにはタイヤのゴムを押し潰す力の入力がそれなりに速くなければならないのです。
※もしこれが非常に遅いと、ゴムが潰れきってしまってタイヤが変形してしまうので、マトモなコーナーリング力は発生しなくなってしまう。（ちなみに起動抵抗の正体もコレ）

ということで、コーナーリングである程度の速度を維持しなければならないのは、ひとえに「タイヤの物理的な性能の限界」によるものです。
だから、どんな微小な入力にもリニアに応答する完全で理想的な材料があればこの問題は起きないことになりますが、それは無理な話なので、適材適所に最適の設計をしてそれぞれの理想を追求してやるわけです。
※もっとも、物理的な限界はどうしようもない面があります。たとえば自転車のロードレーサーは極めてシャープな操縦性を持っていますが、オートバイで全く同等のハンドリングを得るのは絶対に不可能でしょう。

Yosha · Answer

No.4です。まだ締め切られていないので、納得されてないものとして追記します。(長文ですみません)

>１、車輪が回転すると安定する

これで思い出すのが、ジャイロ効果です。
ジャイロ(コマ)の回転軸を傾けような力を加えると、コマの回転方向に９０度先行した場所に同じ方向の力を加えたときと同じよう効果が発生(慣性の法則により)しその方向に倒れようとします。
そうするとその発生した力に対してまた同様な力が発生し、結果的にコマの軸の傾きは円をえがくように振れます。これをジャイロのプリセッション(みそすり運動・歳差運動)と呼んでいます。
ジャイロの回転数が早くなるとこの力は強くなり、軸の方向は宇宙空間に対して一定の方向を維持するようになります。

さて、自転車の車輪についてジャイロ効果を考えてみましょう。確かに、前輪も回転しているので、強弱はともかくジャイロ効果は発生します。
走行中、車体を左に傾けてみます。プリセッションは前輪(ハンドルを)左に向ける(切る)ような力が働きます。右に傾けた場合は逆です。
これは、ある意味で、自転車を自立させようとする(元の状態に戻そうとする)方向に働きます。

今度は、ハンドルを左に切った場合は、車軸を上から見て左に回転する力を加えることは車輪の前方を左に(後方を右に)押したことになります。そうするとプリセッションにより、９０度先行した位置つまり車輪の下を左に(車輪の上を右に)押した力が働き、車輪(車体)を右に倒す(元の状態に戻そうとする)ような力が働きます。
ハンドルを右に切った場合は、全くこの反対に車体を左に傾ける(元の状態に戻そうとする)ような力が働きます。

実際には、前段の現象と、後段の現象とが連続的に起きます。
仮に、ハンドルが何らかの原因で左に振られたとします。そうするとプリセッションで車体が右に傾きます。その力が、ハンドルを右に向けようとします。右に向けられると車体は左に傾きます。つまり一巡して元の状態に戻り、これを繰り返します。車輪のプリセッションが強い場合はこの力が大きくなり、ハンドルを重くしたのと結果的に同じ効果が現れます。車体を自立させようとする直接的な力は現れないことになります。

いずれにしても、ジャイロのプリセッションは今の状態を維持し続けようとするのだということは間違いありません。

今までの話は、自転車が直立した状態からスタートしているので、ある意味で、自立ともいえます。

しかし、傾いた状態からスタートすれば、どうでしょう。
ジャイロのプリセッションは現状を維持しようとします。ということは、傾いたら傾きっぱなしだということになります。

このように、一方的な見地からの話として、直立した自転車はジャイロのプリセッションで直立(自立)したままを維持するとはいえますが、完全直立の条件はすぐ崩れます。完全な直立以外からの自立(復元)はあり得ないので、一般的にジャイロのプリセッションは自転車を倒れ難くさせる効果はあるが、自立させるとはいえません。

言い換えると、ジャイロの自立効果で自転車を自立させることはあり得ない、ジャイロの自立効果で自転車が倒れないという発想自体が間違っているともいえます。

>１が正しいとした時の実験を考えると、二輪車のサドル辺りにもう一輪取り付け・・・(思考１.)

こうして取り付けられたジャイロのプリセッションは、そのジャイロの回転方向が車輪のそれと同じとしたら、車体を左右に傾けた場合のプリセッションは、ジャイロには上から見て右左に捻じるような力が働きます。車体に固定しているので前輪にキャスターがついているから多少ハンドルを左右に振るかもしれませんが影響は大きくありません。
しかし、左右に方向を変えようとすると別です。車体を右左に倒す力が強く働き、まず転倒します。
ジャイロの軸が宇宙空間に対して不変であるという性質を利用するにはジャイロの軸が自由であるというのが前提です。
したがって、「設問１.」と「思考１.」は、自転車が静止した場合のみ有効であって、動いたらジャイロの自立効果というもので自転車がず～っと自立することはあり得ません。

ジャイロをセンサーとしてジャイロ軸には何の力も作用することがない状態で、サーボなどを介して利用するのが、本来の使い方です。
逆の言い方をすれば、ジャイロの軸にかかる力を直接的に利用しようと考えた段階で、もはやジャイロの自立効果は期待できないということです。

>２、スピードが出ると安定する

２輪車が自立しているのは、運転している人がハンドルを操作して自立させているためで、決して自転車そのものが自立する訳ではありません。倒れ難くするというのはあります。

模型２輪車をラジコンで運転する場合、例えば、左に行こうとすると、先ずハンドルを右に切ります。２輪車は左に倒れようとします。それ以上倒れないようにハンドルを左に切り、その後ハンドルを左右にうまく調節して適当(適切)な傾きを維持するようにします。直進に戻るときは、一旦左にハンドルを強く切り(
今の傾きより右に倒し)直立させます。

人は無意識のうちに上と同じ(旋回に入る初期と最後に車体を傾けるのに、主にハンドルで行うか重心の移動で行うかの違いはありますが)方法をとっています。

スピードが上がることは、車輪のプリセッションが強くなりますのでその状態を保持しようとする力は強くなリます。いったん、軸が傾いたら傾いたまま保持しようとしますので、自立(直立)する力が働くことはありません。
スピードが自立に貢献するのは自転車が直立している間のみだといえます。

それより、ハンドルの動きに対する前輪の地面との左右の動きの量が増大しますので、ほんのわずかのハンドルの動きで自立に要する支点の移動が可能なのと、次のキャスターがついているためハンドルの動きも少なくなり安定しているように感じるのだと思います。

ハンドルの動きの安定は、前輪に適度のキャスター角というものが付けてあるためです。(台車(キャスター)の下についているコロが押す方向に自然にくるくると向きが変わるように作ってあるもの)
これで、ハンドルが横を向いていても前進させるとハンドルが自然に前方に向きます。キャスター角が付いていない自転車においては、運転手が自分でハンドルを向けるべき方向に正確に操作しないと転倒するので大変です。手放し運転なんて絶対できません。
また、動いているとき、車体を傾けると傾いた方向にハンドルが自然に切られるれますので、ハンドルを軽く握って(あるいは、手放しで)も、体重移動などである程度行きたい方にハンドルが自動的に向きますので運転が楽になります。自動車も同じです(４輪ですから直進性)。
高速になるとタイアの実効接地点が後方に移動するため、キャスター角が多くなったと同じ効果が発生します。しかし、強すぎるとハンドルがぶれますので高速車(レース用自転車など)では小さくしてあります。
このキャスターは、確かに自転車を倒れ難くする方に作用しますが、自立させるまでには至りません。あくまで運転を楽にするのが第１義(付属的に転倒防止)で自立させるのが主ではありません。

>スケートの刃を取り付けた重りをつけた無人の自転車を・・・

例えば、車体の傾きによるハンドルの傾斜方向への切り込み量などを適切に設計されたものであれば、かなりいい線をいくと思います。しかしプリセションが発生しないので、多少倒れ易いとは思いますが、スケートにした場合車輪とは別の作用が発生する可能性も否定できず、詳しい実験をしない限りどちらともいえないと思います。

>静止時と走行時の片足立ちの難度・・・
片足立ちは、一輪車と同じで２輪車とでは、しくみが全く違いますので、比較はできません。
しかし、静止時と走行時との比較でしたら、間違いなく走行時の方が転倒し難いといえます。長い下り坂を片足で滑る場合を考えてみてください。脚の力が続く限り５分でも１０分でも否１時間でも転倒しないでおれるでしょう。１輪車でも２輪車でも同じで、一般的に、支点を動かさず体自身の体重移動で転倒を防止するより、支点を動かして転倒を防止する方法の方がはるかに易しいものです。

>二輪車が倒れない理由
>一定以上の速度を出すとよっぽどの事が無い限り転倒しなくなります

私の結論。
「速度を出すと前輪の(後輪も多少影響あります)プリセッションが強くなり、直立している場合には、ある程度倒れ難くなります」。
「高速になれば、ハンドルのわずかな操作で瞬時に傾きを修正できる」。
しかし、何かの理由で前輪が必要以上に振られる(切られる)と、いとも簡単に(低速時より)転倒します。
「前輪のプリセッションの増加は、ハンドルの動きを重くすると考えられ、大きなハンドルの動きが抑えられ、不意のハンドルブレを防止し結果的に転倒を防ぐ効果がある」と考えられます。

いずれにしろ、二輪車が倒れない理由は、「運転者がハンドル操作で、倒れないように自転車の支点(前輪タイアの軌道)を左右に移動している」からで、プリセッションもスピードも直接自立に結び付くとは考えにくい。

ewyr-05 · Answer

他の方の回答を良く読み、１０円玉を速度を変えて転がして下さい。
これがジャイロの自立効果です。＾＾

自転車のハンドルは、まっすぐに固定して実験しましょうね。

YHU00444 · Answer

物理卒の自転車乗りの視点で考えてみると、これは1と2の両方の効果が組合わさって安定しているのだろうと思います。

と言いますのも、二輪車にはトレールと呼ばれる前輪の配置に関する量（長さ）が存在しまして、これによって、傾きに対して前輪を一定程度に傾けたり（セルフステア）、前輪の乱れを収束させるようになっています。
※これは適当な自転車で車体を「わずかに」傾けてみれば解りやすい。

実は、このセルフステアの作用こそが二輪車を安定して立たせている正体でして、車体の傾斜に対して前輪が自動的に切れ込んでコーナーリング力を発生させ、これが車輪を立たせるプリセッションを与えながら車体を重心に潜り込ませる（結果として車体は立ち直る）、という一連の流れが「自動的に」働くことで二輪車は「立つ」わけです。
（一輪車にはこれが無いため、人間がこまめに車輪の傾きを変えて修正しなければならない）

※また、このトレールは外乱に対する収束性とも密接に関係していますので安定側に取る必要があるのですが（たとえば収束性が悪いと曲がった（傾いた）瞬間に吹っ飛んだりしてしまう）、かといってあまりガチガチにしてしまうと全く曲がれなくなってしまいますので、ある程度のところで収める必要があります。

ということで、セルフステアが適切に働くには「適切なコーナーリング力の発生（2に関係）」「ジャイロ効果による車輪の歳差と安定（1に関係）」の両者が必要不可欠なのですね。

ちなみに、自転車の中には「小径車」と呼ばれるホイール径20インチ以下のものが存在しますが（中には14～8インチのものもあります）、これは普通に走る分には操縦安定性は（普通の自転車と比べて）ほとんど変わらないのですが、一定以上の外乱に対して破綻しやすいという両極端な性能を持ちます。
これも、車輪径が小さいためにジャイロによる作用が働きにくいこと、トレール量が大きく取れないので安定領域が狭いことによる影響と考えられます。（自転車を傾けていくと突然ハンドルが切れ込むことがありますが、アレが不安定領域です）

Yosha · Answer

>車輪が回転すると安定する
>もう一輪取り付け、一定以上の速度で回転すると静止してても転倒しなくなるということになりますが

車輪が回転するとジャイロ効果が発生しますが、これで転倒しないほどの効果を出すためにはかなり重い車輪を高速で回転させることが必要です。通常の車輪で通常の回転速度では、無理です。
また、仮に静止できるほどのジャイロ(回転体)をタイヤに平行につけたとしても、今度は方向を変えようとハンドルを切ったら本来の意味でのジャイロ効果で力が転倒する方向に働き(この力が連続的に発生しジャイロを自立させています)、たちどころに転倒します。
ということで、車輪のジャイロ効果は走行に邪魔になるだけです。

>スピードが出ると安定する

「スピード」は、直接的には安定に寄与していません。

自転車(２輪車または1輪車)とか、スケートの片足滑りとか、野球のバットなどの棒を手の上で立てるなどの支点が１点またはそれに相当する場合の安定について、ちょっと考えて見ましょう。

手の上で棒をたてることは多くの人が経験していると思います。特に野球のバットを手の上で立てようとしたとき、重いほうを上にした方が、下にした方より簡単に立てれることを知っていることと思います。
普通、重心は低い方が安定していると言うのが常識ですが、これは３輪車とか四輪自動車とかの話でっす。
二輪車の場合は、逆に重心が高いほど安定しますが、操縦性(左右に曲がる)は悪くなってきます。
この点はよく誤解されています。モトクロスで選手が皆立って自転車を操っているのは重心を高くして安定させるためもあります。

棒とか、２輪車とかを安定させるにはどうしているかといえば、倒れようとした方向へ支点を移動させて、常に重心の直下へ支点を持ってくるという動作が必要となります。
理解し易いように棒の場合でいいますと、長い棒(重心位置が高い)と短い(重心位置が低い)棒とでは、長い棒の方が倒れにくいのは直感的に(経験上)分かります。

重心位置が高いと、重心が少し移動したとき倒れようとする方向への分力が重心位置が低い場合より小さくいのでゆっくりと倒れようとします。倒れないようにするための手(支点)の移動をゆっくりしても追いつき、重心と手(支点)の「ずれ」もあまり問題とならないため立て直しが容易です。
これに反して、重心位置が低い場合は、重心の移動が少しでも棒が早く倒れようとするため、重心の直下まで手を素早く動かさなくてはならず、またその「ずれ」を最小限にしなければならないので、難しくなります。

二輪車の場合、スピードが早い方が、わずかのハンドルの動きで、車輪の接地位置(支点)の素早い移動が可能になりますので、自立し易いのです。
前後輪が、車輪であろうが、スキー、スケートであろうが自立に関しては同じことです。自立(動的)と安定(静的)とは別の話です。
「スピードが出ると安定する」は、この自立し易いことを指しているのです。

ht1914 · Answer

自転車の車輪のようなもので軸の部分を持って車輪を回転させることの出来るものがあればいいのですが。
シャフトを両手でもって立って下さい。車輪を誰かに回してもらいます。充分に回ったらシャフトを持ったままで右か左に向きを変えて下さい。車輪が回転していないときは何の抵抗もなく向きを変えることが出来るはずですが回転していると抵抗があります。向きを変える変わりに両手をハンドルを回すように上下の位置に持っていっても抵抗があります。
回転している物体は回転軸の方向と回転速度を一定に保つような働きがあります。この方向を変えるためには力が必要です。

kovalin · Answer

確かに考えてみると不思議な現象ですね。
二輪車に限らず、一輪車やスケートの場合でも、あなたのおっしゃる「２」の理由で倒れないのだと思います。
その理由は、ある速度を持って進行する物体に対し、重力などの外力が働いて倒れようとするとき、物体の軌道は曲げられますが、曲がることによって速度に比例(？)した外向きの加速度が働き(軌道が円運動の一部のような軌道になるため)、その結果外力が打ち消されるからだと思います。

furu-tu2003 · Answer

簡単に言えば「コマ」が倒れないのと同じ原理ですが、
詳しくは
http://www005.upp.so-net.ne.jp/yoshida_n/qa_a38.htm
に書かれています。

二輪車が倒れない理由

Yoshaです。

ANo.9の補足です。

ANo.5の者ですが、↓について説明します。

No.4です。

他の方の回答を良く読み、１０円玉を速度を変えて転がして下さい。

物理卒の自転車乗りの視点で考えてみると、これは1と2の両方の効果が組合わさって安定しているのだろうと思います。

>車輪が回転すると安定する

自転車の車輪のようなもので軸の部分を持って車輪を回転させることの出来るものがあればいいのですが。

確かに考えてみると不思議な現象ですね。

簡単に言えば「コマ」が倒れないのと同じ原理ですが、

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