後輪ロックでスピンする理由

二輪車だと、前後で独立したブレーキになっています。
乗っている方は経験していると思いますが、
ブレーキを掛ける時、前輪を強めに（早目に）かけるとうまく止まれますが、後輪に偏ったきかせかたをすると、スピンして後輪が前にでてしまいます。

たとえ雪道であっても、ころがり摩擦のほうが小さいと思うのですが、「ロックした後輪」が「回転している前輪」より前に進むのはどういう理屈でしょうか。

No.26 ベストアンサー 回答者： joshua01 回答日時： 2002/04/26 22:13

こんにちは。

No21のjoshua01です。
Yanronさんのご説明でもお分かりかもしれませんが、ちょっと補強を。
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　ここなんですが、前輪が減速する原因が何（何の抵抗）なのでしょうか。
「地面との摩擦」では後輪の滑り摩擦以上の摩擦が転がり摩擦で発生するはずがないと思うのですが・・。（２台の車を、１台は４輪ブレーキでスリップさせ、１台はニュートラルで・・、そりゃスリップしてもブレーキかけたほうが早くとまるでしょう）
******
いよいよポイントが絞れて来ましたね。
概ねご理解のとおり、バイクの車体が道路（進行方向）に対して完全に横を向いてしまっても、上手なカウンターを当てることにより、前輪を完全に進行方向に向けることができれば、前輪が先に進み、車体を進行方向に進むよう、立て直すことができます。
　しかし、体勢が崩れた中でそれはなかなか難しいこと。例えば、時速72km（秒速20m）でスライド中に前輪の方向が進行方向から20度ずれた場合、前輪は斜めに進もうとして進行方向での速度はCOS(20°)に当たる分遅くなり、完全に滑っている状態に対して秒速約２mの割合で遅れることになります。ここまでくると滑ってしまったほうがましともいえるでしょう。後輪は減速しつつも前輪を追い越してしまうのです。
さて、いよいよご理解に役立つでしょうか。

この回答への補足

GW中、たいした実験ができなかったのですが、
「前輪回転フリー」の台車、ってのは、意外に（でもないか）、最初から真直ぐすすまないんですね。

それで、ローラースケートで遊んでいる近所の子で実験（というか、観察しただけ。）
左足で滑走して右足でブレーキ（車輪とブレーキゴムの材質は同じらしい）をかけると、右の方は「スリップ」状態ですべり摩擦。左足はフリーで直進しようとするのですが、

体の重心と、左右のスケートが一直線には並ばないから、ある程度以上の制動をかけるとスピンします。
どうも、制動をかけたほうの右足に引っ張られて、フリーの右足が回転するようです。

車の場合、最初には、後輪が前輪を引っ張るような力でフリーの前輪の方向をブレさせ、
ある程度、方向がずれて、進行方向とタイヤの方向が違うようになると、いままでの回答にあったようにグリップ力が抵抗になる、ということを考えています。

「ひまなときに」という質問でたくさんご回答くださったみなさん、ありがとうございます。この場でまとめてお礼させていただきます。

補足日時：2002/05/20 13:47

この回答へのお礼

皆様方、何度もご足労いただいて申し訳ありません。
とりあえず、「前輪がどっち向きにもまわる実験装置（台車）」を作って、「常に前を向いている装置」との差を確認してみたいと思います。

ベアリングみたいな前輪をつくるのは難しいけど、方向自由のキャスター車輪ではどうでしょうね。

坂道を降下しながら、途中で後輪がロックする装置、というのは、なんとか、考えつきました。坂の角度でスリップはさせられるでしょう。

なお、車体が進行方向に２０度傾いた場合に、20ｍ/ｓに対して2ｍ/ｓで「１割」減速ですが、スリップしたら１割も減速できないんでしょうか。
２０度傾けようとすれば、「横方向」にもそれだけの速度を出すわけだから、ほとんど減速しないことになります。だいたい、「傾くから前輪にブレーキがかかる」まえに、「傾くためには横方向に力」が必要です。たとえば「５度」の時点で、横方向と前方向で、横方向を広げる方向に速度差がでるのかどうか・・。

お礼日時：2002/04/27 23:10

No.25 回答者： yanron 回答日時： 2002/04/26 19:09

普通の手押し台車で考えてください。

　台車で自由輪を後ろ（手元側）にし、固定輪を前に（向う側）した状態（通常の使い方とは逆向き）でエイッヤっと、台車を押し出す場合。
　運転手がハンドルをガッチリ握り締めた状態で、後輪がロックしてスピンモード状態に突入した車の状態。
【上記の２つの状況はほぼ同じなのです】

すなわち、後ろが自由輪の場合の台車で説明すると。
　僅かな傾き・振動・歪みや押す力の方向のズレにより通常、台車はスタート時から徐々に進路を変え始めます。
　わかりやすくするために、後輪（自由輪）が左に振れ始めたと仮定しましょう。
　この時、直進しようとする前輪（固定輪）は進路を変え始めた後輪（自由輪）により進路を右方向に歪められます
　進路を歪められた前輪は台車の直進しようとする慣性と角度を持つことになり、タイヤには斜め方向の力が掛かり、摩擦抵抗が発生します。
　発生した抵抗により前輪は減速しつつ、右方向に進みますが、後輪は自由輪であるために最初に与えられた慣性を保ちながら前進を続けようとします。
　この時台車は、抵抗により減速しつつ本来の進行方向とは違った角度に進むが、後輪は前輪の抵抗により慣性の方向が前輪の進行方向とは逆の左側にズレはじめます。
　慣性の方向と角度が大きくなるにつれ、前輪に対し斜めに押される力の角度は浅い角度から深い角度に変化する事で抵抗も増大し、減速度も増します。
　減速度が増す事により慣性の方向はさらに左へ変化します。
前輪の減速と慣性の方向の変化は同時且つ、相乗効果により加速度的に進みます。尚且つ、前輪の減速が進み、慣性の方向が左に変り続けると、更に前輪を回転軸として遠心力も発生するでしょう。

台車の自由輪である後輪を「ロックして滑り出した車の後輪」に当てはめ、
最初に与えられた慣性とは違う角度が大きくなり続ける前輪を「不意の後輪ロックにより運転手がハンドルを握り締めた状態」と考えてください。


転がり摩擦は滑り摩擦より遥に小さいですが、転がっている物はタイヤです。
球体の様に自由に方向が変えられる物とは違い、回転方向が決まっている物です。回転方向とは違う方向の力が掛かれば別の摩擦力が発生し、回転しているタイヤに対して新たな摩擦力はタイヤを減速させる力となります。

No.24 回答者： yanron 回答日時： 2002/04/25 13:05

あれま、そうだったたんですか

でしたら、No.16の蛇足にある台車に関する説明を良く読んでください。

　＞３０ｋｍ/ｈで慣性走行している前輪を、
　＞それ以上の速さで追い越すことは出来ない
　＞（ロックする事で摩擦が下がる事はあっても、「加速」は出来ないでしょう）
　＞とおもいますが。

「３０ｋｍ/ｈで慣性走行している前輪を、
　　　　　　　　それ以上の速さで後輪が追い越す」のではなく。

「滑り摩擦で減速しつつスライドする後輪に以上に
　　　　　　　　前輪が抵抗により減速してしまうのです」
なお且つ
「角度が大きくなるにつれ増大する前輪に対する抵抗による減速と
　　　　慣性により発生する遠心力によって後輪のスライドは加速するでしょう」

この回答へのお礼

＞「滑り摩擦で減速しつつスライドする後輪に以上に
　　　　　　　　前輪が抵抗により減速してしまうのです」
　
　ここなんですが、前輪が減速する原因が何（何の抵抗）なのでしょうか。
「地面との摩擦」では後輪の滑り摩擦以上の摩擦が転がり摩擦で発生するはずがないと思うのですが・・。（２台の車を、１台は４輪ブレーキでスリップさせ、１台はニュートラルで・・、そりゃスリップしてもブレーキかけたほうが早くとまるでしょう）

　そこなんですよね。

お礼日時：2002/04/25 21:15

No.23 回答者： yanron 回答日時： 2002/04/24 19:31

なんだ、良く考えれば答えは出てるじゃぁないですか

No.16のお礼で台車の件で書いていますよね「内容については承知しています」と、
ハンドルを直進で固定した車が後輪のみロックさせた状況と同じじゃないですか。

後輪ロックの際、左右完璧な同時ロックはありえません、
車は僅かにロックが遅れた方に滑り出すでしょう。
ロックした後輪は台車の自由輪と同様に車の進行方向を歪めます、
その結果、ロックした後輪が回転している前輪を追い越すのです。

この場合、
適切なカウンターステアを当てることが出来るなら、
車の軸線が歪んでも、前輪を進行方向（慣性の方向）に向けることになり、
前輪に角度のズレによる抵抗は発生しないので、
ロックした後輪が回転している前輪を追い越すことは出来ません。

現実的には後輪ロックでスピンモードに入るような異常なスピードで
適切なカウンターを当てられる人は少ないでしょう。
（大半の人はハンドルを握り締めて硬直状態になるのでは？）

この回答へのお礼

実験装置がまだですが、
＞No.16のお礼で台車の件で書いていますよね「内容については承知しています」と、
について。

これは単に、荷物を運ぶ台車を動かすのに、後輪のほうを自由回転（車輪の回転でなく、車軸の方向を回転させる）させたほうが「てこの原理」で動かしやすい、という内容でしたので、まったく意味が違います。

３０ｋｍ/ｈで慣性走行している前輪を、それ以上の速さで追い越すことは出来ない（ロックする事で摩擦が下がる事はあっても、「加速」は出来ないでしょう）とおもいますが。

お礼日時：2002/04/24 23:24

No.22 回答者： tez3 回答日時： 2002/04/23 15:13

どうしてそこに戻ってしまうのでしょうか？

nozomi500さんがそう誤解している内は問題は解決しません。

今回は辛口、断定口調で行きます。

＞1について。
「フリー回転している前輪と…ぐらいの違いがあると思います…

思うのは勝手ですが「ありません」。
精々タイヤの太さ、トレッドパターンの違いくらいです。
走行状態、状況によって勝手にグリップの変わるタイヤがあるなら、ぜひ欲しいモンです。

＞2について、
タイヤと路面の摩擦はありますが、…止める作用は無視できる）と考えます。

考えるのは勝手ですが「無視できません」。
クラッチ切った状態で試してみて下さい。自転車でもいいですよ。
経験からの回答であるならば、nozomi500さんはブレーキをしない限り止まらない、すばらしいエコ車両をお持ちだということになります。
登り坂と空気抵抗で止まるのでしょうか？
Fタイヤが車両の自重の上に、接地、回転していることを知って下さい。
浮かしたタイヤを一度回すとブレーキかけるまで止まらないのであれば、この世の物とは思えないベアリングを内蔵しているはずです。譲って下さい。
しつこいようですが、摩擦がなければ決して曲がれません。


＞3について、
Ｆは慣性で…になると思います。

思うのは自由ですが「勘違いしています」。
ハンドルを切らなければ、真直ぐ引き摺られて滑るのです。
飛ぶようであればハンドルが著しく曲がっているか、フレームがよれているか、F/Rの直線軸がずれているか、どれをとっても不良車両です。
Fタイヤがグリップしている限りハンドル切ればバイクは曲がろうとするのです。前への運動を横に持って行くわけですから、当然抵抗がかかります。速度も落ちます。バイクも横を向きます。
摩擦抵抗がなければ（少なければ）、慣性で真直ぐに進もうとします。

以上です。

なお、雪道におけるスリップに関する話題は、不確定要素が多すぎるため、お答えすることはできません。
一つ言えるのは「雪や氷の上でロックしたタイヤが、不意にどこに吹っ飛ぼうが、ある程度以上は知ったこっちゃない。」ということです。

この回答への補足

いろいろ寄せられているのですが、実験装置を作って、確認してみたいと思いますので、しばらく、お礼を待たせてください。

22のご回答に補足させていただくなら、

＞「フリー回転している前輪と…ぐらいの違いがあると思います…
については、制動力についての違いです。同じタイヤであっても、止まっているタイヤと回転しているタイヤの違いですから。

＞タイヤと路面の摩擦はありますが、…止める作用は無視できる）と考えます。
＞考えるのは勝手ですが「無視できません」。
フリー走行でとまるまで、慣性をブレーキなしで摩擦抵抗でとまるのに、何メートル進むか、それとスリップしたタイヤが止まるのに何メートル進むか、の比較では問題にならないでしょう。たぶん、ブレーキかけないと永久に止まれない下り坂でも同じような現象は起きると思います。

左右については、「限界」を超えたところでスリップするわけだから、左右のタイヤが「全く同じ」で限界を迎えるわけがなく（立てたバイクが倒れないほど真直ぐ立っている、とか、磁石の真ん中にある鉄球がどちらにもひきつけられずに真ん中で動かないとか、現実的には起こらないようなバランス）、どちらかの方向にふれるのは不良車両でなくても仕方ないと思います。

それもふくめての実験装置で確認したいと思います。

補足日時：2002/04/24 08:34

No.21 回答者： joshua01 回答日時： 2002/04/22 22:19

こんにちは。

なかなか楽しい議論ですね。
次のような説明ではいかがでしょう。
ポイントは、「静止摩擦は動摩擦よりはるかに大きい」です。
もし、車両が完全に直進方向を向いていれば、（四輪の場合はさらにブレーキの左右のバランスも完全に合っていれば）後輪ロックしても完全に直進できることについては異議はないでしょう。
問題は、わずかでもカーブしていた場合ですね。この場合、前輪にも後輪にもカーブの外側に当たる方向に力（遠心力）がかかっており、通常はタイヤのグリップ力がこれに耐えています。
ここでのポイントは、グリップしているタイヤの接地面は道路に対して「静止」しているということ。
昔、中学校での実験を記憶している方も多いと思いますが、板の上で物を滑らせる場合、滑り始めに一番力が必要で、滑り出すと、（加速にもよりますが）意外と力が要りません。これは、「静止摩擦係数」が「動摩擦係数」に比べてとても大きいためと説明されますよね。（原理的には分子間の結合から表面の振動での接触面の低下など、かなり複雑らしい。）
「道路にグリップしている」タイヤは、道路に対して静止摩擦状態にあり、回転方向に対してわずかでも傾いた方向については、極めて強い摩擦抵抗を持っています。一方、ロックしたタイヤは「動摩擦領域」に入ってしまい、静止摩擦に対して、数分の１しか抵抗力がなくなり、おまけに方向性もなくなってしまいます。この原理は、後輪にパワーをかけすぎてスリップした場合でも概ね同じで、これにより、横方向の力の分担に差が生じ、スピンが起きます。
しかし、これで車体が真横を向いてしまったとしても、もし、前輪が正確に進行方向を向いていれば前輪のほうが進行の抵抗が少なく、後輪が遅れるので車体を直進に戻すことができます。これが
「上手なカウンター」で、上手な２輪レーサーが転倒ぎりぎりのスライド（スピン）から、蛇行しながらも車体を立て直すシーンで実感できるでしょう。ところがなかなかそううまくいかないのが多いですね。理由は概ね２つあります。
ひとつは、車体の回転モーメントの大きさ。１回転に３秒もかかるようなゆっくりとした回転でも、１００Kgを超えるバイクの回転（スピン）を止めるには相当な力が必要で、動摩擦に入ってしまった後輪にこれを期待するのはもともとかなり酷な話です。さらにもうひとつは、前輪の方向。精一杯、上手にカウンターを当てたつもりでも、前輪を進行方向に正確に向けるのは至難の業で、わずかにずれてしまいますが、こうなると「静止摩擦」でグリップしている前輪は、進行方向に対しては後輪より大きな抵抗を生み出し、結局後輪が前輪を追い越してしまいます。
（スピンは、発生するときは前輪の静止摩擦で起きるのに、止める場合は後輪の動摩擦で止めなけりゃいけないのが難しいところ。という理解ですね）
　さてさて、ご説明になりましたことでしょうか。

No.20 回答者： yanron 回答日時： 2002/04/22 17:16

雪道のFF軽四輪で、サイドブレーキを効かしたまま発進した場合。

道路は通常、排水させるためかまぼこ状になっているので、
後輪ロックで進み出すと後輪は側溝側に滑っていくでしょう。
駐車場のような比較的平らなところでしたらハンドル操作をしない限り、
真っ直ぐ進むはずです。

後輪ロックで進みだすと、後輪と地面の間に雪が入りこみ非常に滑りやすい状態になるでしょうから、僅かな道路の傾きに反応し低い方へと滑って行く。
しかも、滑り出すと落ち切るまで止まらない可能性が高く、焦って変な操作をするとどうなるか判らないと思う。

雪上の場合、動いている（回転している）タイヤはブロックパターンで水を切り雪に食いつく努力をしますが、ロックしたタイヤはタイヤと雪面の間に水が入りこみハイドロプレーンと同様の状態になるので非常に滑りやすいでしょう。

No.19 回答者： ir-led 回答日時： 2002/04/21 01:05

その軽四，サイドブレーキは，ちゃんと両方効いていたのでしょうか？

片効きだと，加速・減速・惰性，何れの場合でも，後輪が横に流れると思いますが・・。
（加速状態だと，それほどでは無いかも知れません。）

この回答への補足

そのあと、ちゃんと車検は通っていたので、両方きいているはずです。

ちなみに、サイドブレーキもフットブレーキも、操作系統が違うだけで、車輪を止めるのはドラムなりディスクなりの同じブレーキですよね。普通にブレーキをふむぶんには、片効きする様子はなかったと思います。
（なにぶん、当時の彼女の車は「土足禁止」だったもので、上履きを持ってない私は運転した事がなくて、実際にブレーキを踏んだ事がない）

補足日時：2002/04/21 18:33

No.18 回答者： tez3 回答日時： 2002/04/19 11:57

三度の回答でごめんなさい。

もう一回だけ確認です。

1.
nozomi500さんはF／Rで、スニーカーとローラースケートほど違う素材のタイヤを履きますか？

2.
**いくら回転していても転がっている=グリップしている。
（路面との摩擦がなければいくら丸いものでも滑るだけで転がらないでしょ。）
**すべっている（パワーの掛け過ぎによる空転でも、急制動によるロックでも）=グリップの限界を超えている。

3.
「足」は左右で動きに自由度があるが
「タイヤ」は前後で位置関係は不変。
=つまり、RがFより前に出ようとするのではなく、（語弊を恐れずに言ってしまえば）RがFを軸に回転運動を起こしている。

そういうことだと思うんですがね？


4輪もFF/FR/MR/4WD、によってだけでも動きは変わるのに、「FF4輪リヤロックのままの発進」と「走行中の2輪の制動によるリヤスリップ」と比較するのもおかしいと思う（全く別の運動でしょ？）。

ちなみにあげあしとりだけど、単車で「スピン」は物凄い技術だと思う。

この回答への補足

思い出したので補足。
「雪道軽４」ですが、当時の主流は「ＭＴ車」でした（ミラだったか、トゥデイだったかの）。
発進してすぐ「ニュートラルからセカンドギア」ということをしますので、その間、「慣性で進む状態」になります。
（どの時点でぶれたのか、私が運転してなかったのでハッキリしませんが、「慣性」で進んでいる状態であれば、物理法則的には全く同じことになります。）

補足日時：2002/04/20 21:52

この回答へのお礼

1について。
「フリー回転している前輪と、ロックした後輪」の違いは「フリー回転しているローラースケートと運動靴」ぐらいの違いがあると思います。ローラースケートの材質は硬質ゴムかな。

2について、
タイヤと路面の摩擦はありますが、フリー回転している以上、前輪地面が車体に与える摩擦は転がり摩擦としてほとんどない、（慣性で進んでいるから、車体を引き止める作用は無視できる）
と考えます。

3について、
Ｆは慣性で（たとえば30ｋｍ/ｈで制動をかければ、30ｋｍ/ｈで進もうとする）進むので、フリーの前輪を中心に回転しようとすれば、30ｋｍ/ｈ以上の速度で前に出なければならない、ということになると思います。

お礼日時：2002/04/19 23:18

No.17 回答者： ir-led 回答日時： 2002/04/19 00:47

こんにちは。

一応，バイク乗りです。

＞「ロックした後輪」が「回転している前輪」より前に進む・・・
映画に出てくるバイクの転倒シーンのように，意図的に後輪を外に振り出さない限り
仰るような状態にはならないと思いますが・・・。
と言うのも，ロック状態の後輪は，慣性によって進み続けようとする車体に，スイングアームを介して
ズルズルと前方に「引っ張られている状態」なのですから，前輪より前までせり出してくると言う理屈が分かりません。
実際，車体を後方に引っ張る働きによって，ロックしない領域なら，後輪ブレーキは一種のスタビライザーとして
機能しますから。（と言って，私は全く後輪ブレーキ使わない派ですが。）

では，前輪が半分リフトするぐらいの減速Ｇなら，回転している前輪より前に出る？・・出ないと思います。
後輪のみのブレーキですから，後輪がリフトしたら，その瞬間に減速Ｇが無くなってしまうからです。
逆に，「前輪ブレーキだけ」だと，この状態は出来るでしょう。「ジャックナイフ」状態になったら，すかさず車体をひねれば良いわけですから。
（これ，たしかHONDAのコマーシャルで，トライアルライダーやってたような。・・）

では，何故「回転している前輪」より前に進むように見えるか？
「遠心力により，外に押し出されている状態」と考えます。
コーナリングもしてないのに遠心力？とお思いでしょう。私の考える理屈はこうです。

[スライド状態の発生]
・ロック状態になった時，車体が左右どちらかに僅かに傾いている。
　→瞬間的に曲率の非常に大きなコーナーを曲がっているのと同じ状態
　→遠心力の発生（まだ弱い）
　→後輪がコーナー外側に振り出される。（でもまだ弱い）
・あるいは，路面に僅かにカントが付いている。
　→路面の直立しているつもりが僅かにリーン状態になっているのと同じ。
　→路面の低い方へ後輪が流れていく。（まだ弱い）

[状態の悪化]
・後輪がコーナー外側に振り出される。（路面の低い方へ後輪が流れていく。）
　→振り出された分だけ（後輪が流れた分だけ）リーンアングルが深くなる。
　→リーンアングルは，当然前輪にも伝わる。回転している前輪は，ジャイロ効果によりリーン方向内側に切れ込んでくる。
　（地球ゴマで実験して下さい。）
　→ある程度のリーンアングル＋前輪の内向・・後輪がスライドしているものの，これは正にコーナーリング状態。
　→コーナーリング状態が強まることより，遠心力も強まり，ますます後輪はスライドを強めていく。

[転倒]
　→上記４行を繰り返し，後輪からスリップダウン。
　→スリップダウン寸前でも，前輪はグリップしているので，「前輪を軸にくるりと回る」


圧雪路面やアイスバーンなら，低い次元で上記の[スライド状態の発生]→[転倒]に至りますよね。
直立に近い状態で後輪がスライドする。＝「回転している前輪」より前に進むように見えるだけ・・
と思うのですが，如何でしょうか？

この回答へのお礼

ありがとうございます。

「遠心力」というのは、「みかけの力」ですから、「慣性」として考えればいいと思います。
「雪上軽４」の経験では、傾いていない、ジャイロ効果が問題になるほどの回転していない状態で、後輪はふれましたので、
原理的なもので「前輪フリー・後輪ロック」状態では不安定になる、というものがあるように思います。
たしかに、後輪が前にでるのは不安定になった結果スピンして前にでるのであって、後輪自体が前に出ようとするのではないようですね。

お礼日時：2002/04/19 08:44