自転車をこぐ時、低速時に重いのはなぜ？

自転車で坂を登る時など、低速ではペダルが重くなりますよね。一生懸命こいである程度速くなると軽くなりますが。あれは物理的にはどのように説明されるのでしょうか？

「トルク＝力×回転半径」を使うのかな？程度にしか判りません。御存知の方、教えて下さい。高校物理程度の知識範囲でお願いします。宿題の質問ではありませんので、ズバリ応えて頂いて結構です。

No.5 回答者： maxmixmax 回答日時： 2007/10/10 14:50

低速時に必要な力→加速するための力

高速時に必要な力→速度を持続させるための力

単純に考えれば前者の方が大きな力が必要ですよね。

この回答へのお礼

この理屈で考えると、低速を維持する走り方と高速を維持する走り方を比べるとどちらもペダルの重さは同じになります。逆に尋ねますが、実際に走ってみて同じだと思いますか？私は低速の方が重いと感じます。

お礼日時：2007/10/10 15:10

No.4 回答者： ensan8 回答日時： 2007/10/10 14:18

これは、物理の問題ではありません。

生理学の問題です。
人間に限らず生物の筋線維は低速で収縮する場合の方が高速で収縮する場合よりも大きな収縮力が出せます。
また筋組織には筋紡錘という筋に働く力を測る器官が内蔵されていてこれが力の大きさを測ります。
低速の場合の方が筋が大きな力を出せるため、ペダルからの反力も大きくなるため筋紡錘で計られる筋にかかる力も大きく感じられるのです。

この回答への補足

頭絞って考えました。低速でも高速でもペダルの重さは同じ、人間の筋肉の問題だとします。重さが同じなのだからペダルからの反力も同じです。従って筋紡錘で測られる力も同じではないでしょうか？

また高速の方が収縮力を出し難いのならば、感じる力は別として、高速時にはより力を込めてこぐ必要がある筈です。また本当にキツイ登り坂の場合に低速時よりも高速時の方が先にこげなくなる筈です。この点は現実と矛盾があるように思えます。

補足日時：2007/10/10 18:32

この回答へのお礼

重く感じるのは大きな力を掛けている証拠なのですね。あまりにも知識外の内容なので、正直言って妥当性を考える事すら出来ません。変な言い方ですが、とりあえず異論は唱えず信用します。ありがとうございます。

お礼日時：2007/10/10 15:07

No.3 回答者： chie65536 回答日時： 2007/10/10 14:12

「慣性」の一言で解かって欲しい所なんですが、それで解からないなら

「止まっている物はいつまでも止まっていようとする」
「動いている物はいつまでも動いていようとする」
のが「慣性」です。

「慣性に逆らう」、つまり
「止まっている物を動かそうとする時」
「動いている物を止めようとする時」
には、非常に沢山のエネルギーを必要とします。

なお「動いている物を同じ速度で動かし続ける」には「摩擦により止まろうとする分だけ、ほんの少し動かし足してやるだけ」のエネルギーで済むので「ペダルが軽い」のです。こっちは「慣性」ではなく「摩擦」の問題。

動き出す時には多くのエネルギーが要ります。それは動いてる物が止まり出す時も同じです。

もし自転車の減速装置が「止まる時はブレーキじゃなくペダルの回転を遅くする事で止まる(ペダルが自由に逆回転しない。逆回転で空回りしない)」と言う方式の場合を考えてみて下さい。

この方式では「動いている物を止めようとする時」に非常に沢山のエネルギーを必要とするので「足の甲が真っ赤になるくらい力を入れないと止まってくれない」でしょう。

普通の減速装置、つまり、普通のブレーキ方式の自転車で、思いっきりブレーキをかけると「キーーっ！」と凄い音がして、ブレーキのゴムが摩擦で熱せられ、激しくゴムが磨り減ります。ブレーキのゴム以外に、タイヤも磨り減ります。

これは「動いている物のエネルギー（運動エネルギー）」が
・空気が振動して音になるエネルギー
・熱エネルギー
・ゴムをすり減らすエネルギー
に変換されているのです。そして、運動エネルギーが減った為に自転車が止まります。

この回答へのお礼

慣性の説明は判りましたが、これでペダルの重さが説明されるとは思えません。摩擦の説明では私の体験と矛盾するので、原因が摩擦ではない事は分かりました。しかし低速を維持するのと、高速を維持するので違いがあるのはなぜですか？？これは慣性とは関係ないと思います。

お礼日時：2007/10/10 14:42

No.2 回答者： FEX2053 回答日時： 2007/10/10 13:40

実は結構難しい話になると思うのですが。

とりあえず、発進直後の静摩擦->動摩擦の問題は無視するとして、
動き出してからのことに限定すると、仮に常時同じ力で加速するのならば、
別に速度が変ったからと言って、車輪の回転力に差があるとは思えません。
むしろ高速になると空気抵抗が大きくなり、ペダルは重くなるはずです。

ですが、発進直後の方がペダルが重く感じるのは確かですから、この
問題は単純に力学的な問題ではなく、人間の感覚まで含めた総合的な
問題ではないかと推測されるのです。ということで、

１．同じ推進力を得るのに、ペダルの回転角が少なくて済むために、
　感覚上同じ回転数を得ようとして、結果的に重く感じる。

２．速度が上がると加速が必要なくなるため、結果的に力が不要に
　なり、軽く感じる。

要は、発進直後と加速してからでは、同じ力をペダルに加えているわけ
ではない、ということじゃないかと思うのです。で、結果としてこれらの
相乗効果で重く感じるのではないかと思います。

この回答へのお礼

低速で一定速度（加速度０）を維持するのと、高速で一定速度を維持するのでは前者の方が絶対に重いです。感覚の問題とは思えません。

お礼日時：2007/10/10 13:59

No.1 回答者： jklmn 回答日時： 2007/10/10 13:31

一言で、『慣性』

この回答へのお礼

ズバリとは書きましたが、一言とは言ってません。

お礼日時：2007/10/10 13:40