オモリはジャイロ効果を高めるのか？

Question

このカテで適当であるかは分かりませんが、お知恵をお貸し下さい。
　
　円盤（等）の円周にオモリを並べる事でジャイロ効果は高まるのでしょうか？

　実は、自宅に車輪の小さい（20インチ）自転車があるのですが、車輪が小さいせいか、低速でのハンドルのふらつきが大きいのです。　それをなんとか改善しようと考えているのですが、例えば自転車の前輪の車輪（リム）部分にオモリを円周状に並べて取り付けると、ジャイロ効果が高まり、結果としてふらつきは改善されるという可能性はあるのでしょうか？
　よろしくお願い致します。

doc_sunday · Accepted Answer

はい、慣性モーメントが大きくなりますので、ジャイロ同様の効果が期待出来ます。
なお、「平均して」配置しないと回転中にゆがみますので、出来るだけ小さなおもりを平均してたくさん貼るのが望ましいです。
自動車タイヤの重り(?)を付けて回転を均一にするのとるのと同じです。

KonnaMonde · Answer

>自転車の前輪の車輪（リム）部分にオモリを円周状に並べて取り付けると、ジャイロ効果が高まり、結果としてふらつきは改善されるという可能性はあるのでしょうか？

結論から言いますと、ジャイロ効果が高まる可能性は多少上がりますが、多分それによる悪影響の方が上回ると思います。

時速20Kmでの、20インチの車輪の回転数は、毎分200回転ちょい上。　この回転数で人の乗っている自転車を立てる力を得ようとすると、かなり重いものをリムに取り付けねばなりません。
そうすると、動き出す時に重くなり、止まるときに止まり難くなります。　人力自転車としては最悪の状態です。

ジャイロ効果といえば、一般に一定の方向を維持するということを考えますが、この力で自転車が倒れるのが防止できると考えるのは誤りです。　確かに一定の姿勢を維持しようとするのは、正しいのですが、このためには、重く大きなジャイロを、高速で回転させて始めて可能となります。

しかし、自転車は一か所に留まっているのではありません。　移動するということは、一定の姿勢を保つことと相反します。　また、自転車を自立させるための道具が、ハンドルです。　前輪をジャイロとして使う場合、ハンドルを動かすことによる、ジャイロのプリセションという力が別に作用します。　実は、これが曲者です。

動いているとき、右に倒れそうになるとハンドルを右に切りますが、右に切ることでジャイロのプリセションは自転車を左に倒そうとする力が働きます。　これ自体は良い方に作用しますが、この力で自転車を立て直すに必要なジャイロが仮に出来たとしても、ジャイロ自身の姿勢を保つ働きで、逆にハンドルを動かすには大変大きな力が必要となりハンドルを素早く動かせなくなります。　そうすると、自転車を起こそうとする力も弱くなり、ハンドルを大きく動かさないと立て直せなくなります。　ジャイロが強力になればなるほど、ハンドルは動かせなくなる。
つまり、どんな強力なジャイロを組み込んでも意味がないことになります。　

自転車の倒れるのをハンドルで立て直していますが、どんな仕組みなのかを考えてみましょう。
それには、２輪車の安定ということについて知る必要があります。
手に長い棒を持ち、その棒を立てるときにどんな動きをしていますか？
棒が、右に倒れようとした時、手を素早く右に動かします。　つまり、棒の重心位置の鉛直線より右の方に手(支点)を移動させると、棒は左に倒れようとします。　左の倒れようとすると、手を左に動かして…。　この動作の繰り返しで、棒を立てます。

短い棒にした場合は、どうでしょう？　立てるのが難しくなりますね。　何故でしょう？

棒の重心位置と、支点との距離が長い場合と短い場合とでは何が違うかといえば、棒の傾きなんです。
極端に長い棒の場合、少しの支点の移動では、ほとんど角度はつきません。　つまり安定しています。　しかし、棒全体を動かそうとすると、支点を大きく移動させなくてはなりません。　つまり、操縦性が悪くなります。

逆に、極端に短い場合は、支点の少しの移動でも、棒の傾きは大きくなり、不安定です。　支点の少しの移動で傾きをコントロール出来ることは、操縦性が良いということになります。
２輪車の場合、安定性と、操縦性とは相反するものなのです。
自転車やオートバイのトライアル競技で、どの選手も両足を伸ばして立っているのは、重心位置を高くして、安定させるためです。　竹馬もある程度高い方が安定していましたね。

よく自動車、電車などで重心位置が低い方が安定していると聞きます。　だから、２輪車も重心位置が低い方が安定していると考えがちです。
しかし、２輪車の安定と、４輪車の安定とは、全く別物なんです。　二輪車の支点は１点であるのに対して、４輪車の支点は左右に２点あります。　これが２輪車と、４輪車の安定と操縦性を全く違うものにしている理由です。

自転車を倒れないようにするには、何らかの方法で支点の移動をしなければなりません。　その仕組みが、ハンドルと一体になっているフォークという前輪を支えているものと、その傾き(キャスター)です。

ハンドルを右に切ると、前輪（支点）が（重心位置より）右方向に移動します。　これで、車体が左に傾くような力が働きます。　また、フォークの先端をすこし曲げることによって、同じハンドルの操作でも支点の移動量が大きくなります。　競輪などのようにスピードを出す自転車では、スピードが出ることによる見かけ上のキャスター角が大きくなりますので、キャスターを小さくしています。

ハンドルによる、支点の移動が素早く行われないと、自転車はふらつきます。
ママチャリなどで前方の篭に重たいものを乗せたとき、ふらつきが大きくなった経験はあると思いますが、籠に積んだ荷物の重さが、ハンドルを素早く切るのを阻害しているから、立て直し操作が遅れ遅れになるからです。　
余談ですが、ママチャリでハンドル部分にお子さんを載せている方がいますが、非常に危険な行為です。　恐ろしさを知らないからですかね？

ちなみに、遠心力は、同じ曲率のカーブを描くときの車体の傾きに関係しますが、自転車を立ち上がらせる効果には無関係です。　遠心力が働かない超スロースピードでも自立は出来ます。

>低速でのハンドルのふらつきが大きいのです。　それをなんとか改善しようと考えているのですが、

改善には、サドルの位置を高くするだけで効果ははっきりと出ます。　また、ペダルも軽く踏めるようになります。
ただ、足が届きにくくなりますので注意が必要です。

そして、ペダルを踏むときに、体を動かさないようにするだけでも、安定性は増します。　手放し運転(公道ではやってはいけませんが)で体を動かすとうまくいきません。　体の安定性も重要です。

うまく纏めきれず長文になりましたが、以上の理由で、「前輪の車輪（リム）部分にオモリ」をつける案には、害のみ多く易が殆どないため、残念ながら、全面否定をします。

debukuro · Answer

歳差運動が強くなって却ってふらつくような気がします
ふらつくのは自転車のバランスが取れていないからだと思います

burahuman · Answer

ハンドルのふらつきを小さくする効果は有ると思いますがそれが即車体の安定性に寄与するとは限りません。
理由ですが自転車は車体の僅かな傾きをハンドルを左右に敏速に切る事でカーブを描きその時の遠心力で平均すると垂直を保っているのですがハンドルの慣性が大きくなると追従が難しくなり結果車体は余計ふらつくかも知れません。

車体の傾きにハンドルが敏速に反応しないからです。

極端に言ってハンドルを固定してしまえばハンドルその物のふらつきは無くなりますが車体は必ず倒れてしまいます。

繰り返しますが自転車などの二輪車が倒れないのは回転する車輪のジャイロ効果では有りませんよ。仮に電車の車輪のような極端に質量の大きな、ジャイロ効果の非常に大きな回転体でも自転車は間単に倒れてしまいます。

自転車が倒れない主な理由は車体が右に傾いた時ハンドルを右に切ると右カーブを描き外側、つまり車体を左側へ倒す力が働き、左側に倒れようとするとハンドルを左に切り左カーブをつくりその時の遠心力で外側、つまり右側の力が働き・・・・・・・これの繰り返しで倒れないで走れるのです。

今回のお話は自転車を安定して走らせる事が目的ならむしろ逆効果になると思います。

prop_and_jet · Answer

ジャイロ効果の何を期待してのことでしょうか？


回転中に外部入力がなければ軸が一定に保つものを期待されてのことでしょうか。
（回転中のコマを空中に投げたような状態）


それとも、"gyroscopic precession" （ジャイロスコピック プリセッション）についてはご存知でしょうか。

外部入力があると、90度遅れてそちらへ動いてしまう現象です。
（http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscopic_precession#Torque-induced）



自転車の場合、例えば26インチで前輪を１kg程度?重く（http://www3.ocn.ne.jp/~masstech/faq.htm#2-1）しても、操作性に気付かない（http://www3.ocn.ne.jp/~masstech/faq.htm#2-3）ようですので、あまり心配はないのかもしれませんが、

一応、この２つの作用があることは知っておいて下さい。



尚、No.1様も仰っておりますが、
重りのバランスはしっかり取っておかないと、速度が速い時はブレたりすると思います。
（自動車ホイールの重りは、バランスウェイトと言います。）


ご質問に答えると、

重くなれば、ジャイロ効果は高まります。ということになります。

が、
ふらつきが改善されるかどうかは、全く分りません。

（クイックイッとハンドルを切ると、不自然にふらつくような自転車が出来上がるような気がしますが、やってみたこともないので、分りません。）

電気丸ノコとか回っている時に持ちながら左右にヨー方向に動かすと、ロール方向へ不自然な力がかかるのと同じ現象です。
｛ヨー、ロール、ピッチ、の向き。（http://www.jal.co.jp/jiten/dict/g_page/g063.html）｝

mog411118 · Answer

理論的には効果がありますが、
回転速度がしれているのでその効果が運転しやすさに反映される事はないと思います。
逆に重心が高くなりふらつくのではないでしょうか。
下り坂で速度が増している時には舵取り性能にも影響します。
加速時にはペダルを漕ぐのが重くて嫌になります。
慣性重量が増すため制動距離が長くなり衝突事故の危険が高まります。
制動装置の減りが早まります。
タイヤの減りも速いです。
やめた方がいいですよ。
良い事ならメーカーが先にやります。

オモリはジャイロ効果を高めるのか？

はい、慣性モーメントが大きくなりますので、ジャイロ同様の効果が期待出来ます。

この回答への補足

>自転車の前輪の車輪（リム）部分にオモリを円周状に並べて取り付けると、ジャイロ効果が高まり、結果としてふらつきは改善されるという可能性はあるのでしょうか？

この回答への補足

歳差運動が強くなって却ってふらつくような気がします

ハンドルのふらつきを小さくする効果は有ると思いますがそれが即車体の安定性に寄与するとは限りません。

ジャイロ効果の何を期待してのことでしょうか？

理論的には効果がありますが、

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