自転車のスプロケットに関して

Question

すみません。自転車に乗ってて非常に疑問に思っていることがあるので
この場をお借りしてお聞きいたします。

後輪のギア小さい-->ペダルが重い-->しかし、すいすい進む
後輪のギア大きい-->ペダルが軽い-->しかし、進まない

これら
後輪のギアが小さい＝ペダルが重い＝進みやすい
の関係がどうも理解できず悩んでおります。
小さいほうがペダルをこぎやすい気がするけど
実際は違うんですよね…

不思議だなぁ。

どなたかお助けいただけますか。よろしくお願いします。

take6 · Accepted Answer

まだ締め切っていないようなので、追記させていただきます。

他の方がギヤ比を歯数で計算されていますが、
よりシンプルな物理法則に当てはめるとすれば、全ててこの原理です。
歯数の比率も、円運動であるために
支点からの距離の比率が円周長（歯数）に現れているに過ぎません。

動力の伝達を瞬間的に切り取って考えてみましょう。
クランクの長さを仮に『１』とし、チェーンリングの半径が１/２であるとします。
この場合、ペダル軸が“力点”、ＢＢ軸が“支点”、スプロケットの外周が“作用点”です。
もし、ペダルを力「Ｖ」、速度「Ｓ」で動かすとすると、チェーンに伝わるエネルギーは
力「２Ｖ」、速度「１/２Ｓ」になるのはわかりますか？

そして、リアのスプロケットの半径を『１』とした場合、
タイヤ外径が『１０』だと仮定すると、
力「２Ｖ」、速度「１/２Ｓ」でチェーンを伝わってきたエネルギーは、
リアスプロケット外周が“力点”、ハブ軸が“支点”、タイヤ接地面が“作用点”となり、
地面に伝わるエネルギーは、力「１/５Ｖ」、速度「５Ｓ」になります。

二個のてこの原理が、存在するのでややこしく感じるのかもしれませんね。

質問者さんの感覚的には、
「後ギヤが大きくなるんだったら、ギザギザの数も増えるんだし、
軽くなった上に、すいすい進む（こぐ回数が少ない）んじゃないの？」
という気持ちなのかもしれませんが、
物理的に言って、「進むのに必要なエネルギー」は、
力（重さ）が小さければ、その分、量（こぐ回数）が多く必要になり、
（→軽い上にすいすい進まない）
力が大きければ、その分量はあまり必要になりません。
（→重いけどすいすい進む）

荷物運びに例えて考えてみてください。
１００kgの物を移動するとします。
一度に１００kgを移動しようとすると、とても力が要りますが、早く終わります。
しかし、１０kgに分けて10回運べば、時間はかかりますが、力は使いません。
「１００kgの荷物を動かす」という仕事は同じですが、必要な力と時間が違います。
自転車も一緒なのです。

どうですか？わかりましたか？

BERSERGA · Answer

No2です。

前回、最初は書こうと思ったんですが、さらに混乱するかと思ってあえて削除したんですが、やっぱりちょっと書いておきます。
＞後輪のギア小さい-->ペダルが重い-->しかし、すいすい進む
この書き方から推測するに、普段けっこう重いギアで乗っていませんか？
No3さんも言ってますけど、その乗り方は短距離ならいいですが、長距離だとすぐ疲れますよ。
前回も書きましたが、同じスピードで走るなら、重いギアで低い回転数でペダルに力を入れてこぐのと、軽いギアで高い回転数でペダルをシャカシャカ回すのは、出しているパワーは同じです。
物理学的には同じでも、生物学的にはかなり違いがあります。
重いギアを踏んでいると、無酸素運動を使用するので筋肉に乳酸がたまってすぐ疲れますが、軽いギアで回転数で稼ぐ乗り方だと有酸素運動になるので、長時間乗ってもあまり疲れません。
（わかりやすく言えば、ペダルを踏む時に「んっ！」と気合いが入るようなら無酸素運動を使ってる、くらいに思っておけばいいです）
具体的には、ペダル回転数（ケイデンスと言います）が90～100rpmで乗るといい、とされています。
だいたい2秒間でペダル3回転ですね。
ペダルを踏む力（トルク）を下げて、その分を回転数で稼ぐことで、乳酸をためないようにするわけです。
ただ、あまり回転数を上げ過ぎても、今度は運動量が増え過ぎて、心拍数が上がって逆につらくなります。
これはロードバイクでの常識ですが、シティサイクルやマウンテンバイクでも全く同じです。
変速無しのシティサイクルやピストバイクはしょうがないですが、変速付きの自転車であれば、速度や道路状況に合わせて最適なギア、最適な回転数になるように、こまめに変速してやることで、より快適に走れるようになります。

suiran2 · Answer

#1さんと#2さんの両方の説明は分かりましたか。現実にはお二人の考えが合わさったものです。

それでは質問です。一般のロードでコンパクトクランクの場合にはアウター50Tインナー34Tです。ここでフロント50Tリア25Tの場合とフロント34Tリア17Tの場合はギア比はどちらも2.00で同じです。しかし、現実にはペダルの重さは同じではありません。さてどちらが軽いと思いますか。フロント50Tリア25Tの場合の方が軽いのです。てこの原理でフロント・リアともにギアが大きいほど小さな力で車輪を動かすことが出来るからです。

take6 · Answer

No.1の者です。

＞ん？揚げ足を取るようで非常に申し訳ないのですが、・・・
非常に申し訳ありません。あの図は間違っていましたね。
前後のギヤ比の話を伝えようとして、内容がごっちゃになってしまいました。
文章も大分間違いと勘違いがありました。
新たに訂正させていただきます。

“力点～支点”の距離は、リアスプロケットの半径に当たり、
“作用点～支点”の距離は、車輪の半径に当たります。

champ40 · Answer

しょうもない答えになりますが…。
タイヤ（普通の）の大きさを考えてみてください。
たとえば１０ｍ転がして移動させるとしますね。
自転車の小さいギアと大きいギアでこぐとペダルを回転する回数が違いますよね。
タイヤも大きいタイヤと小さいタイヤで１０ｍ動かすと回転数が違いますよね。回転数が少ないタイヤは、大きく押すのもしんどいと思います。小さいタイヤは回転数が多いですが小さいので力入りませんよね。そんな感じかな。

＞小さいほうがペダルをこぎやすい気がするけど実際は違うんですよね…
この考え方は、ちょっと違うかもしれませんよ。平坦をゆっくりのんびり走るのならそれでいいですが、ロードバイクなどで速く走るのはちょっと違うのです。
簡単にいえば、小さいギアがこぎやすいというのは、馬力で乗っていると思いますが、自転車は基本的に心臓で乗るのです。軽めのギアを選んで回転数を上げて乗るのです。すると、筋力の疲れが少なく長い距離が乗れるのです。

BERSERGA · Answer

うーん、なんと説明すればいいのか、少し迷いますが・・・
たとえば、ある変速つき自転車で、前のギアが歯数48Tだったとします。
で、後のギアを、歯数24Tと12Tにした時を比べてみます。
24Tの時は、前のギアの半分ですから、クランクを１回転させると後輪は２回転します。
（この状態をギア比2.00と言います）
12Tの時は1/4ですから、クランク１回転で後輪が４回転します。
（こっちはギア比4.00です）
つまり、リア24Tの時は、リア12Tの時の２倍の回転数を回さないと同じ距離が進めないことになります。
ここまではいいですよね？

ここでちょっと物理学の話になります。
ある物体を動かすためには力が必要です。
力の単位はいろいろありますが、ここではなじみやすい「馬力」で行きましょう。
馬力とは、仕事量を表します。
「７５ｋｇの物体を１秒間に１ｍ動かせる力（仕事率）」が１馬力です。
数値で書くと75kgf・m/sとなります。
 （厳密な事を言うと、これはメートル法の仏馬力(PS)で、ヤードポンド法の英馬力(HP)は約76.04kgf・m/sです）
馬力の算出方法は、自動車のエンジンなどはトルク（回転力：kgf-m）×回転数（rpm）×0.001396で算出されます。
7000rpmで回っているエンジンが20kgf-mのトルクを出していれば、20X7000X0.001396=195.44馬力出ていることになります。
自転車も同様に計算できます。
たとえば4kgf-mの力で120rpmの回転数でペダルをこいでいれば、およそ0.67馬力になります。
つまり、自転車における馬力は、ペダルを踏む力×ペダル回転数です。

さて、自転車が前に進むためには馬力が必要です。
同じ人間が同じ自転車に乗って同じ道を同じスピードで走る時に必要な馬力は当然同じです。
（風や気温、タイヤ空気圧などの条件も同じとします）
さきほどの自転車で、リア24Tとリア12Tで走った時を比較しましょう。
必要な馬力は同じなのですから、リア24Tで走っている時は、ペダルの回転数が２倍必要になる分、ペダルを踏む力は半分で済むわけです。
（a X b = cなら、1/2a X 2b = cですよね）
リア12Tはその逆、ペダルを踏む力が２倍で、ペダルの回転数が半分になります。
でも、どっちでもトータルで必要な力は同じです。

では今度は、前ギアを変速してみましょう。
この自転車がマウンテンバイクで、前3枚のギアがあり、48-36-24Tだったとします。
フロント36Tだと、リア24Tではクランク１回転で後輪１回転半、リア12Tでは３回転になります。
（それぞれギア比1.50、3.00ですね）
つまり、いずれもフロント48Tの時の3/4の回転数になります。
これで同じスピードで走ろうと思えば、踏む力は3/4倍、かわりに回転数が4/3倍となります。
前48T-後24Tと前36T-後12Tの比較では、ギア比2.00と3.00なので、48-24Tに対して36-12Tは踏む力が1.5倍、回転数が2/3倍ですね。
ではさらに前ギアを落として24Tにしましょう。
リア24Tでは、ギア比1.00で後輪１回転、リア12Tはギア比2.00で後輪２回転です。
さて、前48T-後24Tも、同じギア比2.00でした。
前36Tの時に、後18Tがあれば、これもギア比2.00です。
前24T-後12Tもギア比2.00です。
この３つのギアで走った時、ペダルをこぐ力は変わるでしょうか？
変わりませんね。
（あくまで理論上は、ですよ）

これでわかってもらえるでしょうかね・・・

take6 · Answer

『進みやすい』という表現が何を表しているのかわかりません。
『ひとコギでの進む距離が多い』ということでしょうか？

＞小さいほうがペダルをこぎやすい気がするけど・・・
伝達側のギヤのイメージが抜けていないのでしょうか？
物理的に、伝達側のギヤが小さくなればなるほど軽くなり、
受け側のギヤは小さくなればなるほど重くなります。

てこの原理はご存知ですか？
ギヤ比の関係は回転運動ですが、一部だけ切り取ればてこの原理と一緒です。
“力点～支点”の距離は、伝達側のギヤの大きさに当たり、
“作用点～支点”の距離は、受け側のギヤの大きさに当たります。

自転車のスプロケットに関して

まだ締め切っていないようなので、追記させていただきます。

No2です。

#1さんと#2さんの両方の説明は分かりましたか。

No.1の者です。

しょうもない答えになりますが…。

うーん、なんと説明すればいいのか、少し迷いますが・・・

『進みやすい』という表現が何を表しているのかわかりません。

この回答への補足

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