Vibration-Induced Power Loss in Cycling: Experimental Quantification on a Simulated Cobblestone Surface

あなたは、滑らかで平坦な道を自転車で走っているところを想像してみてください。風が体に当たっているのを感じ、タイヤが路面を転がる感触があります。長い間、科学者やエンジニアは、これら2つの力——風の抵抗とタイヤの摩擦——だけがあなたのエネルギーを奪っているものとして扱ってきました。それは、2種類の障害物を避けるだけでいいビデオゲームのようなものです。しかし、もしそこに3つ目の、目に見えない泥棒がいるとしたらどうでしょう？ もし、道そのものが自転車を揺らし、あなたの体がその揺れを水を吸い込むスポンジのように吸収しているとしたら？ この隠れたエネルギー損失は「振動誘発によるパワーロス（vibration-induced power loss）」と呼ばれます。これは、デコボコした道が自転車のフレームに波紋を送り、タイヤへと伝わり、最終的にあなたの骨や筋肉へと伝わることで起こります。あなたの体は、複雑なバネとダンパーのシステムのようになり、安定を保つために、ただ跳ね回らないようにするためにエネルギーを消費してしまいます。私たちは、凹凸が不快であることは知っていますが、その揺れと戦うために、あなたのペダルによるパワーが実際にどれほど無駄になっているのかを、正確に測定したことはほとんどありませんでした。これが、研究チームが解決しようとした謎です。つまり、道が体を揺らすことによって、サイクリストは実際にどれほどのエネルギーを失っているのか？ ということです。

この事件を解決するために、デルフト工科大学とKTH王立工科大学の研究者たちは、スポーツホールを実験室へと変えました。彼らは、実際の混沌とした石畳の通りを使う代わりに、床に間隔を空けて配置された5枚の木製の板を使って、「シミュレートされた」バージョンを作り上げました。それは、自転車のタイヤに対する巨大でリズム的なドラムビートのようなものです。彼らは、サイクリストがこのトラックをさまざまな速度（時速10kmから30kmの間）でコーティング（ペダルを漕がずに、そのまま転がっていくこと）して走らせました。彼らは異なるタイヤ圧（350 kPaから550 kPa）で自転車をテストし、ライダーにさまざまなスタイルを求めてもらいました：普通に座る、座りながら筋肉をリラックスさせる、座りながら彫像のように体を硬くする、そして、ペダルの上で立ち上がる、といった具合です。

チームは、自転車がどれくらい減速したかを正確に測定するために、特別なセンサーを使用しました。風によるエネルギー損失と、タイヤの転がりによるエネルギー損失を差し引くことで、彼らは「振動による損失（vibration loss）」、つまり、単に自転車が揺れることによって消失したエネルギーだけを特定することができました。

以下に、彼らが発見した内容を記します。これは、スピードや快適さを追求するすべての人にとって非常に重要なことです。

スピードの罠
最大の要因はスピードでした。速く進めば進むほど、振動によるエネルギー損失は大きくなります。しかも、それは少しずつ増えるのではなく、ロケットのように急上昇します。研究者たちは、振動による損失が速度の「2乗」に比例して増加することを発見しました。例えば、坂道を歩いて登るのに10歩必要だとしても、走って登る時は、一つ一つの小石を飛び越えなければならないために40歩必要になるようなものです。時速30kmでは、振動による損失は膨大になり、最大で351ワットに達しました。これを比較対象として考えると、プロのサイクリストがスピードを上げるために、これよりわずか数百ワット多く出している程度かもしれません。つまり、この振動は彼らのパワーの大部分を盗んでいたのです。実際、これらのデコボコした路面では、振動による損失は総エネルギー損失の最大**61.38%**を占めていました。つまり、努力の半分以上が、ただの揺れと戦うために費やされていたのです！

タイヤ圧のパラドックス
タイヤに空気をたくさん入れて硬く、弾力を持たせれば、デコボコした道でも良くなるのではないかと考えるかもしれません。しかし、研究はこの逆を示唆しています。荒れた路面においては、タイヤ圧を350 kPaから550 kPaに上げると、特に高速走行時において、振動による損失はむしろ悪化しました。時速30kmでは、空気圧を上げることで振動による損失が約**95%**も跳ね上がりました。滑らかな道では硬いタイヤの方がスムーズに転がるようですが、デコボコした路面では、硬いタイヤは衝撃をライダーにより多く伝えてしまい、より多くのエネルギーを無駄にしてしまうようです。「柔らかい」タイヤは、ライダーを跳ね回らせるのではなく、衝撃を吸収する優れたショックアブソーバーとして機能していました。

「立ち」と「座り」の秘密
最も驚くべき発見の一つは、姿勢に関するものでした。ライダーがペダルの上で立っているとき（「オフ・ザ・サドル」のポジション）、座っているときよりも振動によるエネルギー損失が大幅に少なくなりました。立ち上がることで、ライダーの脚や腕が追加のサスペンションとして機能し、凹凸を吸収できるからです。時速25kmにおいて、立っているライダーの振動による損失は約140ワットでしたが、座っているライダーは200ワット以上を失っていました。これは大きな差です。しかし、研究者は、立ち続けることは長距離レースにおいては困難であり、また自転車のコントロール方法も変わってしまうため、あらゆる状況における完璧な魔法の解決策ではないことも指摘しています。

「リラックス」の要素
チームは、ライダーの筋肉の緊張が影響するかどうかもテストしました。彼らはライダーに「リラックス」、「通常」、「硬直」の状態になってもらいました。結果はかなり複雑で、スピードや姿勢のように明確な勝者が示されたわけではありませんでした。低速ではリラックスした方が助けになることもありましたが、高速では、硬い状態であるかリラックスしているかの違いに一貫性がありませんでした。これは、体の硬さが重要ではあるものの、「ただリラックスすればいい」という単純な話ではないことを示唆しています。

結論
研究者たちは、もはや風やタイヤの摩擦だけを見ていてはいけないと結論づけました。荒れた路面では、振動は巨大なエネルギーの泥棒であり、それ自体が計算式の中に組み込まれるべきものです。彼らは、速度、タイヤの空気圧、そして座っているか立っているかに基づいて、この損失を予測するシンプルな公式を作成しました。今回の研究は、一人のライダーと特定の自転車を用いた、制御された屋内環境での実験ですが、デコボコした路面においては、揺れによるエネルギー損失が相当なものであり、時にはパワーの半分以上を奪うこともあるということを証明しています。ですから、次に石畳の道に入るときは、あなたは単に風と戦っているのではなく、揺れとも戦っているのだということを忘れないでください。そして、立ち上がることがあなたの最善の防御策かもしれません。