【科学】自転車はエネルギーで理解できる【簡単】

「自転車は身近なものだけど、よくわかっていないなぁ。誰か自転車で学べる科学がないか教えてくれないかなぁ」

そんな悩みに答えます!

今回は自転車について紹介します。自転車はエネルギー変換装置です。本記事では、加速器が登場する映画を紹介します。加速器といえば20世紀以降の科学技術を推し進めた装置ですよね。見た目もかっこいい巨大装置ということで、様々な映画に登場しています。加速器への興味を掻き立ててみてはいかがでしょうか。

なお、僕(@おとな理科のおたれ)の物理学の勉強歴は13年ほど。研究者として生計を立てつつ、科学技術を世間に伝えるための教育活動もしています。こういったバックグラウンドなので、記事の信頼性が担保できるかと思います。

それではみていきましょう!

自転車で理解する「エネルギー」

自転車は、物理的にみると「エネルギー変換装置」なのです。サイクリングしながら、エネルギーについて考えてみましょう!

自転車で感じる「運動エネルギー」

自転車といえば運動エネルギーです。僕たちの運動によって運動エネルギーを高くしています。

軽い自転車の方が速い

僕たちのエネルギーを使って進みます。自転車でなるべく速くすすむためには、同じエネルギーでもなるべく速い速度にしたほうが良いのです。

自転車レースなどで軽い自転車が使われるのはこういった理由なのですね。

軽い自転車の方が長距離に強い

軽い自転車は速いだけではありません。長距離にも強いのです。

自転車を漕いでいるとき、私たちは身体を動かしてタイヤを回転させています。このとき、私たちの身体で生み出したエネルギーを運動エネルギーに変換しています。自転車が軽いと同じエネルギーを投入しても、より速く進むことができます。

ずっと同じ速度で漕いだ場合には、軽いほど小さいエネルギーで漕ぐことができます。つまり省エネなのです。軽い自転車は疲れにくいともいえるのです。

自転車は軽いほど高価

自転車の材料は、アルミニウムカーボンの3種類です。鉄という材料では、鉄合金のステンレスを使用することが多いです。アルミニウムもアルミニウム合金が使われます。カーボンはCFRPというカーボン繊維で補強されたプラスチックが使われます。

さて、材料と重さの関係はどうなっているのでしょうか?そして、金額は?

まずは金額の順番です。自転車の材料は、安い順に アルミニウムカーボンです。1万円くらいの安い自転車を買うと鉄製のものが多いです。数万円となればアルミニウム製が増えてきます。カーボン製の自転車は10万円を超えてしまうことが多いですね。

次は重さの順番です。自転車の材料は、重い順に アルミニウムカーボンです。つまり安い自転車ほど重く、高価な自転車ほど軽いということですね。

速度を上げると危ない

ここで運動エネルギーは速度の2乗に比例します。速度が2倍になれば運動エネルギーは4倍、速度が3倍で運動エネルギーは9倍です。

このように速度を上げるとエネルギーはどんどん大きくなります。速度を上げて事故に遭うと、大事故になりますからね。あまり調子に乗って自転車を漕いではいけませんよ。

速度が大きくなると危ないというのは自動車や他の乗り物でも同じことです。スピード違反はしないように。なるべく、ゆっくり進んでいきましょうね(^ ^)/

Amazon

坂道で感じる「位置エネルギー」

自転車に乗っていると位置エネルギーの変化も感じることができます。

自転車で速度が上がっていても、上り坂になるとどんどん速度が遅くなりますよね。これは運動エネルギーが位置エネルギーへと

坂道を下るとき、高さが下がるごとに速度が増していくことがわかります。これは位置エネルギーが運動エネルギーに変換されているためである。

細かいことをいえば、摩擦により熱に変化してしまいエネルギーが消費されるが、十分小さいので気にしなくてよいでしょう。

ブレーキで学ぶ「熱エネルギー」

ブレーキはどんなエネルギー変換をしているのでしょう。自転車でブレーキをかけたとき、熱くなるのはどこかわかるでしょうか。

走行中の自転車は運動エネルギーをもっています。停止したときには運動エネルギーが0になっています。自転車が停止するまでに、運動エネルギーを熱エネルギーに変えているのです。

ブレーキをかけたときどこが熱くなるのかというとタイヤを挟み込むブレーキシューです。ブレーキをかけた際に、自転車の運動エネルギーがブレーキシューの摩擦により熱に変えるのです。

ブレーキをかけ終わった後に、ブレーキシューを触ってみましょう。ちょっと暖かくなっていますよ。

(おまけ)自転車の勘違い〜なぜブレーキで自転車は止まる?〜

「ブレーキは地面とタイヤの摩擦力で止まる」というのは間違いです!

多くの人が陥りがちな間違った認識を”誤概念“といいます。物理を学ぶと誤概念を再認識できることも面白いことですね。

自転車で多い誤概念は、ブレーキをかけたときに何故自転車は止まるか。「タイヤと地面との間に働く摩擦力で止まる」というものです。

漫画などで「タイヤと地面との間にはたらく摩擦力」がイラスト化されていますよね!このような間違った直感がアニメや漫画で印象付けられています。

実際にブレーキをかけたとき、どのようなことが起きるのでしょうか?

ブレーキをかけるとブレーキシューという部品がタイヤを挟みます。このブレーキシューとタイヤとの間の摩擦によって、自転車は減速します。

「摩擦力で止まる」のは正解です。ただし、「タイヤと地面との間」ではなく、「タイヤとブレーキシューの間」にはたらくのです。

直感に反していて面白いですよね!

最後に

今回は自転車の科学を紹介しました!

身近なところに面白い科学がたくさんありますね!これからも身近な科学を紹介していきたいと思います!

Amazon