FLO Cycling – サイクリングホイールの空気抵抗 – 抵抗を低減することで速度、時間、出力に対してどのように影響が現れるか


注意: 当社の新しい2016年モデルのホイールの短縮時間を表示している、このブログ記事の更新版に関してはこちらの記事をお読み下さい。

サイクリングホイールの空気抵抗の重要性を理解しようとする方々から頂くよくある質問がたくさんあります。 その質問には以下のようなものがあります。

1. CFDシミュレーションと風洞テストでは風速30mphが採用されています。 私が30mphで走行しない場合、空気力学的なレースホイールは私にとって意味はあるのでしょうか?

2. レースホイールを使用すれば、ストックホイールと比較してどのくらい速くなりますか?

3. 空気力学的なサイクリングホイールを購入すれば、どのくらいの出力の節約が見られますか?

これらは全て素晴らしい質問であり、ごく一般的に経験則から回答できます。 回答は以下の通りです。

1. 30mphで進んでいる場合、抵抗を100g低減すれば40km40秒短縮されます。

2.  50gの抵抗の低減は、6.5ワットの出力の節約と同等です。 

これらの数値は本当ですが、人々の特定の事例となぜ、またはどのように関係しているかを理解するのには役に立ちません。 この記事は全ての公式を網羅し、これらの数値がどのように、そしてなぜ本当なのかを示します。 また、抵抗を低減することで各速度における自転車走者に対してどのように影響があるかを示す表も作成しました。 直感的ではありませんが、遅ければ遅いほど、ホイールをアップグレードして抵抗を低減することでより時間を短縮できます。 今回の投稿記事にはかなり数学が入っていますが、ご心配なく。各ステップを余すところなく説明するため最善を尽くします。

相対速度
数学の話に入る前に、理解しておくべき重要な概念があります。 相対速度です。 抵抗を算出する際、その速度は単純に自転車で進んでいる速度ではありません。 相対速度とは、自転車で進んでいる速度と風の速度を組み合わせたものです。 この速度の組み合わせが、相対速度として知られています。 5mphの向かい風に向かって15mphで進んでいる場合、相対速度は20mphとなります。 5mphの追い風を受けて15mphで進んでいる場合、相対速度は10mphとなります。

抵抗の算出方法とその構成要素
抵抗とは、物体が流体を通る動きに反するように物体にかかる力と定義されます。 腰の深さの水の中に立って前方に走ろうとする場合に体感する、食い止めようとする力が抵抗です。 空気にも、水ほどではありませんが抵抗があります。    

抵抗は、以下の公式を用いて算出されます。
抵抗の公式

公式の変数は、以下のように定義されます。

抵抗の公式の変数
ほとんどの変数は見ればすぐ分かるものですが、2つをより詳しく説明します。

抵抗係数
抵抗係数は、形状と関連しています。 抵抗係数が低いほど、空気力学的効果は高くなります。 抵抗係数は、風洞テストで測定されます。 一般的な形状と、関連する抵抗係数の一覧はこちらです。
一般的な形状の抵抗係数
抵抗係数は、単純な形状に限られたものではありません。 どんな物体でも抵抗係数を算出することができます。 下の表は、人力の車両と関連する抵抗値を示しています。 今回の投稿記事の残りの部分では、「レーシング」(完全な前傾姿勢) データを使用します。 このデータの抵抗係数は0.88で、前面面積は3.9ft^2です。 
人力の車両の抵抗係数
前面部分
前面部分は、一般的に風を受ける部分と説明されます。 例として、強い風の中で立っている様子を想像して下さい。 風に直面していると、風は身体の前半分に接触します。 身体の後ろ半分と側面は、風に直接接触しません。 この状況では、身体の前半分が前面部分になります。 身体を右に90度回すと、今度は左側が風を感じ、風に直接接触する部分になります。前面部分が新しくなりました。 

全ての物体には前面部分があります。今回の投稿記事では上の表の3.9ft^2 (0.362m^2) の数値を使用します。

30mphで進んでいる場合、抵抗を100g低減することで40km40秒短縮する
これが本当であることを証明するため、上の表の抵抗係数と前面部分を用いて自転車走者が体感する抵抗を算出しましょう。 まずは公式に使用する数値をお見せしましょう。 (D Original (元々の抵抗) などのタグは複数の種類がある数値を識別するために使用していることをご留意下さい。 先に進むにつれて複数の抵抗係数値を使用するため、これがそれらを識別する方法となります)

これらの数値を用いることで、自転車走者が「レーシング」姿勢 (完全な前傾姿勢) で体感する抵抗を算出することができます。



これによると、自転車走者は相対速度30mphでの走行時に平均3,580.423gの抵抗を体感します。

それでは抵抗値を100g低減するとどうなるか見てみましょう。 



これで新しい抵抗値が算出されたため、抵抗の公式を再調整することで新しい抵抗係数値を算出することができます。 抵抗を低減するには抵抗係数値を低くする必要があることが示されます。 

新しい公式を用いることで、抵抗を100g低減した時の新しい抵抗係数値を算出することができます。



この新しい抵抗係数値を用いて、再び抵抗の公式を再調整することで今度は自転車走者の速度を新しく算出することができます。 この例では、元々の抗力と新しい抵抗係数値を用いることで新しい速度を算出しています。 (注意: 速度が増加すると抵抗も増加することが示されます。 これは、計算は完璧ではありませんが非常に近い概算が出されることを意味しています。 正確な数値を知るには、風洞内の地形を調査する必要があります)



これで新しい速度を算出することができるようになりました。 どうなるか見てみましょう。



これで新しい速度が得られたため、40kmレースでの短縮時間を測定することができます。



このことから、業界で一般的に言われている、30mphで進んでいる時は40km40秒短縮される、というのは本当だということが分かります。 1.95秒の差はありますが、この差は別の前面部分、別の抵抗係数値を用いることで、または増加した速度が抵抗値に及ぼした影響を考慮に入れることで簡単に説明できます。 

自分の進行速度ではどのくらい速くなる?
上で述べた通り、直感的ではありませんが、進むのが遅いほど本当により多くの時間が短縮されます。 上の計算で素晴らしいのは、元々の速度がどんなものでもお好みで、新しい速度と短縮時間を簡単に算出することができるところです。 任意の抵抗係数値はどの進行速度にも当てはまる抵抗係数値であり、全ての計算において一定です。 新しい抵抗係数値を用いた時の、1mph30mphの各々の元々の速度についての短縮時間と新しい速度を示す表をまとめました。40kmIronmanの数値 () の一覧は以下の通りです。

30mph100gの抵抗を取り除いた時のあらゆる速度での短縮時間 

次の特に優れた質問は、FLO 30FLO 60FLO 90、そしてFLO DISCを使用するとどのくらいの時間が短縮されるかということです。以下は、各ホイールの短縮時間を示しています。 ホイールが2つある場合、短縮時間に2を掛けることをお忘れなく。


FLO 30のあらゆる速度での短縮時間

FLO 60のあらゆる速度での短縮時間


FLO 90のあらゆる速度での短縮時間


FLO DISCのあらゆる速度での短縮時間


30mphで抵抗を50g低減することで出力が6.5ワット節約される
これは、最後のものに比べれば簡単です。 出力の公式を見てみましょう。



出力の公式を用いることで、以下のことが分かります。



これにより、一般的に言われていることが本当であることが証明され、数値の算出方法が示されます。 

FLOホイールが相対速度30mphでどのくらいの出力を節約することができるかはこちらです。
30mphでの出力の節約

まとめ
今回の記事がお役に立てば幸いです。また、途中で分からないところはなかったでしょうか。 覚えることが多いですが、空気抵抗の重要性と、空気抵抗が自転車走者と時間に対してどのように影響を及ぼすかをより良く理解するのに役立つはずです。 

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それではお元気で。

ジョン