【第4弾】ディープリムホイールはなぜ速い?~帆走効果とは~
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前回に引き続きエアロダイナミクスです。
Swiss Side社にどっぷりです。
ディープリムホイールはエアロダイナミクスに優れ、特に平地や高速巡航の速度を上げることができる、また疲労を抑えることができる。これはよく聞くお話ですが、ではなぜディープリムがそこまでエアロダイナミクス的に有利になるのか?と言うと、、、難しいです。
よく見るお話では、リム剛性が上がる、リム重量増による慣性モーメント、スポークが短くなるために等々、、、というものですが、Swiss Sideのお話のメインは少々違い、帆走効果によるエアロダイナミクス効果の影響の大きさを述べています。
ということで今回は【第4弾】ディープリムホイールはなぜ速い?~帆走効果とは~、F1のテクノロジーを取り入れたSwiss side社のお話をメインにまとめて見ようと思います。
※例の如くできるだけ簡単にわかりやすいように、という説明に致しますのでめちゃくちゃ詳しく、ということではございませんm(_ _)m
▶よく見るグラフの意味
こんなグラフを見たことがあるかと思います。
下の画像は両社共にホイールに関するグラフですが、フレーム、車体でも同様にこのようなグラフがあります。
https://boydcycling.com/より
https://flocycling.com/より
Open Pro、、、(`;ω;´)
どちらのグラフも横軸のヨ-角17.5°を超えるまで値は下がり続けて、17.5°を超えると逆に値が上がり始める、ということです。
・縦軸のGarms of Drag
ワタクシのあまりいい訳ではありませんが、直訳すると”抗力のグラム(重さ)”となります。
抗力と揚力:
・横軸のヨー角(Yaw Angle)
ヨー角とは:
ライダーの進行方向と、実際の風上の方向のズレ角のこと。
前回前々回のお話の中にも出てきましたが、このヨー角は速度が上がれば上がるだけ狭くなる、速度が遅くなるとヨ-角は開いていく傾向にあり最終的に停車状態では何°にでもなり得る、ということです。
ちなみにこちらのグラフはFLO社の調査です。
https://flocycling.com/より
Floの調査によると実際の走行では80%が0~10°までのヨー角だったということです。
またSwiss Sideの話では実際の走行の95%が20°以内に収まるということです。
抗力に戻ります。
ホイールの話に戻すとどうなるかというと、縦軸は運動を妨げる力を重さを用いて数値化したものです。
ともあれ難しいことは抜きにして、ものすごく単純に考えます。
上のグラフの”Garms of Drag”の数値が大きければ大きいほど、抗力が大きい=前に進もうとする力を妨げる力が強い=進みづらいということになります。
逆にグラフで値が下に下がれば下がるほど進みやすいということになります。
正確には進みやすいとか進みづらいとか、、、余り良い表現ではありませんが、語彙力不足なのでごめんなさい。
でココからが肝心なのですが、Swiss Side社のお話でもあったように、FLOもBOYDもリムの高さによる抗力の差はヨー角0°の場合はそこまで大きくないということがグラフから見て取れます。
つまり真正面からの向かい風のときはリムハイトによって、そこまで大きな差は出ないということです。
しかしです。
ではどういう時に差が出てくるかと言うとグラフ通りで、ヨー角が開いてくる(風向きが真正面から横へと少しずつずれてくる)事によって、抗力の数値が下がってきます。
これが面白いところです。
真正面の向かい風、実際に乗っているとめちゃくちゃ辛いです。
それがヨー角が開く、ざっくりとですが斜め方向の風になるとどんどん抗力がさがってくる、どんどん進みやすくなってくるというものです。(一定のヨ-角まで)
そう、下がるということです。
この低減幅は45km/h、ヨ-角約17°時に最大で25W の削減になるということです。
(並んで走っている状態から、突然25Wも差があったらはっきりいって全然追いつけないぐらいの差です。)
むしろちょっと斜めから風があたったりしたらまっすぐ風が抜けずに空気抵抗が増えそうな気がしないこともありません。
前面投影面積という面でも、真正面真っ直ぐの前面投影面積と、斜め前からの前面投影面積では当然斜めのほうが面積が広くなります。
しかしヨ-角は約17°までは開いたほうが進みやすくなる、というのが上のグラフから読み取れることです。
ではなぜ、ヨー角が開いたほうが抗力すなわち抵抗が下がってくるのか?というのが今回のメインのお話です。
▶帆走効果
Swiss Side社のお話の中で何度も出てくる、帆走(はんそう)です。
想像しやすいのはヨット、帆船だと思います。
風の力を受けて進むヨットは、どうやって風上に向かって(向かい風で)進んでいるのか?というお話です。
というのは動画を見るとわかりやすいです。
これです。
ディープリムも同様に帆走効果を生むことで抗力を下げるということです。
概ねリムハイトの高いモデル80mmや90mmの場合、Swiss Sideの調査では12°前後で抗力が0になります。その後17°ぐらいまでは抗力が下がり続けます。
つまり上のグラフは風を受けることで帆走効果の影響で進みやすくなる、ということです。
この帆走効果はホイールが全体の65%をしめ、前述のように45km/hで走行時、最大で約25Wの抗力の低減になるほどの効果ということです。(フレームとフォークの帆走効果は全体の22%)
つまりヨ-角20°ぐらいまでの範囲で走行しているときは帆走効果による影響で速く走れるということになります。
この帆走効果による抗力の低減こそがディープリムのメリットであり、利点ということがグラフから分かるところです。
▶まとめ
エアロダイナミクスだけを考慮すれば80mm、90mmあるディープリムは実験結果から見ても通常のヨ-角20°ぐらいまでの範囲であれば速く、そして楽に走れるものだと思います。
しかしSwiss Sideのお話にもありましたが、リム高が高くなる事によるデメリットも無視することはできません。
それは横風によるハンドリングの問題ということです。強い横風でハンドルがふらつくことでのパワー損失は思いの外大きく、横風が強い場合はリムハイトを落としてハンドリングが悪くならないほうが良い、ということも述べています。(ちなみにSwiss Sideは体重の軽いライダーや山岳では485がおすすめということです。)
そんなお話の中でもやはりといえばやはりですが、人間の空気抵抗をしっかりと考える。ということです。何でもその数値は全体の75%ということです。人間の空気抵抗を重視しているのはSwiss Side社だけではなく、各社同様の見解を持っているようです。
ポジション的な話では体の動きがよくないとエアロダイナミクスに優れた姿勢を取ることはできませんし、姿勢がよくてもパワーが出なければ意味がありません。体の柔軟性や練習も必要になるということです。
ということで今回はエアロダイナミクスについてSwiss side社のお話の第4段、【第4弾】ディープリムホイールはなぜ速い?~帆走効果とは~、そんなお話でした。
※なかなか難しく色々と勉強をしながら書きましたが、物理とか学がございませんで間違っていたら修正をさせていただきますm(_ _)m
公式ページはこちらから。
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〒262-0019
千葉県千葉市花見川区朝日ヶ丘1-21-2
※当日の受付は18:00までとさせていただきます。
作業は18:00以降も行います。
TEL:043-376-1121
(整備中、接客中等 電話を受けれない場合は番号通知にておかけいただければ折り返しお電話をさせていただきます。)
E-Mail:ffcycle@outlook.jp
※ご連絡をいただく際には
・お名前
・ご連絡先
・ご希望の整備内容
・ご希望の日程
・駐車場の要否
こちらをお申し付け下さい。
当店の特徴・詳細ははこちらから
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前回に引き続きエアロダイナミクスです。
Swiss Side社にどっぷりです。
ディープリムホイールはエアロダイナミクスに優れ、特に平地や高速巡航の速度を上げることができる、また疲労を抑えることができる。これはよく聞くお話ですが、ではなぜディープリムがそこまでエアロダイナミクス的に有利になるのか?と言うと、、、難しいです。
よく見るお話では、リム剛性が上がる、リム重量増による慣性モーメント、スポークが短くなるために等々、、、というものですが、Swiss Sideのお話のメインは少々違い、帆走効果によるエアロダイナミクス効果の影響の大きさを述べています。
ということで今回は【第4弾】ディープリムホイールはなぜ速い?~帆走効果とは~、F1のテクノロジーを取り入れたSwiss side社のお話をメインにまとめて見ようと思います。
※例の如くできるだけ簡単にわかりやすいように、という説明に致しますのでめちゃくちゃ詳しく、ということではございませんm(_ _)m
▶よく見るグラフの意味
こんなグラフを見たことがあるかと思います。
下の画像は両社共にホイールに関するグラフですが、フレーム、車体でも同様にこのようなグラフがあります。
https://boydcycling.com/より
https://flocycling.com/より
Open Pro、、、(`;ω;´)
どちらのグラフも横軸のヨ-角17.5°を超えるまで値は下がり続けて、17.5°を超えると逆に値が上がり始める、ということです。
・縦軸のGarms of Drag
ワタクシのあまりいい訳ではありませんが、直訳すると”抗力のグラム(重さ)”となります。
抗力と揚力:
物体を”流れ”の中に置くと、物体は流れから力を受けます。この力のうち、流れの方向の成分を”抗力”、流れに垂直な方向の成分”揚力”といいます。少々難しいので詳しく見たい方は下記のサイトにて。
・横軸のヨー角(Yaw Angle)
ヨー角とは:
ライダーの進行方向と、実際の風上の方向のズレ角のこと。
前回前々回のお話の中にも出てきましたが、このヨー角は速度が上がれば上がるだけ狭くなる、速度が遅くなるとヨ-角は開いていく傾向にあり最終的に停車状態では何°にでもなり得る、ということです。
ちなみにこちらのグラフはFLO社の調査です。
https://flocycling.com/より
Floの調査によると実際の走行では80%が0~10°までのヨー角だったということです。
またSwiss Sideの話では実際の走行の95%が20°以内に収まるということです。
抗力に戻ります。
ホイールの話に戻すとどうなるかというと、縦軸は運動を妨げる力を重さを用いて数値化したものです。
ともあれ難しいことは抜きにして、ものすごく単純に考えます。
上のグラフの”Garms of Drag”の数値が大きければ大きいほど、抗力が大きい=前に進もうとする力を妨げる力が強い=進みづらいということになります。
逆にグラフで値が下に下がれば下がるほど進みやすいということになります。
正確には進みやすいとか進みづらいとか、、、余り良い表現ではありませんが、語彙力不足なのでごめんなさい。
でココからが肝心なのですが、Swiss Side社のお話でもあったように、FLOもBOYDもリムの高さによる抗力の差はヨー角0°の場合はそこまで大きくないということがグラフから見て取れます。
つまり真正面からの向かい風のときはリムハイトによって、そこまで大きな差は出ないということです。
しかしです。
ではどういう時に差が出てくるかと言うとグラフ通りで、ヨー角が開いてくる(風向きが真正面から横へと少しずつずれてくる)事によって、抗力の数値が下がってきます。
これが面白いところです。
真正面の向かい風、実際に乗っているとめちゃくちゃ辛いです。
それがヨー角が開く、ざっくりとですが斜め方向の風になるとどんどん抗力がさがってくる、どんどん進みやすくなってくるというものです。(一定のヨ-角まで)
そう、下がるということです。
この低減幅は45km/h、ヨ-角約17°時に最大で25W の削減になるということです。
(並んで走っている状態から、突然25Wも差があったらはっきりいって全然追いつけないぐらいの差です。)
むしろちょっと斜めから風があたったりしたらまっすぐ風が抜けずに空気抵抗が増えそうな気がしないこともありません。
前面投影面積という面でも、真正面真っ直ぐの前面投影面積と、斜め前からの前面投影面積では当然斜めのほうが面積が広くなります。
しかしヨ-角は約17°までは開いたほうが進みやすくなる、というのが上のグラフから読み取れることです。
ではなぜ、ヨー角が開いたほうが抗力すなわち抵抗が下がってくるのか?というのが今回のメインのお話です。
▶帆走効果
Swiss Side社のお話の中で何度も出てくる、帆走(はんそう)です。
想像しやすいのはヨット、帆船だと思います。
風の力を受けて進むヨットは、どうやって風上に向かって(向かい風で)進んでいるのか?というお話です。
というのは動画を見るとわかりやすいです。
これです。
ディープリムも同様に帆走効果を生むことで抗力を下げるということです。
概ねリムハイトの高いモデル80mmや90mmの場合、Swiss Sideの調査では12°前後で抗力が0になります。その後17°ぐらいまでは抗力が下がり続けます。
つまり上のグラフは風を受けることで帆走効果の影響で進みやすくなる、ということです。
この帆走効果はホイールが全体の65%をしめ、前述のように45km/hで走行時、最大で約25Wの抗力の低減になるほどの効果ということです。(フレームとフォークの帆走効果は全体の22%)
つまりヨ-角20°ぐらいまでの範囲で走行しているときは帆走効果による影響で速く走れるということになります。
この帆走効果による抗力の低減こそがディープリムのメリットであり、利点ということがグラフから分かるところです。
▶まとめ
エアロダイナミクスだけを考慮すれば80mm、90mmあるディープリムは実験結果から見ても通常のヨ-角20°ぐらいまでの範囲であれば速く、そして楽に走れるものだと思います。
しかしSwiss Sideのお話にもありましたが、リム高が高くなる事によるデメリットも無視することはできません。
それは横風によるハンドリングの問題ということです。強い横風でハンドルがふらつくことでのパワー損失は思いの外大きく、横風が強い場合はリムハイトを落としてハンドリングが悪くならないほうが良い、ということも述べています。(ちなみにSwiss Sideは体重の軽いライダーや山岳では485がおすすめということです。)
そんなお話の中でもやはりといえばやはりですが、人間の空気抵抗をしっかりと考える。ということです。何でもその数値は全体の75%ということです。人間の空気抵抗を重視しているのはSwiss Side社だけではなく、各社同様の見解を持っているようです。
ポジション的な話では体の動きがよくないとエアロダイナミクスに優れた姿勢を取ることはできませんし、姿勢がよくてもパワーが出なければ意味がありません。体の柔軟性や練習も必要になるということです。
ということで今回はエアロダイナミクスについてSwiss side社のお話の第4段、【第4弾】ディープリムホイールはなぜ速い?~帆走効果とは~、そんなお話でした。
※なかなか難しく色々と勉強をしながら書きましたが、物理とか学がございませんで間違っていたら修正をさせていただきますm(_ _)m
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※当日の受付は18:00までとさせていただきます。
作業は18:00以降も行います。
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また整備内容によっては、車体メーカー、モデル名、ホイール、コンポーネントなども合わせてご連絡をお願い致します。
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コメント
コメント一覧 (7)
いつもありがとうございますm(_ _)m 修正いたしました。
この考え方だとすると、ホイル単体ではハイトに違いがでることが容易に推測できます。一方で人が乗った自転車全体でも同じことが言えないでしょうか。そうするとこの考えを否定するのではなく、人が乗った自転車も斜め方向からの風を受けるとどちらに進みやすいかと考えてしまいます。風が強い日に、突風で倒されそうになるとき実は恩恵をうけているのかなぁと。だとすると、今どきのピッタシウエアよりバタバタウエアのほうが良いときもあったり。
あくまでもワタクシ自身お勉強中ということ踏まえた上での回答となりますが、
突風で倒されそうになる時、この時のヨ-角は瞬間的に90°前後まで開いているのではないでしょうか?帆走効果の恩恵を受けられるのはヨ-角20°位までです。MMRさんのコメントのようにたとえ倒されそう(と感じる)な突風が吹いても、ヨ-角が20°までであれば帆走効果は得られるということになります。(実験結果では)
また帆走効果の乗り手のウェアの話ですが、帆走効果と空気抵抗を考えてみると、帆走効果を得られても、空気抵抗が大きくなりすぎてしまえばやはり進みづらくなってしまいます。それであればぴったりとしたウェアで、小さくなり、空気抵抗を削減したほうが最終的には有利ということになるかと思います。
ちなみに実際の走行時(再現した?)の帆走効果の割合ですが、
65%ホイール、22%フレーム・フォーク、11%人間、2%残り、となります。
11%は人間でも帆走効果が得られるということですが、例えば25W削減を例に考えてみます。
25Wの11%で2.75W削減の帆走効果ですのでそこまで効果は大きくないと考えられ、フォームを起こした状態と、低くした状態での空気抵抗低減によるパワーの差のほうが遥かに大きいと考えられます。(当然ウェアのフィット感による空気抵抗の差も大きいです。)
ということで帆走効果の大部分をしめるホイールと、11%程度しか帆走効果を得られない人間の場合だと同様の考え方で、というようにはいかないのではないかと考えられます。。
お腹が出てる人は前方向に揚力が生まれるかも知れません。
少し気になる点がありますので、Sailing Effectについて下記の通り私の推論を述べます。
ご参考になれば幸いです。
さて、レゴのヨットの動画はヨットの原理を100%説明していないと思います。
動画の機構では確かに抗力から前方に進む成分を取り出していますが、
それは、ヨットが帆の向きと舵の方向を別々に制御できる乗り物であるからでしょう。
ロードバイクのホイールは帆と舵が一体であるため、抗力はバイクを後方に押し返すしか生まないはずです。
抗力に関して言えば、ヨー角が開くほど前方投影面積が大きくなるため、大きくなるのは間違いないと思います。
ディープリムホイールが本当に恩恵を受けているのは揚力のほうで、
こちらはヨー角が開くほどホイールを挟んで圧力差が生じ、
それがバイクを前方に押し出す力になると考えます。
例えば以下の動画で分かりやすくヨットの帆が生む揚力を可視化してくれています。(3:40ころ)
https://www.youtube.com/watch?v=yqwb4HIrORM
以上、長々と失礼しました。。。
他の記事もいつも楽しく読ませていただいております。