空気抵抗とバイクの物理現象：速度・燃費・姿勢の関係

空気抵抗とバイクの物理現象

時速80kmから100kmに上げると燃費は約2倍悪化します。

参考）【燃費の物理】高速道路での燃費の良い走り方　120km/hは…

空気抵抗が速度の2乗に比例する理由

バイクの走行抵抗には、タイヤの転がり抵抗、回転部分の摩擦抵抗、そして空気抵抗の3つがあります。

この中で最も注意すべきなのが空気抵抗です。

参考）ロードバイクと空気抵抗　その１　基本編 - ロードバイクの理…

空気抵抗は「空気抵抗係数×前面投影面積×速度の二乗」という計算式で表されます。

つまり速度を2倍にすると、抵抗は4倍になります。

速度を3倍にすると、抵抗は9倍です。

参考）空気抵抗 (air resistance 、air drag…

どういうことでしょうか？
時速80kmと100kmを比較すると、数字では1.25倍の差に見えます。しかしそれぞれ二乗すると6400と10000になり、空気抵抗の差は約1.56倍になるのです。さらに、抵抗に抗するために必要なパワーは速度の3乗に比例するため、速度が2倍になると必要なパワーは8倍にも増加します。

参考）100km/h巡航が正解じゃない？ 本当に燃費のいい走行速度…

エンジン出力には限界があるため、高速域に達するほど、さらなる加速のためには大きなパワーが必要になります。もし空気のない場所でバイクを走らせたら、残る抵抗は路面との転がり抵抗と回転部分の摩擦抵抗だけなので、とんでもない速度まで加速できるはずです。

参考）バイクの空力性能とスピードの関係

空気抵抗の実体は2つあります。1つ目は、前方の空気分子にぶつかることで生じる圧力です。2つ目は、体の後ろ側にできる気圧の低い部分が背中を引っ張る作用です。

参考）ロードバイクと空気抵抗　その２　抵抗力の実体 - ロードバイ…

この低気圧部分には渦が発生し、左右に振動するように現れます。この渦巻きのせいで空気の流れがますますスムーズでなくなり、進行方向と反対向きの力がライダーに加わるのです。

バイクの速度別空気抵抗の割合

時速15kmでは全走行抵抗のうち約50%が空気抵抗です。これが時速30kmになると約80%に跳ね上がり、時速40kmでは約90%が空気抵抗になります。

参考）ロードバイクで速く走るための空気抵抗対策完全ガイド｜乗車姿勢…

つまり平坦路での高速走行時には、ほとんどのエネルギーが空気抵抗に対抗するために消費されているということですね。

これが燃費にどう影響するのか？
時速40kmの低速走行では空気抵抗の比率が全走行抵抗の20%程度なので、空気抵抗係数を10%増やしても計算上の燃費は97.96%にしか悪化しません。

しかし高速道路では話が違います。

参考）Sum.２「走行抵抗の変化」による燃費への影響…その詳細。

時速80km、100km、120kmで走行抵抗と燃費を比較すると以下のようになります。

速度	走行抵抗	燃費比
80km/h	500N	1.0倍
100km/h	700N	1.2倍
120km/h	940N	1.9倍

時速80kmを基準にすると、時速120kmでは走行抵抗が1.9倍近くになり、燃費は約2倍悪化します。燃費を悪くする主な原因は空気抵抗であり、速度の2乗に比例するためです。

高速道路では時速80kmが経済速度だとよく言われるのは、このデータが根拠です。燃費よく高速道路を走行するには、ある程度速度を抑えることが重要だということが分かります。

空気抵抗を減らすバイクの姿勢と伏せ方

バイクにとって強風はかなりのリスクです。実際に風速10m/sec(秒速)あたりから、バイクは進路を持っていかれそうになります。

参考）バイクの天敵＆#8221;強い横風＆#8221;をやり過ごす…

吹き流しが真横まで持ち上がってバタついていたら、とにかく上半身を低く、場合によっては燃料タンクに顎がつくほど伏せてしまいましょう。こうすることで、横風が上半身に当たる面積が減り、車体をフラつかせる要因を減らすことができます。

参考）横風には上半身を伏せて風が当る面積を減らす！【ライドナレッジ…

姿勢による空気抵抗の違いは、通常走行時にも大きな影響を与えます。上半身を起こしたアップライトな姿勢では、前面投影面積が大きくなり空気抵抗が増加します。

それに対して前傾姿勢を取ると、前面投影面積が小さくなり空気抵抗が減少するのです。ロードバイクのデータですが、時速42kmでのポジション別空気抵抗削減効果を見ると、伏せた姿勢ほど抵抗が小さくなることが分かっています。

参考）科学的に速くなるための実験データ等

伏せた姿勢が基本です。

ただし前傾姿勢を維持するために体力を消耗してしまう面もあります。長時間の走行では、風の抵抗による体力の消耗と、前傾姿勢を維持するための体力消耗のバランスを考える必要があります。

参考）フルカウルとネイキッドどう違う？

強風時には姿勢だけでなく、スロットル操作も重要です。エンジンの低い回転、2～3,000rpmあたりでスロットルを捻って加速すると、後輪が路面を蹴って真っ直ぐ安定して走ろうとします。スロットルを全閉にしたエンジンブレーキも同様に直進性を助けてくれます。

フルカウルとネイキッドの空気抵抗差

フルカウルとネイキッドの最大の違いは、フルカウルのバイクの方が空気抵抗が少ない点です。まさにこのためにカウルは装着されているわけで、ロングツーリングなど長時間の走行では風がもたらす疲労を軽減してくれる非常に大きなメリットをもたらします。

フルカウルはバイクの車体全体を覆うため、空気の整流効果が最も大きくなります。そのおかげで車体の高速安定性が向上することに加え、空気抵抗が減るため加速力の向上や最高速アップなどのメリットがあります。

参考）バイクのフェアリングとは？カウルとの違いや種類、おすすめのメ…

ネイキッドはエンジンがむき出しなので空気抵抗が大きいですが、カウルで覆うことで計算された空気の流れに変えられるのです。

参考）【どっち？】フルカウル vs ネイキッド【メリット・デメリッ…

これは使えそうです。

カウルは走行時に前方方向から受ける風を切る役割を持っており、風による物理的な負担が大きく軽減されるよう設計されています。走行時の向かい風は物理的な負担となるだけでなく、ライダーの体温を奪いやすいのが特徴です。

参考）https://www.goobike.com/magazine/maintenance/maintenance/36/

そういった面においても、カウルの風切りはバイクに乗る上で大きなメリットとなります。風の抵抗を受けにくいことで速度を落とさずに走行できるので、速度性能を重視した多くのバイクにはカウルが備えられている傾向があります。

反対に、デメリットとしてカウルの重さの分だけ重量が増加するため、低速での切り返しやゼロ加速などに影響を与えてしまいます。ネイキッドは車体の重量が軽くなる分、軽快な乗り心地を味わえるというメリットがあります。

ハーフカウルは主にハンドルからヘッドにかけての部位を覆うように備えられています。空気抵抗を減らしながら速度を維持するのに適しているため、競技バイクやネイキッドタイプのバイクに多い傾向があります。

空気抵抗と燃費の関係を示す具体例

排気量別のバイクの平均燃費を見ると、カタログ値では以下のようになっています。

参考）https://bikeman.jp/blogs/bikeparts/motobike-101

クラス	平均燃費(WMTCモード値)
原付一種(50cc)	50～60km/L
原付二種(125cc)	40～45km/L
250ccクラス	25～30km/L
400ccクラス	20～25km/L
大型クラス(400cc超)	15～20km/L

原付一種クラスの50～60km/Lは圧倒的に優秀な平均燃費です。

実際の車種で見ると、ホンダ・スーパーカブ50が69.4km/Lと最も燃費が良く、125ccクラスのホンダ・モンキー125も68.7km/Lとスーパーカブ50に迫る優秀な数値になっています。

厳しいところですね。

燃費が悪くなる原因の1つに、タイヤの空気圧不足があります。空気圧が低下することでタイヤと路面の接地面積が増えて抵抗が大きくなるため、より大きな力が必要になり燃費が悪くなるのです。

参考）バイクの燃費が悪くなったかも？原因と対策方法

タイヤの空気は、バイクに乗らなくても少しずつ自然に抜けていきます。

このため定期的な空気圧チェックが必要です。

タイヤの空気圧を適正に保つことは、燃費改善の基本的な対策の1つといえます。

参考）燃費が悪くなった気がする…何が原因？

空気圧が過剰な場合もタイヤの摩耗が早くなり、燃費悪化につながります。

適正な空気圧を保つことが条件です。

空気抵抗に関する意外な物理現象

バイクに乗った人が高速で移動すると、体の後ろ側に気圧の低い部分ができて、そこに向かって自分の背中が引っぱられます。

これは意外に知られていない現象です。

前方から押される力だけでなく、後方から引っ張られる力も空気抵抗に含まれているということですね。

この低気圧部分には渦が発生し、左右に振動するように現れます。この渦巻きのせいで、空気の流れがますますスムーズでなくなり、進行方向と反対向きの力が走者に加わるのです。

空気は気圧の高い方から低い方へ流れますから、気圧の低い方はものを引っ張り込む作用を持ちます。空気が流体であるため、固体の壁とは異なる複雑な抵抗が生じるのです。

痛いですね。

走行抵抗は「タイヤの転がり抵抗+空気抵抗+登坂抵抗」で表されます。右辺の走行抵抗と駆動力が釣り合っているときに一定速度で走行し、駆動力が勝ればバイクは加速します。

参考）空気抵抗とは？空気抵抗係数Cdに代表される走行中の抵抗【バイ…

低速域ではタイヤの転がり抵抗が支配的ですが、高速域になると空気抵抗が支配的になるのです。この切り替わりポイントを理解することで、速度域に応じた適切な対策が取れるようになります。

フルカウル付きで遥かに空気抵抗の良いバイクの方が、同じエンジンでも最高速が速いという事実があります。最高速ともなりますと、バイクにかかる空気抵抗が非常に大きくなるため、カウルの有無が決定的な差を生むのです。

参考）http://www.tamashop.co.jp/old/column4.htm

横風に対しては、スロットルをパーシャル(加速も減速もしないクルージング状態)でいたほうが、風の影響でフラつきやすいという特徴があります。加速またはエンジンブレーキ状態の方が直進性が高まるのです。

つまり横風対策には低速加速が有効です。

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