バイク運転時のブレーキングや加速、旋回時の挙動は全て運動方程式F=maで説明できます。ライダーの体重増加がわずか15kgでも加速性能に7%もの影響を与えるのはなぜでしょうか?
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前面投影面積とバイクの物理現象
体を起こして乗るとバイクの燃費は10%以上悪化します。
前面投影面積とは何か・バイクにおける定義
前面投影面積とは、バイクとライダーを真正面から見たときの面積のことです。厳密には、前方無限大の距離から光を当てた時に物体の後ろの壁にできる影の面積を指します。
参考）前面投影面積を最小にして向かい風に打ち勝つ！ : 自転車コギ…
バイクの場合、この面積が小さいほど空気抵抗も小さくなります。
つまり影が小さいということですね。
空気抵抗は「空気抵抗係数(Cd値)×前面投影面積」で求められるため、車体のスタイルが同じでも投影面積が大きければ走行抵抗は増大します。特にバイクはライダーの身体の面積が前面投影面積に占める割合が約75%と非常に大きいのが特徴です。車体のデザインより、ライダーの体格や乗車姿勢の違いの方が大きく影響するということです。
高速道路での巡航時に前傾姿勢をとると、空気をより効率的に後方へ流せます。
前面投影面積が燃費と速度に与える影響
ライダーが通常の運転姿勢から前傾姿勢をとると、前面投影面積が10%程度減少します。この変化は燃費と最高速度の両方に直接影響を及ぼします。
空気抵抗は速度の二乗に比例して増加するため、スピードを2倍にすれば抵抗は4倍になります。高速域ほど前面投影面積の削減効果が大きくなるということですね。
実際の空気抵抗は「空気密度×Cd値×前面投影面積×速度の2乗÷2」で計算されます。つまり前面投影面積を減らせば、余分なパワーや燃料を消費せずにスピードを維持しやすくなります。
参考）【ZWIFT】身長・体重と空気抵抗の関係～導出編～｜Haya…
自動車の燃費試験では、空気抵抗係数を10%削減すると燃費が約2%改善する計算結果が出ています。ただし40km/hなどの低速走行では空気抵抗の比率が全走行抵抗の20%程度しかないため、影響は限定的です。
高速道路巡航時に姿勢を変えるだけで、給油の頻度が変わってきます。
バイクのCd値と前面投影面積の関係
バイクのCd値(空気抵抗係数)は、車種によって大きく異なります。ライダーが体を伏せたスーパースポーツ(SS)でもCd値は約0.9あり、体を起こしたネイキッドタイプでは約1.3にもなります。
参考）『CD値ってどういう事ですか？アホでも理解できるように説..…
これは自動車のCd値0.4以下と比較すると、約2倍から3倍以上の数値です。バイクは前後の長さに対して高さや幅が短く、エンジン表面やライダーの手足など凸凹が多いため、空気がこれらにぶつかり乱流を形成してしまうのです。
バイク全体のCd値は0.6~0.9程度の範囲にあります。同じCd値でも前面投影面積が大きければ、その分走行抵抗は増大します。
フルカウルのスポーツタイプは、メカニズムがむき出しのネイキッドタイプよりCd値が小さくなります。バイクレースのライダーたちが直線で体を前傾させてカウルの中に入るのは、できるだけ空気抵抗を減らすためです。
参考）市販車にも関係ある？ 「Cd値」や「ダウンフォース」、「ミュ…
車体形状の工夫だけでは限界があるということですね。
前面投影面積を減らすライダーの姿勢テクニック
レーサーが伏せる姿勢(フルタック)をとるのは、背中や頭を車体の輪郭にできるだけ合わせて気流を乱さないようにするためです。この姿勢変化だけで前面投影面積を大幅に削減できます。
一方でアップライトな姿勢だと体が風を受けてCd値が高まります。ちょっとした肘の張り出しや膝の開きも抵抗を増やすので、高速巡航時には注意が必要です。
前から見た時に胴体の前に腕が来るフォーム(いわゆるスーパーマンポジション)は、前面投影面積が減り大幅に空気抵抗を削減できます。ただし確かに効果的ですが、レースでも禁止されているほど危険な姿勢です。
参考）https://ameblo.jp/44100x16bit-arts/entry-11480089563.html
空気抵抗を減らす基本は「前面投影面積の削減」と「とくに幅を狭く」、そして「身体を流れる空気の整流化」の3点です。高速走行時には体をできるだけカウルに沿わせ、肘と膝を締めるだけで効果が得られます。
参考）バイク「空気抵抗削減」へのシンプルな考え方: 八田益之ブログ…
安全な範囲で姿勢を工夫するのが基本です。
体格による前面投影面積の違いとその対策
ライダーの体格によって前面投影面積は大きく異なります。空気抵抗は√(体重×身長)に比例するという研究結果があります。つまり身長が高く体重が重いライダーほど、前面投影面積が大きくなり空気抵抗も増加します。
自転車の研究では、乗車姿勢による前面投影面積の変化が計測されており、上ハンドルポジションで約0.44平方メートル、最も伏せた姿勢では約0.37平方メートルと、約16%もの差が確認されています。
バイクでも同様の傾向が見られます。
参考）http://module.jp/dist/Change_of_A_by_the_riding_position.pdf
体格の大きなライダーでも姿勢の工夫で対策できます。具体的には前傾姿勢を深くする、肘を内側に絞る、膝をタンクに密着させるなどの方法です。
フルカウルのスポーツバイクを選べば、体をカウル内に収めやすくなります。体格が大きいからといって諦める必要はありません。車種選択と姿勢の工夫で、前面投影面積による不利を軽減できるということですね。
ツーリング用バイク向けの大型スクリーンを装着すれば、上半身が風防の後ろに隠れ実質的な前面投影面積を減らせます。ただし風防自体の面積増加とのバランスを考慮する必要があります。
RUDY PROJECTのエアロヘルメット技術解説
ヘルメット形状による空気抵抗(CdA値)の違いを詳しく解説しています。