ツール・ド・フランスにおけるドラフティングの物理学

ツール・ド・フランスのようなロードレースでは、パワーが最も重要です。一定の速度で自転車を走らせるには、エネルギーを使わなければなりません。ただ乗りはできません。しかし、ライダーのエネルギー消費に大きな違いをもたらすものが一つあります。それは、他のライダーです。同じ速度で走っている他のライダーのすぐ後ろを走ることで、人間は有利になります。これをドラフティングと呼びます。それでは、その仕組みを見てみましょう！

これは、平地で一定の速度で自転車に乗っている人の力の図です。

物体（どんな物体でも）が一定速度で動いている場合、力の全体はゼロでなければなりません。これは物理学の法則です。この場合、自転車（とライダー）を引き下げる重力と、路面から押し上げる力が作用します。これら2つの力は同じ大きさなので、自転車は上下に加速しません（これは良いことです。路面から飛び出す自転車は見た目が奇妙ですから）。これらの力は実際には問題ではありません。

水平方向において、ライダーが対処しなければならない力は空気抵抗です。空気抵抗については、あなたが思っている以上によくご存知でしょう。走行中の車の窓から手を出せば、この力が手を押し返すのを感じることができます。空気中を速く移動すればするほど、この力は大きくなります。自転車では、一定の速度で走行するために、この空気に抵抗する必要があります。実際には、この前方に押す力はタイヤと路面の摩擦によるものですが、力の最終的な発生源はライダー自身であると考えることもできます。

最も一般的な空気抵抗力のモデルでは、空気抵抗力はライダーの速度の 2 乗に比例します。

空気抵抗は、空気の密度や物体の大きさや形状など、他の要素にも依存します。実際、空気抵抗は非常に複雑な要素です。しかし、今回のケースでは、これらの「他の要素」をすべて係数Cに代入しています。

さて、物理学についてもう少し詳しく見てみましょう。仕事の定義です。ある力が物体をある距離以上押している場合、その力は「仕事」（物体のエネルギーを変化させる可能性がある）をします。仕事は以下のように定義されます。

この式において、Fは力、s は力が移動する距離、θ は力と変位の間の角度です。摩擦力は自転車の運動と同じ方向に押すので、θ はゼロ、ゼロの余弦は 1 です。

人間が自転車に乗るとき、ある程度の距離をある程度の力で押し続けなければならず、これにはエネルギーが必要です。では、出力はどうでしょうか？出力とは、何かがエネルギーを消費する速度のことです。ここでは人間が行う仕事について話しているので、出力は次のように定義できます。

時間間隔（Δt）を秒単位で測定し、仕事をジュール単位で測定すると、電力はワット単位になります。では、これらをすべてまとめてみましょう。仕事は押す力、移動距離、そして電力は移動にかかる時間に依存します。

複雑そうに見えますが、実際にはそれほど難しくありません。距離を時間の変化で割ったものが、ライダーの速度です。しかし、力は速度にも依存するので、ここに空気抵抗の式を当てはめると、次のようになります。

そして、パワーの問題があります。一定速度で移動するために必要なパワーは、速度の3乗に比例します。つまり、速度を2倍にすると、必要なパワーは8倍に増加します。これは大きな変化です。ライダーがタイトな服を着て、自転車に乗る際に直立姿勢ではなくしゃがむのは、このためです。これらの行動はどちらも抗力係数を下げ、抗力（ひいては必要なパワー）を減らします。

速度を落とせばパワーは落ちますが、ツール・ド・フランスでゆっくり走っていてはおそらく勝てないでしょう。つまり、勝つ唯一の方法は、パワーを上げるか、他の方法で空気抵抗を減らすことです。ここで、他のライダーが役に立ちます。サイクリストが走っているときに空気が動いているのを想像してみてください。自転車と人間は非常に複雑な方法でこの空気を押しのけますが、空気を乱さないままにしておくわけではありません。ライダーの後ろには乱流の跡が残ります。この乱流の空気は通常の空気よりも動きやすいため、後ろのライダーにかかる空気抵抗が減少します。ドラフティングは、一定速度で走行するために必要な全体的なパワーを減らすか、ライダーが同じパワーでわずかに速く走れるようにします。

バイクのような小型車の場合、後ろの空気抵抗の変化は小さく、大型トラックの後ろでドラフティングするほど大きくないと思うかもしれません。しかし、これはレースです。ほんの小さな要素が勝敗を分ける可能性があります。

ところで、1台のバイクの後ろでドラフティングをすることでライダーに目に見えるほどのメリットがあるのなら、10人のライダーの後ろに1台のバイクがあったらどうなるか想像してみてください。パワーの節約効果は相当なものになるはずです。これがプロトン（集団でまとまったライダー集団）の考え方です。プロトンの中にいると他のライダーとペースを合わせるのはずっと簡単ですが、集団の真ん中にいるとレースに勝つのはかなり難しいです。勝ちたいなら、集団から抜け出し、一人で、あるいは数人のライダーと連携して動き出さなければなりません。正直なところ、ドラフティング戦略こそがツール・ド・フランスを観ていてこれほど面白いものにしているのです。

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