公開日：2025年7月14日午前6時07分（オーストラリア東部標準時）
著者：Anthony Blazevich
あなたは玄関先に立っており、職場まで5キロの通勤を控えています。でも、車もバス路線もありません。1時間歩くか、自転車に飛び乗って15分で、ほとんど汗をかかずに着くか。あなたは後者を選びます。
多くの人が同じ選択をするでしょう。世界には 10億台以上の自転車 があると推定されています。自転車は、これまでに発明された交通手段の中で最もエネルギー効率の高いものの一つであり、歩いたり走ったりするよりも少ないエネルギーで、より速く、より遠くまで移動することを可能にします。
しかし、なぜペダルをこぐ方が舗装道路を踏みしめるよりもずっと楽に感じるのでしょうか？その答えは、私たちの体がこの二輪の機械とどのように相互作用するかという、優れた生体力学 (biomechanics) にあります。
驚くほどシンプルな機械
自転車の本質は、驚くほどシンプルです。2つの車輪（「バイサイクル」の由来）、チェーンを介して後輪に動力を伝えるペダル、そして力の微調整を可能にするギアです。しかし、このシンプルさの裏には、人間の生理学に完璧に適合するエンジニアリングが隠されています。
私たちが歩いたり走ったりするとき、基本的には制御された姿勢で前方に倒れ込み、一歩ごとに体を支えています。脚は大きな弧を描いて振り上げ、一歩ごとに重い脚を重力に逆らって持ち上げなければなりません。この振り上げ動作だけでも膨大なエネルギーを消費します。想像してみてください。1時間も腕を振り続けるだけでも、どれほど疲れるでしょうか？
自転車に乗ると、脚ははるかに小さな円運動をします。一歩ごとに脚全体の体重を振り上げるのではなく、太ももとふくらはぎをコンパクトなペダリングサイクルで回転させるだけです。エネルギーの節約はすぐに実感できます。
しかし、自転車の真の効率性は、人間の力を前進運動に伝える方法にあります。歩いたり走ったりするとき、一歩ごとに 地面との小さな衝突 が起こります。それは靴が路面に叩きつけられる音として聞こえ、体全体に伝わる振動として感じられます。これはエネルギーの損失であり、筋肉や関節を伝わった後、文字通り音と熱として消散してしまうのです。
歩行やランニングにも、非効率性の原因となる別の要因があります。一歩ごとに、前進する前に わずかにブレーキをかけている のです。足が体より前に着地すると、後方への力が生じ、一時的に速度が低下します。すると、筋肉はこの自発的なブレーキを克服し、再び加速するために、余分な力を使う必要があります。
路面にキス
自転車は、これらの問題を解決するために、世界有数の偉大な発明の一つである車輪を採用しています。
衝突ではなく、転がり接触 (rolling contact) となります。タイヤの各部分が路面に優しく「キス」してから離陸します。衝突によるエネルギーの損失はありません。また、車輪がスムーズに回転するため、力が地面に対して完全に垂直に作用し、ブレーキがかかったり止まったりすることはありません。ペダリングの力がそのまま前進へと変換されます。
しかし、自転車は私たちの筋肉が最大限に機能するのにも役立ちます。人間の筋肉には根本的な限界があります。収縮速度が速いほど、筋肉は弱くなり、より多くのエネルギーを消費します。
これは筋肉における力と速度の関係 (force-velocity relationship) としてよく知られています。短距離走がジョギングやウォーキングよりもはるかにきつく感じられるのも、このためです。筋肉は限界速度付近で活動しており、一歩ごとに効率が低下していきます。
自転車のギアはこの問題を解決します。スピードを上げると、ギアを高くすることで、自転車が加速している間、筋肉がそれ以上速く働く必要がなくなります。筋肉は、力の発揮とエネルギー消費の両方において最適な状態を維持できます。まるで、最高のパフォーマンスゾーンを維持するために、常に負荷を調整してくれるパーソナルアシスタントがいるようなものです。
ウォーキングが勝つこともあります
しかし、自転車が常に優れているわけではありません。
約15%以上の勾配（つまり10メートル進むごとに1.5メートルの勾配）の急な坂道では、ペダルを回すだけで自転車とあなたを坂道まで持ち上げるのに十分な力を生み出すのに脚が苦労します。足をまっすぐ伸ばすことでより大きな力を生み出すことができるため、歩行（または登り）がより効率的になります。
たとえ道路が建設されたとしても、私たちはエベレストにペダルをこいで登ることはないはずです。
下り坂ではそうではありません。自転車で下り坂を走るのは次第に楽になり（最終的には全くエネルギーを必要としなくなります）、急な坂道を歩いて下りるのはむしろ難しくなります。
勾配が 約10% を超えると（10メートル進むごとに1メートルずつ勾配が下がります）、下り坂を歩くたびに衝撃が加わり、エネルギーを浪費し、関節に負担がかかります。下り坂を歩いたり走ったりすることは、私たちが想像するほど簡単ではないのです。
単なる移動手段ではありません
数字が物語っています。サイクリング は、ウォーキングの少なくとも4倍、ランニングの8倍のエネルギー効率を実現できます。この効率性は、3つの主要なエネルギー消費、すなわち四肢の動き (limb movement)、地面への衝撃 (ground impact)、そして筋肉の速度制限 (muscle speed limitations) を最小限に抑えることによって実現されます。
今度朝の自転車通勤で歩行者を軽々と追い抜くときは、その足元に広がるバイオメカニクスの芸術作品に少しの間目を向けてみてください。自転車は単なる移動手段ではなく、あなたの生理機能と連携して機能し、あなたの筋力を効率的な動きへと変える、完璧に進化した機械なのです。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4ones(Koichi Ikenoue) の翻訳責任で行われており、The Conversationによる正式な翻訳ではありません。オリジナルの記事を読めます。original article.
