転がり抵抗

そりを氷の上で引くときは、地面とそりの刃が直接こすれ合って、滑りの摩擦が生まれます。でも車輪は地面を順番に踏みながら回るので、表面を荒く引っかきながら滑ることはありません。

それでも、平らな道を走っていた自転車や車は、ペダルやアクセルを踏まなければ、やがてゆっくり止まってしまいます。向かい風による空気抵抗を除いて考えても、車輪が転がる動きそのものをじゃまする見えない邪魔者がいるからです。

この邪魔者は、物が滑らないようにつかんで止める一般的な摩擦力とは性格が違います。車輪が滑らずにきちんと転がっているときにも、いつも現れます。車輪と地面が接するところで起こる車輪と地面のわずかな変形によって生じる力で、物理学ではこれを転がり抵抗と呼びます。

自転車で走っているとき、車輪と地面が出会う場所をよく見ると、ゴムが重さで押されて平らにつぶれています。車輪がそのまま前へ転がると、つぶれていた後ろ側は元の丸い形に戻り、新しく地面に触れる前側がまたつぶれます。

物は押されるときにエネルギーを吸収し、元に戻るときにエネルギーを外へ押し返します。けれどもゴムや地面のような物質は、元に戻るとき、最初に入ったエネルギーをすべては返せません。失われた分が熱エネルギーに変わって散っていく損失になります。

車輪の前側をつぶすにはたくさんの力が要るのに、後ろ側で元に戻りながら押してくれる力はそれより小さいのです。この力のアンバランスのせいで、転がる向きと反対向きに抵抗が生まれます。空気の抜けた自転車に乗るとペダルがやけに重いのも、タイヤが大きくつぶれてエネルギーを無駄にしているからです。

もう少し正確にいうと、転がり抵抗は車輪の材質だけでなく、走る路面の硬さや平らさによっても大きく変わります。平らな鋼鉄のレールの上を走る電車の鉄の車輪はほとんどつぶれないので、私たちが乗る乗り物のなかでも転がり抵抗がとても小さいほうです。

ところが、日常で出会うアスファルトや土の道は、細かい突起やでこぼこだらけです。もし一般の道路で硬い鉄の車輪を使ったら、荒れた路面にぶつかるたびに車輪も車体も上下に激しくガタガタと跳ね上がってしまいます。

そこで、空気を入れたゴムのタイヤは、でこぼこした地面の起伏をしなやかに飲み込んで通り過ぎます。タイヤがつぶれて少しエネルギーを失ったとしても、車体全体が跳ね上がることで生じるエネルギーの損失を減らしてくれるわけです。この損失は、タイヤの変形で生じる狭い意味の転がり抵抗とは分けて考えることもあります。結局、道路の状況に合わせた適切な空気圧としなやかさのバランスが、全体のエネルギー損失を減らすカギです。