自転車で右や左に曲がる時に、知らないうちに起こっている物理的な動きとは？

小さい子どものころに大変な思いをして自転車に乗れるようになってしまうと、あとはほとんど何も考えることなく自由に自転車を操れるようになります。いわば「体が覚える」という状態で自転車をマスターするわけですが、実際に自転車に乗っているときは、ほぼ無意識の状態で人間は思いもよらない動きをしているものです。

The Counterintuitive Physics of Turning a Bike - YouTube


例えば、自転車に乗っていて、右方向へと曲がろうとした場合。

この時、単純にハンドルを右方向に曲げるだけでは……

うまく右には曲がれず、逆に左の方向へと進んでしまいます。これは、直進状態のままハンドルを右に曲げると逆の左へと車体が傾いてしまい、自然に左方向へと曲がりはじめるため。

4輪の自動車だと進みたい方向にタイヤを向ければいいわけですが、2輪の自転車の場合になると状況は異なります。その違いは具体的に「車体が傾く」というアクションが起こるところにあります。

自転車の場合は、最初の「きっかけ」が必要。このように、ハンドルを右へ軽く切ると……

車体は左へと傾きます。この時、前輪を支えるフォークの角度とタイヤの設置点、そして自車の車重などによる力学的関係から、前輪は左方向へと自然と向きを変えることになります。

すると前輪の向きにより、自転車には左へと進む力が生まれます。このようにして車体を軽く左に傾けたまま、自転車は最初にハンドルを切った方向とは逆の方向へと進みます。

これは、右方向へと進みたい場合にも全く逆のことが言えます。「右に行きたい」と思った時はまずハンドルを軽く左へ切ると……

当然のように、車体は右の方向へ倒れようとする動きが生まれます。そして、先ほどと同じ力学の作用によって……

今度は車体が右に傾いた状態ではハンドルが右に切れ、そのまま右の方向へと自転車が進んで行くことになるというわけです。この最初のハンドルは、ほぼ無意識に行われているのと、実際にはほんのわずかな角度だけなので、認識できることはほとんどないと言われています。

この動きを生みだしているのが、自転車やオートバイなどの2輪車に備えられているセルフステアという働き。一般的に、走行中の2輪車が左右どちらかの方向へ傾くと、前輪にはその時の角度よりも大きく内側に切れ込もうとする力がはたらきます。その力がかかるとコーナリングの力が強くなるわけですが、こんどは車体にかかる遠心力の働きにより、車体が起き上がろうとします。つまり、この切れ込む力と、起き上がろうとする力の拮抗によって、自転車のコーナリングが成り立っているというわけです。

自転車がコーナリング中、実際に乗っている人は意識することはありませんが、進んでいる方向とは逆の方向にわずかだけハンドルを切ろう(戻そう)とする力がはたらいているというわけです。

この動きをもう少し詳細に解説した以下の記事を読むと、なぜ自転車は倒れることなく走るのか、そのメカニズムがわかります。

なぜ自転車は倒れずに走り続けられるのか、そのメカニズムを動画で解説 - GIGAZINE

かいつまんで言うと、自転車が倒れずに走る続けられる理由の一つが、前輪を支えるフロントフォークに角度が付けられているため。そのため、フロントフォークの回転軸の延長線が地面に当たる場所と、実際にフロントタイヤが接地している場所にはズレが生じます。

その状態で例えば車体を左に傾けると、車体の重量によりハンドルが左に大きく切れようとします。この力が、コーナリング時の安定性を生みだしていると考えられているわけです。

また、フロントフォークの軸よりも、ハンドルやタイヤの重心位置が前の位置にあることや……

タイヤが回転することで生まれる「ジャイロ効果」も、自転車が曲がることができたり、さらには真っすぐ走ることを可能にするために一役かっている、ということです。