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エアロスポークとホイールの剛性の関係

自転車のホイールのスポークですが,
一般的なスポークの断面は円形になっています.

しかし,エアロスポークは空気抵抗の軽減を目的に
断面形状が長方形になっています.

どの程度,空気抵抗が軽減されるかは
長方形のアスペクト比(縦横比)や空気の流速によって変化するので
決まった数値はありませんが,空気抵抗は軽減されます.

ここまでが,空気や水の振る舞いを扱う学問,流体力学の話です.


ところが,材料の変形や内部の力を扱う学問,材料力学を使うと
エアロスポークを使えばホイールの剛性があがるという結果が出てきます.
ここで言う剛性とは,変形のしにくさのことです.


私のロードバイクのホイール,MOstの円形スポークは,
スポークの直径が2mmです.つまり,断面積は3.14 mm^2です.

私の通勤用MTBのホイール,MAVIC CrossRideのエアロスポークは,
1mm×3mmの長方形断面です.つまり,断面積は3 mm^2です.


自転車のホイールは,スポークの張力でハブを支えているので
断面積がほぼ同じ2つのスポークは,材質が同じであれば,
同じ剛性と言えそうです.

ところが,実際のスポークには張力以外に曲げモーメントが作用します.
(ラジアル組のホイールや,後輪のホイールは,トルクがかかるので曲げの影響が大きい)

この曲げモーメントに対する変形のしにくさは,形状がきわめて重要になります.
曲げ変形に対する形状の影響は,断面二次モーメントという量によって決まります.

上の円形スポークの断面二次モーメントは,0.785 mm^4.
上のエアロスポークの断面二次モーメントは,2.25 mm^4.

なので,2つのスポークの曲げ変形のしにくさは,3倍近く違って,
エアロスポークのほうが曲げ変形に対して強いということになります.
(ただしエアロスポークの向きが曲げに対して強い方向にした場合.)


したがって,普通の円形スポークとエアロスポークとで,
同じ本数,同じ組み方にした場合,
エアロスポークを使ったほうが,剛性の高いホイールが出来上がります.
(ちなみに,エアロスポークの場合,横荷重に対する剛性は低下することが予想されます.)




なお,上の結果は材料力学を使って,スポーク1本の断面形状から導き出したものなので,
間違っている可能性もあります.


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2008年1月右肘骨頭骨折
2008年8月抜釘
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