自転車道場
下り坂でのハンドルの共振 / 9
skogenさん
共振お化けシミーちゃんが来ないよう、しつこく調べてみました。
この異常振動はwobble、あるいはシミーと呼ぶのが一般的です。wobbleを日本語にして「ブルブル」も良いかも知れませんが、ここではシミーと呼ぶことにします。
まず、シミーは条件さえ合えばいろんなスピードで起き、低速（20km/h以下）でも起こすことができます。低速で生じるシミーは乗り手の経験で抑えることができるため、普通は問題になりません（たぶん無意識に消してるんだと思います）。高速域や坂道で起こると速いシミーは、振動がどんどん大きくなってどうしようも無くなるので事故につながります。
この現象は正しく言えば共振では無く、自転車のスピード（運動エネルギー）をエネルギー源とする自励振動です。なので高速だったり、坂道の下りだったりするとエネルギーが注入され続けるので異常振動に発展します。（例えば、バイオリンの弦が大きな音を奏でるのは、弓で大きく引かれた弦に強い復元力を生じ、弓の直線的な動きで弦が何度も励振されるからです。この場合、エネルギー源は弓の直線的な動きにより生じる摩擦力で、共振している訳ではありません。）
ホイールが左右に細かく振動するのが一般的なシミーで、左右方向の動きを減衰させるダンパーを入れれば抑えることができますが、自転車ではそういう機構は通常は備わっていません。
次のような特徴があります。
・速度が上がると振動は速くなる（6Hzから9Hz）
・大きな影響をあたえるのはタイヤの特性
コーナリング時のタイヤのグリップ力（コーナリングスティフネス）が重要
グリップ力が大きいとシミーは高い周波数に移り、不安定になる
・タイヤの空気圧の影響は小さい
・ホイールの慣性モーメントが大きいと安定化する
・乗り手の体重は大きな影響がある。
体重が軽いと起こらない。振動は高周波側に移る
・ジオメトリー（フレームとか乗車体制）はあまり影響しない
・お尻（サドル）の固さはあまり影響しない
・フロントフォークとかハンドルは異常振動の周波数を変える
・フレームが固くなると異常振動の周波数は高くなる
・ヘッドチューブ角が小さい（ヘッドチューブが寝ている）と高速でも安定
同じフォークオフセットで比較した結果
・ダンピングが大きいフレームはシミーが起こりにくい
現実には異常振動に発展する条件に合致しなければシミーは起きないので、多くの自転車では共振お化けに出会うことは滅多に無い。乱流とか部品点数が多い複雑な機構部品で起こる発振では無く、単純な自励発振現象なので、条件が合致する自転車と乗り手だと、再現は容易。上の考察はシミーを低速で何度も再現させて、その時の自転車の振る舞いとコンピュータシミュレーションとの比較で得られています。
あと、自転車のシミー現象は自転車乗りにはとても重要な問題ですが、工学的（経済的）な重要性が低いせいか、ほとんど調べられていないとのことです。
いろいろ書きましたが、道場長の説明で済んでいるものが多いですね。繰り返しの説明が多いかも知れませんが、科学技術は卓越した技能を普通の人が理解し、使えるようにするためにある、って事でお許し下さい（意味不明か？ ^^;）。
車体の振動というのは、ものすごくゆっくりしたものは車体の傾き、あるいは転倒に相当します。
少し速くなって1Hzぐらいだと蛇行になり、さらに速い振動のシミーが加わります。
つまり、シミーは蛇行とは違います。別ものなので、ブルブルと異常振動しながら、蛇行して、さらに傾きながら転倒なんて最悪のパターンも起こすことができる事になります。
調べた感じでは、体重を減らすのが確実で一番安上がりです。体重80kg台の人が乗ってシミーが生じる自転車でも20kg減量すると発生しなくなります。。。非現実的ですね。^^;
あるいはスピードを出さない。14km/h以下だとたぶん発生しません。。。これもロードバイクでは非現実的ですね。
次はタイヤを変える。グリップしないつるつるのタイヤだとブルブルは起きません。その前に転倒します。。。怒られる前に、そろそろ冗談は止めます。
私はこの異常振動の原因を自分の技術の無さが悪いと思って（コケたので技術が無かったのは間違い無いですが）、同じ自転車にしばらく乗っていました。今思えば対策すべきでした。平地で40km/hを出すことはあったので、このブルブルが起こってもおかしく無かったって事になります。
あと、どの振動も勝手に生じるのでは無くて、なんらかのきっかけが必要です。積極的な解決方法ではありませんが、整備をしてガタツキを無くし、きっかけとなる小さな振動を減らす効果はゼロでは無いと思います。
あー、スッキリした。
正体を暴いてやったので、もうシミーちゃんもブルブルくんも来ないはずです。わはっは！（トトロに出てくるお父さん風に）なんて裏付けのない安心なんかせずに、少し速い速度から安全に停止する練習をルーチンに加える事にします。
alfdb14さん、良いきっかけを作ってもらいました。有難うございました。