【凸凹】次に来るエアロダイナミクスは何なのかの話【凹凸】 : しがないリーマンと自転車の話

CyclingTipsより。
https://cyclingtips.com/2019/10/bumpy-frame-smooth-air-the-next-big-thing-in-bike-aerodynamics/

オーストラリアのスプリンター、マシューグレーツァーがリオ五輪で奇妙なバイクでベロドロームに出走しました。
彼のシートポストの前面には、空気の流れを自転車に近づけ脚から離すように設計された一連の凹凸がありました。

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このデザインに気が付く人はほとんどいませんでしたが、これらの凸凹が自転車の空力にとって、重要な1歩になる可能性があります。

翼型のチューブの前面の一連の隆起が、風と戦う次の大きなものになるのでしょうか。
アデレード大学工学部コンピューター及び数理科学部の研究プロジェクトの責任者であるリチャード・ケルソ准教授に話を聞きました。
この大学は凹凸技術に関する新たに公開された特許を所有しており、次世代のエアロバイクにも適用できるそうです。

さて、ZIPPの454NSWを覚えていますか？
ザトウクジラのヒレの形を模倣して凸凹を作ったホイールです。

(私はこれを履いてwatopiaを走ってます。。)

それはばかげているように聞こえましたが、ZIPPはその気流安定化設計を何年か前の論文に基づいて作っていました。それは、その後の空力設計の新しい波につながった研究です。

例として2006年、ケルソと多くの研究者が主に工業用ファンに重点を置き、翼の凹凸と抗力低減装置の調査を開始しました。
この研究によって20の研究論文と3人の博士号が生まれ、抗力低減の知識が大幅に向上したそう。

ケルソの最新の特許である「自転車の空気力学の改善」は彼の初期の研究を効果的に発展させたものであり、自転車の設計に特化されたものです。

突起は、コンポーネントの両側を通過すると渦を生成し、ヨーに流れる風の境界層の分離を遅らせるように設計されています。これより、抵抗が減少するそうです。

サイクリストとして、乗り越えようとするドラッグは真っ直ぐ（正面）にはほとんどなく、現代の空力のトレンドは「ヨー角」「ヨーフロー」です。ライダーの運動方向と相対する風のベクトルの角度の話題です。

ヨー角にフレームの凸凹はどのように影響するのか。
凹凸のメカニズムはゴルフボールのディンプルや航空機の翼のタービュレーターのメカニズムに似ているが効果は大きくなるそう。

以下、ゴルフプラザオカムラのサイトより。

話に戻ります。
4度を超えるヨー角で自転車の周りの空気が分離し始めると、凹凸が境界層の分離を遅延させ、抗力が減少します。
ただ、従来のタービュレーターとは異なり、ヨー角が小さい時には機能しません。

シートチューブ、ダウンチューブに使用されている翼形状は厚く、ヨー角が5度でさえ、低速の風と組み合わさると境界層の分離が起こりドラッグの増加につながります。
凹凸がどのくらいの違いを生み出すのでしょうか。

ケルソによると、54km/hで走行する最新のタイムトライアルバイクは、シートポストとシートチューブに適切に設計された凸凹があるだけで10度-15度のヨー角のときに自転車の抵抗を6％減らすことができます。

パテント画像

2013年、MAVICはKONAのアイアンマンコースで自転車に対するヨー角を測定し、
68%の時間で4°を超え、30%の時間で10°を超え、最大のヨー角は20°を超えていたそうです。
Mavicの結果にシートチューブとシートポストの凹凸の効果を当てはめると、全体として4%ほど空力が向上するそうです。

しかし、それはすでに乱れている空気の部分であり、ダウンチューブとフォークの設計がさらに大きな抗力削減をもたらすとケルソは主張します。

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こうなる？

低い角度では利点はありませんが、ヨー角が4°を超えると、設計が最適に機能し、次第に増加していきます。
ベロドロームでは、ヨー角がほとんど4°未満の為、測定可能な利点はないですが、ロード、TT、トライアスロンの場合、環境風の影響があるため、このコンセプトは非常に効果的なのです。とのこと。

風の中では速いのかもしれませんが、凹凸の追加は重量、強度、剛性などのバランス、他のエンジニアリングでの課題も生じそうですが、ケルソによると、３Dプリンティングの進歩がこの懸念を解消し、既存カーボンの製造方法でも大幅な重量増加なしに設計が実装できるようになるそうです。
間違いなくコストの増加にはなるでしょうけども。

いくつかの会社と色々協議しているところらしい。
ケルソ的には、テクニカルルール的にイノベーションの範囲が広がるTTバイクでこの技術が使用されることに興味があるみたいです。
ケルソは現在はサイクリングオーストラリアでトラックバイクの開発をしているそうです。
ケルソのバイクを東京五輪で見ることができるのは確実でしょう。

凸凹がトラックで明確な差を生じさせない場合でも、ロードで採用されるかはとても興味深いです。
過去のケルソとの関係から、ARGON18、SCOTTは凹凸のライセンスについて、大学と協議をしている2社に過ぎないでしょう。過去の製品達とおなじように、ロードの市場に出る前に、トライアスロンの世界でその空力効果が証明されるでしょう。

という内容でした。

ちなみにフレームに対する空気の流れ云々の話は過去にもあり、
2017年にDiamondbacksというメーカーがIOというモデルを発表しています。
発売できたのかは知りませんが。
これは後ろに凸凹がついたモデル。