風が苦手，自転車走行時の抵抗は－

いつも強い風が吹いている関東からUターン転勤で 広島県呉市に戻って 坂の多さに目に瞑れば 自転車に乗り易くなりました。

自転車走行時の最大のエネルギーロスは空気抵抗によるものなので 還暦過ぎ・体力／筋力軟弱な私に 風は大敵です。
風の影響を考えてみました。

空気抵抗（流体抵抗）力は 次の式で表されます。

  F=1/2ρCD V^2×A

  ここで

• F ：抗力 （kg・m/s^2）
• ρ：（流体）密度  （kg/m^3）
           空気の場合なら 1気圧，0℃で 1.293kg/m＾3
• CD ：抵抗係数（Drag Coefficient） （無次元）
          平板なら 1.0，自動車の場合，0.3前後。スポーツカーは 0.25程度，
          プリウスは 0.26 で車体もエコです。
          通常，モデルを作って 風洞実験を繰り返して設計します。
          最近は CFD（‘Computational Fluid Dynamics’，数値流体力学）のソフトで計算できるようになっているようです。
• V：流体速度 （m/s）
          物体と流体の相対速度，物体が動いても流体が動いても同じことです。
• A：投影面積 （m^2）
          抵抗を受ける方向に垂直な面の面積。

定量的に抵抗力を算出するのは CD とAを求める必要があって 正確な値を求めるのは難しいので， ここでは 相対的な 風の影響を述べます。
ρ，CD ，A が一定なら 式から 抵抗力は 速度の2乗にのみ比例することがわかります。
（式を示すのは無駄でしたね。要するに 「空気抵抗は空気と自転車の相対速度の2乗に比例する。」 と言えば済むことでした。）
このことから 私の 通常の自転車巡航速度 20km/h における風（向かい風）の影響を計算します。
V^2 の値を計算すると－

• 無風の場合：f0=20^2=400
• 風速 5m/s=18km/h，V=20+18=38km/h：f5=38^2=1,444
  （風速 5m/s の向かい風の中を 時速 20km/h で走ると 無風の時に，私には不可能な，ツール・ド・フランスの登りコース平均速度（？） 38km/h の速度で走るときと等しい空気抵抗を受けます。）
• 風速 10m/s=36km/h，V=20+36=56km/h：f10=56^2=3,136

無風の場合の抵抗力を 1.0 とすると

• 風速 5m/s の場合：1444/400=3.61
• 風速 10m/sの場合：3136/400=7.84

となって 20km/hで走る自転車乗りは 風速 10m/s の時，無風のときの 約8倍の空気抵抗を受けます。

又，20km/h は 5.6m/sなので 追い風 5.6m/s で空気抵抗なしで走れます。