みなさん、こんにちは！元中学校技術科教員のおきぺんです。
普段、自転車に乗っているときに「あれ？このギアにしたら進みやすいな」「このギアだと坂道も楽に登れる！」なんて感じたことはありませんか？ 実はこれ、速度伝達比という機械の仕組みが関係しているんです！ 中学校の技術科で習う、歯車や機械の動きの仕組みを、身近な自転車を例にしながら、しっかり学んでいきましょう！ これを知ると、普段使っている機械がもっと面白く見えてくるはずですよ！
速度伝達比ってなんだろう？
まず、「速度伝達比」という言葉、ちょっと難しそうに聞こえるかもしれませんね。 でも大丈夫です！これは簡単に言うと、「回転速度の比率」のことなんです。 ある歯車から別の歯車に力が伝わるとき、そのスピードがどれくらい変わるかを表す数値だと考えてくださいね。
回転速度と回転力の「トレードオフ」
機械の世界には、とっても大事な考え方があります。それは「トレードオフ」です。 速度伝達比でも、これが大事なポイントになってきます。
- 回転速度：歯車がどれくらいの速さで回るか、ですね。
- 回転力（トルク）：歯車を回す力がどれくらいあるか、のことです。
この２つは、お互いに反比例の関係にあるんです。 つまり、
- 回転速度を速くしたいと思ったら、その分、回転力は小さくなってしまいます。
- 回転力を大きくしたいと思ったら、その分、回転速度は遅くなってしまいます。
まさしく、どちらかを選ぶと、もう一方が犠牲になる「トレードオフ」の関係なんですね！ 自転車のギアチェンジは、このトレードオフを上手に利用しているんですよ。
駆動軸と被動軸って何？
速度伝達比を考える上で、「駆動軸（くどうじく）」と「被動軸（ひどうじく）」という言葉が出てきます。
- 駆動軸：力を伝える側の軸のことです。 自転車で言うと、みなさんがペダルを漕ぐ、前の歯車（ペダル側）がこれにあたります。
- 被動軸：力を伝えられる側の軸のことです。 自転車で言うと、後ろの車輪についているギア（後輪側）がこれにあたります。
速度伝達比は、この「駆動軸から被動軸へ、どれくらいの速度を伝えているか」を計算するんですよ。
自転車のギアで見てみよう！
身近な自転車のギアを例に、速度伝達比を具体的に見ていきましょう。 ママチャリをイメージしてくださいね！
ギア1とギア6、どう違う？
自転車の後輪には、いくつかのギアがついていますよね。 例えば、「ギア1」と「ギア6」という2つの極端な例で考えてみましょう。
| ギア1 | ギア6 | |
|---|---|---|
| 後輪の歯車の数 | 一般的に多い | 一般的に少ない（小さい） |
| ペダルの重さ | めちゃくちゃ軽い | めちゃくちゃ重い |
| 1回漕いだ時の進み具合 | あまり進まない | めちゃくちゃ進む |
| 回転速度（後輪） | 遅い | 速い |
| 回転力（トルク） | 大きい（坂道に強い！） | 小さい（坂道に弱い） |
| 得意な場面 | 坂道をゆっくり、力強く登る時 | 平らな道を速く走る時 |
どうでしょうか？イメージできましたか？ ギア1は、ペダルが軽いからグイグイ坂道を登れるけど、たくさん漕がないと前に進まないですよね。 逆にギア6は、ペダルが重いけど、ちょっと漕ぐだけでビューンと進みます。 まさに、回転速度と回転力のトレードオフがここにあるんです！
速度伝達比を計算してみよう！
では、実際に速度伝達比を計算してみましょう！
計算式は、とてもシンプルです。
速度伝達比 ＝ 被動軸（後輪側）の歯数 ÷ 駆動軸（ペダル側）の歯数
今回は、計算しやすいように、例として次のような歯数を考えますね。
- ペダル側の駆動軸の歯数：25
- 後輪側の被動軸の歯数（ギア1の時）：20
- 後輪側の被動軸の歯数（ギア6の時）：5
ギア1の場合の速度伝達比
- ペダル側（駆動軸）の歯数：25
- 後輪側（被動軸）の歯数：20
- 速度伝達比 ＝ 20 ÷ 25 = 0.8
ギア6の場合の速度伝達比
- ペダル側（駆動軸）の歯数：25
- 後輪側（被動軸）の歯数：5
- 速度伝達比 ＝ 5 ÷ 25 = 0.2
この計算結果を見てどう思いますか？ ギア1（0.8）の方が、ギア6（0.2）よりも数値が大きいですよね。
「1より大きい」速度伝達比だとどうなる？
今回の例では、速度伝達比はどちらも1を下回る数値になりました。 これは、駆動軸（ペダル側）の歯車の数の方が、被動軸（後輪側）よりも多いからなんですね。
でも、もし仮に、被動軸（後輪側）の波数が、駆動軸（ペダル側）よりもすごく大きかったらどうなるでしょう？
例えば、被動軸が50、駆動軸が25だとすると、速度伝達比は50 ÷ 25 = 2.0 となりますよね。
この場合、イメージとしては「ギア1の究極系」のような状態になります！
* めちゃくちゃ漕いでも、なかなか前に進まない！（回転速度がものすごく遅い）
* でも、どんな急な坂道でも、力強く進むことができる！（回転力がものすごく大きい）
そんな自転車があったら、坂道は楽勝だけど、平らな道では全然スピードが出なくて大変そうですね！
まとめ
今回は、速度伝達比について、自転車のギアを例に学びました！
- 速度伝達比は、回転速度の比率を表すもの。
- 回転速度と回転力（トルク）はトレードオフの関係にある。
- ギア1は、回転力が大きく、速度が遅い（坂道向き）。
- ギア6は、回転速度が速く、回転力が小さい（スピード向き）。
- 速度伝達比の計算式と、その数値が何を表しているのか。
私たちの身の回りには、今回学んだ速度伝達比の仕組みを使った機械がたくさんあります。 ぜひ、色々な機械を見て、「これはどんな速度伝達比になっているのかな？」と考えてみてくださいね！
君ならできます。頑張って！
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