自転車のブレーキパッドの仕組み：制動力の科学

バイクの小さなブレーキパッドがどのようにしてライダーとバイクを素早く停止させることができるのか疑問に思ったことはありませんか?

ブレーキパッドの役割は、バイクを止めることです。しかし、実際にどのように機能するのかを理解している人はほとんどいません。スムーズな停止やコントロールされた下り坂の実現には、物理​​学、工学、そして高度な材料科学の融合が不可欠です。

ブレーキ パッドの背後にある科学と、ブレーキ パッドが他のものより優れた性能を発揮する理由を分析してみましょう。

1. 基礎：動きを熱に変える

理科の授業で、エネルギーは生成も破壊もされず、ある形から別の形へと変換されるだけだと習ったのを覚えていますか？まさにそれがブレーキの過程で起こっているんです！

自転車が動いているとき、自転車には運動エネルギー、つまり動きのエネルギーが生じます。

運動エネルギーは次のように計算できます。

0.5 x システムの質量 x 速度の二乗。

したがって、総運動エネルギーは 2 つの変数に依存することがわかります。

1)ライダーとバイクの質量

2)速度（どれくらい速く進んでいるか）。

システムの質量や速度が重いほど、エネルギーは大きくなります。しかし、運動エネルギーは速度の2乗の関数であるため、速度は総エネルギーに大きな影響を与えます。

速度が2倍になるたびに、総運動エネルギーは4倍になります！だからこそ、自転車で長い下り坂を走るには、しっかりとした確実なブレーキが不可欠です！

最近のほとんどの自転車に一般的に採用されている油圧式ディスクブレーキでは、ブレーキレバーを引くとブレーキ液が次のように押し出されます。

1. パッドをローターに押し付けるブレーキキャリパー
2. パッドとローターの間の摩擦により、運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、場合によっては音エネルギー（ブレーキのキーキー音）にも変換されます😖
3. ローターとその周囲の空気が熱を放散します。

それは、動き（運動エネルギー）＞摩擦＞熱（熱エネルギー）＞自転車の停止という正確な変換プロセスです。

摩擦が少なすぎるとブレーキが効かなくなります。

熱が高すぎると、ブレーキのフェード、ブレーキパッドの艶出し、さらにはローターの歪みも発生します。

そのため、ブレーキ パッドの設計では、摩擦と熱を生み出すだけでなく、制御することに重点を置いています。

2. 摩擦：ブレーキ力の基礎

ブレーキパッドは、次の 2 種類の摩擦によって自転車を停止させます。

粘着摩擦

ローターが動いている間、パッドがローターに押し付けられると、摩擦と熱によってブレーキパッドの材質がローターに層状に転写されます。これをトランスファーレイヤーと呼びます。車がバーンアウトしたりドリフトしたりしたときの路面を想像してみてください。

この転写層こそが、ローターをしっかりと馴染ませることが非常に重要な理由です。ディスクブレーキ搭載の自転車に乗る人なら誰でも、馴染ませるまではディスクブレーキの制動力がいかに弱くなるかを実感できるでしょう。

ブレーキをかけると、この伝達層が瞬間的に結合してブレーキがかかり、自転車の速度が低下します。これは、ここで説明する他の種類の摩擦、つまり摩耗摩擦に比べて、破壊力がはるかに低くなります。

研磨摩擦

これは、パッド表面がローターに軽く擦れることで発生します。そのたびに、材料の微細な層が削られ、エネルギーが熱に変換されます。これにより、パッドの摩耗が早まり、ローターが損傷することになりますが、バイクを止めるには避けられない代償です。エネルギーはどこかに逃がさなければなりません…

3. 熱：隠れた敵

急ブレーキ時には、パッドとローターのインターフェースの温度が 250 °Cまで達することがあります。

例：
体重75kgのライダーと9kgのバイクが時速40kmで走行すると、約5185Jの運動エネルギーが発生します。時速40kmから全力で停止するまでの1回のブレーキングで、2つのブレーキローターは約47 ℃加熱されます。これは、基本的な熱伝達方程式を用いて計算されます。

ΔT​ =Q/( メートル×センチメートル） 、 どこ：

• $Q$は熱エネルギー（運動エネルギー5185J）であり、
• $m$はローターの質量（110gと仮定）であり、
• $c$はローター材料の比熱容量です（ステンレス鋼を想定）。

また、ブレーキ力は最終的に 2 つの同一のローター間に分散され、空気とローター システムの間に熱伝達は発生しないと想定します。

状況を変えて、先ほどと同じ条件で時速50kmでブレーキをかけると、個々のローターは88 ℃も加熱されます。ただし、これは周囲温度を考慮していないことに注意してください。

特に長くて速い下り坂や、eBike などの重いシステムでは、ローターとブレーキ パッドがどれだけの衝撃に耐えなければならないかがわかります。

当然のことながら、パッドとローターはこの熱を適切に管理する必要があります。そうしないと、次のような問題が発生します。

• ブレーキフェード：ブレーキパッドの素材が過熱すると摩擦力が失われ、制動力が急激に低下します。そのため、シマノなどのブレーキパッドメーカーは、ブレーキパッドの裏側に冷却フィンを追加しています。
• グレージング:パッドがわずかに溶けて硬化し、滑らかになり、グリップ力が低下する状態です。
• ローターの歪み:不均一な熱膨張によりローターが曲がり、脈動や擦れが発生します。

スチール製のローターが黄色/茶色/紫/青に変色している​​のを見たことがあるなら、これはスチールが酸化し始めており、温度が 200 °C をはるかに超えていることを示しています。

4. すべてをバランスさせる：熱、トラクション、コントロール

実用面では、自転車のブレーキシステムの性能は摩擦と熱管理の両方によって決まります。しかし、自動車と同様に、自転車のブレーキは無限の力を発揮したり、極端な温度に永久に耐えたりすることはできません。

最高のブレーキパッドとローターにも限界があります。使いすぎると、過熱したり、艶出ししたり、フェードしたりします。しかし、もう一つの限界があります。それはトラクションです。

ブレーキがどれほど強力であっても、タイヤが路面やトレイルをしっかりとグリップできる範囲でしか停止できません。制動力がトラクションを上回ると、タイヤはスリップしたりグリップを失ったりし、制御不能になり、制動距離が長くなります。

だからこそ、優れたブレーキシステムは、制動力だけを重視するのではなく、以下の要素のバランスが重要です。

• 迅速かつ安全に停止するのに十分な摩擦を生み出す
• ブレーキを一定に保つために熱を管理すること、そして
• そのパワーをタイヤのグリップ維持能力に一致させます。

設計の観点から見ると、現代の自転車ブレーキはまさにこのトレードオフを重視するものです。乾いたアスファルト、緩い砂利道、濡れた下り坂など、どんな状況でも、コントロール性や安定性を犠牲にすることなく、最大のブレーキ性能を発揮することが目標です。

5. ブレーキパッドの材質

ライダーやバイクが遭遇するさまざまな状況を考慮して、メーカーはさまざまな化合物で配合されたブレーキ パッドのセレクションを開発しました。各タイプは、他のタイプよりも特定のライディング特性に適しています。

ブレーキパッドの化合物は、非常に多様な化合物を使用して配合できるため、すべてのブレーキパッドメーカーが独自のレシピを守っています。

使用される一般的なさまざまな化合物の詳細については、 ここをクリックしてください。

6. 最後に

ブレーキは力だけで決まるものではありません。コントロール、一貫性、そして信頼性が重要です。スムーズな停止の裏には、物理​​特性と素材設計のバランスが存在します。

ブレーキパッドは、走るたびにそのバランスを維持します。交換時期が来たら、科学に基づいて設計されたパッドを選びましょう。制動力を求めるなら、信頼できるブレーキが必要です。

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ティム