パワーが測定するもの、そして速度との違い
サイクリングパワーは、ライダーが機械的な仕事をする速度のことで、ワットで測定されます。これに対して速度は単に単位時間あたりに移動した距離であり、外的条件に大きく左右されます。同じパワー出力でも、勾配、風、路面の状態によって、まったく異なる速度が生まれます。急な坂を時速10 kmで登るライダーは、平坦な道を時速30 kmで走る同じライダーよりもはるかに大きなパワーを出していることがあります。これは、登坂ではそのパワーの大部分が、前進速度ではなく体と自転車の重量を重力に逆らって持ち上げることに使われているためです。
そのため、パワーはサイクリングのトレーニングとレースにおいて好まれる努力の指標となっています。速度とは異なり、坂、風、ドラフティングによって歪められることがないため、体重で正規化した後はセッションごと、ライダーごとに比較可能な、ライダーの生理学的な出力を直接反映するものだからです。
物理モデル:3つの抵抗力
Martinら(1998)などの研究で直接測定されたパワーと照合して検証された確立済みの物理モデルは、3つの抵抗力を合算し、速度を掛けたうえで、チェーンやベアリングの摩擦損失を考慮するためにドライブトレイン効率で割ることで、ある速度で走るのに必要なパワーを計算します。重力による力は、ライダーと自転車の合計質量に重力加速度と路面角度のサインを掛けたものです。転がり抵抗は、その同じ合計質量に重力加速度、路面角度のコサイン、転がり抵抗係数を掛けたものです。空気抵抗は速度の2乗に比例して増加するため、それを克服するために必要なパワーは速度の3乗に比例して増加します。
特定のライダーと自転車の真の空力・転がり抵抗パラメータは、専用のテストなしにはほとんど分からないため、物理モデルの計算機では一般的に、公表されている典型的な値が固定の前提として使われます。すなわち、アスファルト上のロードタイヤを代表する転がり抵抗係数(Crr)0.005、フーズでロードバイクに乗るライダーを代表する有効前面投影面積(CdA)0.32平方メートル、摂氏15度における標準海面高度での値である空気密度1.225 kg/立方メートル、そして公表されているチェーン駆動の測定値に沿ったドライブトレイン効率97.5%です。無風状態を前提とし、向かい風・追い風は考慮しません。
- P = (F_gravity + F_rolling + F_aero) x v / 0.975
- F_gravity = (m_rider + m_bike) x 9.8067 x sin(atan(grade% / 100))
- F_rolling = (m_rider + m_bike) x 9.8067 x cos(atan(grade% / 100)) x 0.005
- F_aero = 0.5 x 1.225 x 0.32 x v^2 (v in m/s)
高速になるほど空気抵抗が支配的になる理由
以下の表は、上記の標準的な前提を用いて、体重75 kgのライダーが9 kgの自転車で、無風の平坦な道を走った場合のモデル推定値を示しています。速度が上がるにつれて、空気抵抗を克服するために費やされるパワーの割合が着実に増加することに注目してください。空力抵抗力は対気速度の2乗に比例して増加するため、それを克服するためのパワーは3乗に比例して増加するのに対し、転がり抵抗は速度が変わってもほぼ一定のままです。
| 速度 | 推定パワー | 空気抵抗に費やされる割合 |
|---|---|---|
| 20 km/h | ≈ 58 W | ≈ 59% |
| 25 km/h | ≈ 97 W | ≈ 70% |
| 30 km/h | ≈ 152 W | ≈ 77% |
| 35 km/h | ≈ 226 W | ≈ 82% |
| 40 km/h | ≈ 323 W | ≈ 85% |
比較指標としての体重あたりワット数
体重あたりワット数はパワー出力をライダーの体重で割ったもので、サイクリングで使われる標準的な正規化手法です。これは、急な勾配での登坂速度が主にシステム全体の重量に対するパワーの比率によって支配されるためです。これに対して平坦な道では、路面角度がほぼゼロのとき重力の役割はほとんどないため、速度は主に空気抵抗に対する絶対パワーの比率によって支配されます。これはパワーベースのトレーニング文献、特にAllen、Coggan、McGregorによる『Training and Racing with a Power Meter』に記載されており、同書は体重あたりワット数を、体格の異なるライダーのパフォーマンスを比較するための標準的な軸として用いています。
持続可能な体重あたりワット数は、トレーニング歴、努力の継続時間、年齢、その他多くの個人的要因によって大きく変わるため、すべてのライダーに当てはまる単一の「良い」数値は存在しません。一貫した努力継続時間において、個人自身の体重あたりワット数の値を時間の経過とともに比較する方が、他のライダーと比較するよりも一般的に有益です。
FTPとは何か
ファンクショナル・スレッショルド・パワー(FTP)は、Allen、Coggan、McGregorによる『Training and Racing with a Power Meter』に記載されている、パワーベースのトレーニング文献における概念であり、ライダーがおよそ1時間にわたって準定常的な生理学的状態で維持できる最大のパワー出力を指します。これは個人ごとの基準点として機能します。ライダーの絶対的なパワー能力は大きく異なるため、ワークアウトの目標強度をライダー自身のFTPに対する割合として表すことで、異なるライダー間では意味をなさない固定のワット数ではなく、パーソナライズされたトレーニングゾーンを設定できます。
FTPは一生涯変わらない単一の固定値ではありません。フィットネスの変化とともに変化するため、パワーベースのトレーニングプログラムでは定期的にFTPを再評価します。この記事ではこの概念のみを扱います。FTPを推定するための具体的なフィールドテストのプロトコルはここでは扱いません。テストの方法論と適切な強度の進め方は、資格を持つコーチや元となるトレーニング文献の指導を受けるのが最善です。
よくある質問
自転車におけるパワーと速度の違いは何ですか?
パワーはライダーが生み出す機械的な仕事の速度で、ワットで測定されます。一方、速度は単に単位時間あたりに移動した距離です。速度は勾配、風、ドラフティングによって大きく歪められます。登坂と平坦な道では同じパワー出力でもまったく異なる速度になるため、パワーの方がより直接的で比較可能な生理学的努力の指標だとされています。
物理学的にサイクリングパワーはどのように計算されますか?
標準的な物理モデルは、重力、転がり抵抗、空気抵抗という3つの抵抗力を合算し、走行速度を掛けたうえで、ドライブトレイン効率で割ります。ライダー自身の実測値が得られない場合には、一般的に公表されている定数(転がり抵抗係数0.005、前面投影面積0.32平方メートル、空気密度1.225 kg/立方メートル、ドライブトレイン効率97.5%)が使われます。
良い体重あたりワット数とはどのくらいですか?
体重あたりワット数はパワーをライダーの体重で割ったもので、システム全体の重量に対するパワーの比率が速度を大きく左右する登坂で最も重要になります。持続可能な体重あたりワット数はトレーニング歴、努力の継続時間、年齢によって大きく変わるため、すべてのライダーに当てはまる単一の「良い」数値はありません。一貫した継続時間における個人自身の値を時間の経過とともに追跡する方が、他者と比較するよりも有益です。
サイクリングにおいてFTPとは何を意味しますか?
FTP(ファンクショナル・スレッショルド・パワー)とは、ライダーがおよそ1時間にわたって準定常的な生理学的状態で維持できる最大パワー出力のことで、パワーベースのトレーニング文献(Allen、Coggan、McGregor)に記載されている概念です。これは個人ごとの基準点として機能し、トレーニング強度は一般的に固定のワット数ではなく、ライダー自身のFTPに対する割合として表されます。
サイクリングの速度が高くなるほど空気抵抗が重要になるのはなぜですか?
空力抵抗力は対気速度の2乗に比例して増加し、それを克服するために必要なパワーは対気速度の3乗に比例して増加するのに対し、転がり抵抗は速度にかかわらずほぼ一定です。標準的な物理モデルでは、空気抵抗は時速20 kmで総パワーのおよそ59%を占めますが、時速40 kmではおよそ85%まで上昇し、これがレーシングスピードにおいて空力性能がサイクリングパフォーマンスを支配する理由です。
参考文献
- Martin JC, Milliken DL, Cobb JE, McFadden KL, Coggan AR. Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics 1998; 14(3): 276-291.
- Wilson DG. Bicycling Science, 3rd edition. MIT Press, 2004.
- Allen H, Coggan AR, McGregor S. Training and Racing with a Power Meter, 3rd edition. VeloPress, 2019.
- International Civil Aviation Organization (ICAO). Standard Atmosphere -- sea-level air density 1.225 kg/m^3 at 15 degrees Celsius.
- American College of Sports Medicine. ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 11th edition. Wolters Kluwer, 2021.