Bicycle - jitensha (English spelling) bicycle

Japanese: 自転車 - じてんしゃ（英語表記）bicycle

Generally, it refers to a vehicle with two wheels arranged at the front and rear, which moves on the ground mainly by the rider's leg power. There is also a motorized two-wheeled vehicle called "motorcycle" in Japanese, but under the Road Traffic Act, bicycles are classified as "light vehicles", and motorcycles are classified as "large motorcycles", "normal motorcycles", and "motorized bicycles" according to engine displacement. Although "motorized bicycles" have the name "bicycle", they are not generally considered bicycles. Meanwhile, since the 1990s, "electrically assisted bicycles" have appeared, which are equipped with batteries and assist with starting and running up hills, and although they are in fact powered by something other than human power, they are classified as "light vehicles", that is, a form of bicycle.

[Takehiro Sataki January 21, 2022]

Background of the birth of the bicycle

For several thousand years, until the appearance of mills using windmills and waterwheels in the 17th century, followed by mills powered by steam and electricity, humans used their own muscle power or that of animals to obtain the mechanical power required for household chores and industrial work, such as grinding flour and pumping water. A common method was to attach a rotating lever vertically to a rotating shaft and have a walking human or animal pull it, or to have a human or animal walk on an inclined disk to obtain the rotating power. In addition, when strong strength such as leg strength was not required, the muscle power of the upper limbs was converted into mechanical power by turning a handle by hand, as in the case of early lathes, to achieve various purposes. In any case, many of these tasks were achieved by incorporating the principle of rotational motion, that is, the wheel. The invention of the wheel is ancient, and wheeled vehicles can be seen in paintings from Egypt and Mesopotamia from around 3500 BC to 3000 BC. Since then, the wheel has made great developments and is used in various places today.

Thus, the idea of a human-powered vehicle has been around for quite some time. The origin of the human-powered vehicle, or bicycle, is said to be seen in the oxcarts depicted in the reliefs of Mesopotamian temples, but the first human-powered vehicle was probably a sketch (1420) by the Italian architect Giovanni Fontana (1395-1455) in the early 15th century. The sketch showed a four-wheeled vehicle driven by an endless rope (a continuous, circulating rope) incorporating a complex gear mechanism, an interesting mechanical element even from the perspective of today's technology. At the end of the 15th century, the artist and scientist Leonardo da Vinci drew detailed sketches of a chain mechanism, but in both cases it remained a dream that never came to fruition. The bicycle had to wait until the era of technological creativity known as the Industrial Revolution in the 19th century for its appearance.

[Ken Uchida and Takehiro Satakita January 21, 2022]

The birth of the bicycle

Looking at the history of the bicycle's birth, we can see that it was not originally intended to serve a practical purpose, but was born as a product of human whimsy; in other words, it was a toy. The hobbyhorse, featured in the British magazine " County Magazine " in 1787, was a wooden horse-type bicycle that was not yet able to turn, but which moved forward by the momentum of the rider sitting in the saddle and kicking the ground with his feet.

What is generally considered to be the forerunner of the bicycle today is a wooden two-wheeled vehicle called the "Draisine," which was developed in 1817 by German nobleman Karl Friedrich Drais, who improved on a rocking-horse bicycle by adding handlebars that allowed it to change direction (patented in 1818). However, this was also a type that moved forward by kicking the ground, and was very different from the mechanism of today's bicycles.

The bicycle with pedals was created in 1861 by Pierre Michaux (1813-1883) and his son Ernest Michaux (1849-1889) of France, and exhibited at the 1867 Paris World's Fair. This bicycle was called a velocipede, and the pedals were attached directly to the front wheel. Later, Rowley B. Turner (1840-1917), an engineer at a sewing machine company in England, ordered velocipedes and began mass production, laying the foundation for the bicycle industry in England. In 1870, James Starley (1801-1881) built a new bicycle factory in the industrial city of Coventry, England, and developed many designs with his colleagues. He used iron tubes for the bicycle frame, which reduced weight and made it durable, and since then, iron tubes have been used in a wide range of technical fields.

A landmark event in bicycle development was the appearance of the safety bicycle, created in 1885 by Starley's nephew, John K. Starley (1854-1901). This product could be said to be the prototype of today's bicycles, with front and rear wheels of the same diameter, an iron tube frame, pedals with a chain transmission, and a saddle with a spring mechanism. Also, in 1888, John Dunlop invented the pneumatic rubber tire.

[Ken Uchida and Takehiro Satakita January 21, 2022]

Chain drive and variable speed gears for efficient human power use

It is said that the power loss caused by the transmission in an automobile is 15%. In comparison, the power loss caused by the chain transmission in a bicycle is only 1.5%. Leonardo da Vinci left behind a sketch of a transmission mechanism combining a chain and gears at the end of the 15th century, but various attempts were made in the course of bicycle development before the chain transmission mechanism was incorporated into the bicycle.

Front-wheel drive bicycles were predominant in the early days. This was because the structure was simple and lightweight, and the pedals attached to the front wheel could transmit almost 100% of the human power. Unfortunately, however, in order to increase speed, the front wheel had to be made larger, resulting in bicycles called "old ordinary" with a front wheel diameter of up to 60 inches (about 1.52 meters). In the era of ordinary bicycles, methods of increasing speed were used, such as adjusting the effective length of the crank to rotate the front wheel twice as fast as the crankshaft, using ball bearings on the wheel axle, or attaching a gear to the front wheel and connecting it to the crankshaft below the front axle with a chain to increase speed. This ordinary bicycle with gears was also a stepping stone to the emergence of the safety bicycle.

The principle of rear wheel drive, combining a chain and gears, invented by Leonardo da Vinci was rediscovered in 1829 by the Frenchman André Galle (1761-1844), who used it as a chain to transmit load. The rear wheel chain drive mechanism was actually incorporated into bicycles in 1879, when British Henry John Lawson (1852-1925) began producing bicycles. However, a common problem with bicycles was that chains tended to break easily. For this reason, bicycle manufacturers worked with metallurgists to develop new materials, and the mass production of unbreakable bicycle chains contributed to the development of various machines, and eventually they were also used in the transmission mechanism of automobiles.

As chain transmissions began to take hold as bicycle drive devices, speed change gears were developed to make effective use of human power. Speed change gears are devices that efficiently convert human power into propulsion by changing the gear ratio, without the rider having to change pedal force or speed to suit his or her own physical condition amid changing environmental conditions such as road conditions and wind. The idea of changing gear ratios according to riding conditions has existed since chain transmissions began to be adopted for bicycles. The world's first speed change gear was a retro-direct type with reverse pedals, which was introduced in France in 1868, and this type of speed change gear has been commercially available since 1900. After that, various speed change gears were invented in France and the UK, with internal speed change gears with hub mechanisms developed in the UK and external speed change gears such as derailleurs developed in continental Europe, mainly in France, and have continued to be used to this day.

[Ken Uchida]

The interface between the bicycle and the human body

A bicycle is composed of a frame, handlebars, front and rear wheels, drive mechanisms such as pedals and chains, and a saddle, and can be broadly divided into an output system and a steering system in terms of its relationship with humans. Furthermore, in terms of the human-bicycle interface, the contact surfaces are the handlebars, the saddle, and the pedals. The handlebars are primarily involved in the steering system, the pedals in the output system, and the saddle in stability. The overall shape of the bicycle, including these parts, requires consideration to ensure an appropriate riding posture, which is the main factor in efficiently using human power. This naturally requires that the frame dimensions be adapted to the dimensions of the human body, and the positions of the saddle, handlebars, and pedals must also be appropriate. Furthermore, when designing each part, if the individual dimensions of the human body as well as the structure and function of the human body (especially the structure of the hip joint and the movement characteristics of the lower limbs) are not fully taken into account, not only will human power not be utilized effectively, but it will also cause fatigue and lack safety.

[Ken Uchida]

saddle

A saddle is a seat for a rider to drive and steer a bicycle safely. In other words, the function of a saddle is not only to support the weight of the rider, but also to have a shape and structure that does not interfere with the flexion and extension of the legs and the movement of the hip joints when pedaling. The shape and structure of saddles have undergone various changes over the history of bicycles, which spans almost 200 years. Saddles from the early 1800s, such as those made by Draisine, had a wooden seat fixed to a single rod-shaped frame or a pillow-shaped seat, and were used with a blanket wrapped around it or a thick piece of cloth attached to it to prevent pain in the buttocks.

The iron leaf spring saddle was developed around 1840, and rubber was used for saddles and tires at the same time as it was invented in 1845. Today's spring saddles became a hot topic when Michaux attached one to a bicycle he exhibited at the Paris Universal Exposition in 1867, and he later devised a mechanism that allowed the saddle to be adjusted on the frame.

In the development of saddles, various attempts have been made with consideration given to the perineum of the human body. Examples include saddles from the early 20th century that have a depression on the center line or are hollowed out in the middle. In the late 1970s, saddles were made using the bones of the human pelvis as design data, and these are called anatomical saddles. There have also been attempts to investigate the relationship between the perineum and the saddle in vivo by measuring the distribution of body pressure. In particular, special consideration is required for saddles for women on cycling bicycles, as the riding position is tilted forward and the weight is supported on the lower edge of the pubic symphysis and the left and right ischial tuberosities, which places a lot of pressure on the perineum.

[Ken Uchida]

handle

The handlebars, together with the saddle and pedals, determine the riding posture, and also function to balance the bicycle by operating the handlebars. Riding a bicycle requires control of direction, posture, and speed, and handlebar operation responds immediately to the control of direction and posture along with the movement of the center of gravity on the saddle.

Riding posture is influenced by frame dimensions, but is also greatly influenced by the position of the saddle and handlebars. When balancing by operating the handlebars, it is necessary to consider the grip position and dimensions of the handlebars (for example, the width of the handlebars is roughly equivalent to the width of the acromion of the human body).

[Ken Uchida]

pedal

Pedals are the surface that comes into contact with the human body and transmits the human power that powers the bicycle as effectively as possible. Early bicycles gained propulsion by pushing directly against the ground with the feet. In 1821, the Englishman Lewis Gompertz (1783/1784-1861) made improvements to the Draisine to create a manually operated front-wheel drive bicycle, but a bicycle in which the rear wheel was driven by pedaling was created in 1839 by the Scottish man Schmed Kirkpatrick Macmillan (1812-1878). This bicycle used a lever-driven drive system. The foot-operated rotating crank pedal was created in 1853 by the German musical instrument manufacturer Philipp Moritz Fischer (1812-1890), and has since been improved upon to this day.

The force applied to the pedals is transmitted to the rear wheel by the rotation of the crank. The pedals must be able to follow the movement of the feet without resistance and must be designed to prevent the feet from slipping due to the movement. Also, the relative positions of the saddle and the pedals affect the force applied, so adjustments must be made when riding.

[Ken Uchida]

Cycling

Bicycles have been developed because of their advantage of being able to travel long distances easily with less energy consumption than walking or running by human power alone. When we look at the transportation cost of bicycles, that is, the energy consumption required to travel 1 kilometer per gram of body weight, humans (0.75 calories) are not as efficient as jet airliners (0.6 calories), but are more efficient than automobiles (0.78-0.85 calories). Human + bicycle travel costs only 0.15 calories, making it the most efficient of the various means of transportation in the world. Moreover, it requires only a small space to travel. According to a transport survey in London, the area of roads used by one person to travel a certain distance is 142 for a passenger car, 3 for a bus passenger, 9 for a motorcycle, and 0.5 for a bicycle, assuming a pedestrian is 1.

[Ken Uchida and Takehiro Satakita January 21, 2022]

Walking and cycling

It is said that the history of animals is the history of the development of spatial locomotion. Human history is no exception. From bipedal walking to today's jet planes, everything is the trajectory of the development of spatial locomotion. As mentioned above, bicycles are the most efficient in terms of transportation costs, but they naturally place a strain on the human body compared to vehicles that are powered by other means than human power.

So, what are the physiological burdens on the human body that differ between walking and cycling? A bicycle ergometer is used to measure the intensity of human exercise. This involves applying various loads to pedaling exercise, and the oxygen intake and energy expenditure calculated from the average measurements are then applied to everyday physical activity and exercise. Comparing walking and cycling, the physiological burden is such that the oxygen intake when cycling at 21 kilometers per hour is slightly higher than that when walking at a speed of 7 kilometers per hour.

In terms of metabolic rate, the metabolic rate of walking at 80 meters per minute (2.8) is almost the same physiological burden as that of riding a bicycle on a flat road at 180 meters per minute (2.9). Comparing this to the metabolic rate in daily life, when going up and down stairs at 40 meters per minute, the metabolic rate is 5.1 to 6.5, and when going down at 50 meters per minute, the metabolic rate is 2.5. Also, when taking futons out of and putting them back in the closet, for example, the metabolic rate of a futon coverlet, blanket, comforter, and futon mattress is 4.3, and when taking the same items out of the closet and laying them down, the metabolic rate is 5.3. In other words, while the physiological burden of riding a bicycle is not much different from that of daily life, the efficiency of transportation is about 2.5 to 3 times higher than, for example, walking. This shows that the bicycle is an efficient means of transportation even in terms of physiological burden.

[Ken Uchida and Takehiro Satakita January 21, 2022]

Hills and bicycles

One of the disadvantages of bicycles, which are convenient, is that they are weak when climbing hills. Today, this problem has been largely solved with the spread of gear shifting, but the physiological burden when climbing is still large. So, what kind of burden does climbing a hill by bicycle place on the human body, and how much does the burden decrease when gear shifting is used when climbing a hill? First, let's compare the physiological burden of climbing a hill with a gradient of up to 10% from a flat road, using the physiological burden of commonly practiced jogging as a guideline. If you want to do the same level of exercise as jogging while cycling, you need to always ride at a speed of 22 to 25 kilometers per hour in order to be considered as exercise. If you look at the burden for each gradient, the steeper the slope, the slower the speed will be, and if you try to speed up, the intensity of the exercise will increase, and the burden will increase accordingly. If you look at this in terms of oxygen intake when riding 100 meters, there is a speed at which the physiological burden is small for each gradient. In other words, it is the optimal speed from the perspective of physiological burden. However, in reality, due to factors such as an individual's physical strength and fatigue, the running speed tends to be somewhat faster than the optimal speed on flat ground and slower on steep gradients.

A gearbox is a device that efficiently converts human power into propulsive power, and is particularly effective when riding uphill. A low-speed gear increases the number of pedaling revolutions for the same speed, thereby reducing the torque per revolution and the physiological burden. When changing the gear ratio (the ratio of the number of teeth on the front wheel gear to the number of teeth on the rear wheel gear, usually calculated by dividing the number of teeth on the front wheel gear by the number of teeth on the rear wheel gear) for each gradient, the relationship between the speed, that is, the number of pedaling revolutions and the physiological burden is examined in terms of oxygen intake. For example, when riding uphill with a gradient of 10%, the oxygen consumption is 3.1 liters when riding at 10 kilometers per hour (60 revolutions per minute) with a gear ratio of 3.06, whereas the oxygen consumption is 2.31 liters when riding at the same speed with a smaller gear ratio of 1.35, which is almost one-third less. In other words, this shows that a gearbox can reduce physiological burdens if used appropriately.

Electrically assisted bicycles, which went on sale in 1993 and have become increasingly popular, are effective when climbing hills because the motor reduces the force required to pedal. In fact, the most common reason for purchasing an electrically assisted bicycle is "because there are many hills near where I live." (From a February 2020 usage survey conducted by au General Insurance Co., Ltd.)

[Ken Uchida and Takehiro Satakita January 21, 2022]

The popularity of bicycles in Japan and traffic accidents

From before World War II until after the war, bicycles were developed primarily as practical vehicles for transporting luggage. Today, bicycles in Japan have become so common that 1.22 bicycles are owned per household (according to a 2018 survey by the Bicycle Industry Promotion Association). In addition to playing an important role as a means of transportation for commuting to work or school, bicycles are also being used for leisure and sports, just like in Europe.

Mountain bikes (MTBs), off-road bicycles introduced to Japan around 1980, became popular in the 1990s with the outdoor boom, and are now used not only off-road but also in urban areas. This increase in bicycle use has led to social problems such as an increase in the number of traffic accidents and the disorderly abandonment of large numbers of bicycles around train stations, and measures to ensure safe bicycle use are now necessary.

The history of bicycles in Japan began with imported bicycles, but at the beginning of the 20th century, in 1901 (Meiji 34), there were over 56,600 bicycles in the country. Domestic mass production began in 1893 (Meiji 26) with the production of British-style bicycles with pneumatic tires (annual production capacity of 500 units) at Miyata Gun Factory (renamed Miyata Manufacturing in 1902 and Miyata Industries in 1963; now Miyata Cycle), and with the cessation of imports around the time of World War I, domestic production of bicycles boomed, marking the end of the era of imported cars.

In 1908, several Miyata Seisakusho bicycles were exported to China, and in 1915 (Taisho 4) an inquiry for 1,000 units came from New Zealand, which marked the beginning of the export of Japanese bicycles overseas.

During World War II, bicycle production was temporarily halted, but resumed after the war, and until around 1990, domestic demand was almost entirely met by domestic production. In 1990, the number of bicycles produced was approximately 8 million, with imports of less than 1 million. However, in the Heisei era, imports increased dramatically while domestic production continued to decline, and in 2020 (Reiwa 2), domestic production was approximately 870,000 units. Of these, more than 610,000 were electrically assisted bicycles. Meanwhile, imports were 6.31 million, with domestic production accounting for only about 12%. As of 2019, the number of bicycles owned in Japan was 67.6 million (according to a survey by the Bicycle Industry Promotion Association).

Regarding bicycle traffic accidents, the number of fatal accidents involving bicycles has decreased significantly since the Heisei era. For example, the number of traffic accident fatalities fell by more than 70% from 11,452 in 1992 to 3,215 in 2019, while the number of bicycle fatalities during the same period fell by 63%, from 1,198 to 433. In addition, in the 10 years between 2009 and 2019, the number of total traffic accidents and bicycle-related accidents both fell by almost half. However, the number of bicycle-pedestrian accidents has remained almost flat, and it can be said that bicycle-pedestrian accidents have not decreased relatively (from a survey by the National Police Agency's Traffic Bureau).

The Act on the Promotion of Safe Use of Bicycles and the Development of Bicycle Parking Lots (commonly known as the Bicycle Act) was enacted in 1980 with the aim of preventing bicycle traffic accidents and facilitating traffic flow, as well as increasing convenience for bicycle users, and efforts were made to improve the road traffic environment to ensure the safety of bicycle traffic, but it has not yet been effective (the act was revised and renamed in 1994, and its current official name is the Act on the Promotion of Safe Use of Bicycles and the Comprehensive Promotion of Parking Measures for Bicycles, etc.). On the other hand, parking lots (bicycle parking lots) have been developed by related organizations, mainly local governments, and as of 2020, the capacity of parking lots around stations nationwide is approximately 4.74 million bicycles, and the number of abandoned bicycles in front of stations has fallen to less than 50,000 in 2020, compared to 560,000 around 2000, and some results have been achieved (according to a survey by the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism's Traffic Safety Countermeasures Office).

[Ken Uchida and Takehiro Satakita January 21, 2022]

Increase in bicycle commuting and expansion of bicycle sharing

Since the 2000s, bicycle commuting has increased, especially in large cities. There are two events that triggered this. The first was the Great East Japan Earthquake that occurred in March 2011. On the night of the earthquake, most commuter lines in the metropolitan area stopped operating, resulting in "homeward refugees" (people unable to return home). From the next day onwards, many trains were forced to operate at reduced speed due to planned power outages, causing great confusion in commuting in Tokyo. This triggered some commuters to shift to bicycles, and companies began to provide bicycle parking lots and showers, and to offer allowances for bicycle commuting, leading to social recognition of bicycle commuting among urban office workers. The other was the spread of the novel coronavirus disease (COVID-19) in 2020, which saw a re-shift to bicycles to avoid crowded commuter trains. This movement was further boosted by growing health consciousness and the trend toward reducing greenhouse gas emissions, which led to a shift to bicycles among car users.

As for transportation within cities, in the 2010s, so-called shared bicycles (community bicycles) were installed in various places such as Tokyo, where people can rent bicycles from bicycle parking lots installed around the city and return them to a base near their destination, and have become accepted by the public. This type of system spread from European places such as Paris and London to Asian countries such as China, and has now spread to Japan as well. With the ability to easily unlock and pay for use of bicycles using a smartphone, it has come to play a certain role in transportation within cities.

[Takehiro Sataki January 21, 2022]

Development of bicycle paths

In line with the advancement of motorization after the Second World War, since the middle of the 20th century, especially in Japan, "road construction for automobiles" has progressed, but bicycles, as exemplified by the word "mamachari" (mamachari), have been considered as a secondary means of transportation for housewives and children to go shopping or to pick up and drop off their children, and little attention has been paid to bicycle lanes. In addition, because bicycles are classified as light vehicles, they are required to ride on the road where there is a distinction between the road and the sidewalk, but since the 1970s, bicycles have been allowed to ride on the sidewalk under certain conditions as an exception. As a result, the mistaken image that "bicycles belong on the sidewalk" has spread, and bicycles have been placed in an indecisive position, where they are treated as a nuisance by cars if they ride on the edge of the road, and they run the risk of colliding with pedestrians and becoming the perpetrator of an accident if they ride on the sidewalk.

Meanwhile, some European countries, such as the Netherlands and Denmark, have focused on the environmental friendliness and convenience of bicycles, positioning bicycles as an important means of urban transportation, and have been promoting the development of bicycle-only lanes, or bicycle paths and lanes. Since the 2000s, there have been notable efforts to secure bicycle lanes in major cities around the world, such as Paris, London, Taipei, and Seoul.

Looking at the history of bicycle road construction, bicycle roads were already built in the Netherlands at the end of the 19th century, and in Britain, a bicycle tourism club was formed in 1878, which became the parent organization that promoted road construction. In the United States, the League of American Bicyclists, which was formed in 1901, was the starting point for road construction. Today, bicycle-only routes have been constructed in The Hague in the Netherlands, and it is said that as a result, the number of users has increased significantly. Also in the United States, bicycle lanes have been installed on highways in San Diego, and automatic bicycle detection signals have been installed in Santa Barbara.

In Japan, the Bicycle Industry Promotion Association took the lead in 1966 (Showa 41), a movement to create bicycle roads was launched, and the following year, 1967, a 13.4-kilometer (2 meters wide) bicycle road was completed for the first time between Hiratsuka and Oiso in Kanagawa Prefecture. The development of bicycle roads is carried out through several systems, including the enactment and implementation of the above-mentioned Bicycle Law.

One of these is the large-scale bicycle path development project, and since 1973, the plan is to build a bicycle-only road that spans 4,330 kilometers in 70 regions across the country, including the Pacific Coast Bicycle Path (approximately 90% of the bicycles had been maintained as of the end of fiscal year 2019. Based on the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism's Bicycle Usage Promotion Plan). The other is to develop bicycle-only spaces separated from pedestrians, and as of March 2020, it is to build approximately 2,930 kilometers.

[Uchida Ken and Sateki Takehiro January 21, 2022]

"Compiled and published by the Bicycle Industry Promotion Association, "Practical Bicycle Handbook" (1993)" ▽ "Seibido Publishing, "Latest Bicycle Catalog in Japan and the World" (1999)" ▽ "Bicycle Statistics Handbook" compiled and published by the Bicycle Industry Promotion Association, each year edition" ▽ "The Science of Bicycles" (Kodansha, Bluebacks)" ▽ "Saki Takehiro, "Still You Riding a Bicycle?" (Shodensha Shinsho)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

一般に、二つの車輪を前後に配置した構造をもち、おもに乗員の脚力で地面を走行する車両をさす。同じ2輪の車両として、日本語で「オートバイ」とよばれる原動機付きの二輪車があるが、道路交通法上では、自転車は「軽車両」に、オートバイは排気量により、「大型自動二輪車」「普通自動二輪車」「原動機付自転車」に分類される。「原動機付自転車」は、自転車の名を冠してはいるが、一般には自転車とはみなされていない。一方で、1990年代以降、自転車にバッテリーを搭載し、走り出しや坂道での走行を補助する「電動アシスト自転車」も登場し、事実上人力以外の力を借りているが、こちらは分類上は「軽車両」、つまり自転車の一形態となっている。

［佐滝剛弘　2022年1月21日］

自転車誕生の背景

17世紀に出現した風車や水車を利用した粉ひき機、それに続く蒸気や電気を動力とする粉ひき機などが現れるまでの数千年の間、人間は自らの筋力や動物の筋力を駆使して、製粉したり水をくみ上げたりするなど、家事作業や産業労働に必要な機械力を得ていた。その一般的な方法は、たとえば回転レバーを回転軸に垂直に取り付けて、それを歩行する人間や動物が引っ張ったり、また傾斜させた円板の上を人間や動物が歩行して回転力を得るという方法がとられていた。また脚力のような強い力を必要としない場合は、初期の旋盤のように手でハンドルを回すことによって、上肢の筋力を機械力にかえてそれぞれの目的を果たしていた。いずれにしても、それらの作業の多くは、回転運動、つまり車の原理が取り入れられて目的を達成している。車の発明は古く、紀元前3500年～紀元前3000年ごろのエジプトやメソポタミアの絵に車輪をつけた運搬具がみられる。その後、車輪は大きな発展を遂げて、今日、さまざまな場所で利用されている。

　このように、人力による車の着想はかなり古くからあった。人力による車、つまり自転車の起源は、メソポタミアの神殿のレリーフに描かれている牛車にみられるといわれるが、人力による乗り物は、15世紀初頭にイタリアの建築家フォンタナGiovanni Fontana（1395―1455）が描いているスケッチ（1420）が最初のものであろう。ここに描かれていたのは、今日の技術からみても興味深い機械要素として複雑なギア機構を組み込んだエンドレスロープ（一つにつながった循環するロープ）による手動の四輪車であった。15世紀終わりには、芸術家であり科学者であったレオナルド・ダ・ビンチが、チェーン機構の詳細なスケッチを描いているが、いずれの場合も実現することなく夢に終わっている。自転車の出現は19世紀の産業革命という技術的創造の時代まで待たなければならなかった。

［内田　謙・佐滝剛弘　2022年1月21日］

自転車の誕生

自転車誕生の経緯をみると、初めは実用的な目的に供しようとしたものではなく、人間の気まぐれの所産として生まれたものである。つまり玩具(がんぐ)である。1787年、イギリスの雑誌『County Magazine』に掲載されているホビーホースhobbyhorseで、これは、鞍(くら)にまたがった乗り手が足で地面をけって、その反動で前進する仕掛けの、まだ方向転換もできない木馬型の自転車である。

　今日、一般に自転車の前身といわれているのは、1817年、ドイツの貴族カール・フリードリヒ・ドライスが、木馬型自転車を改良し、方向転換のできるハンドルをつけた「ドライジーネ」とよばれる木製の二輪車である（特許の取得は1818年）。ただし、これも地面をけって前へ進むタイプのもので、今日の自転車の仕組みとは大きく異なっていた。

　ペダルが取り付けられた自転車は、1861年、フランスのピエール・ミショーPierre Michaux（1813―1883）とその息子エルネストErnest Michaux（1849―1889）によってつくられ、1867年のパリ万国博覧会に出品された。これはベロシペードとよばれ、前輪に直接ペダルが取り付けられていた。その後、イギリスのミシン会社の技師ターナーRowley B. Turner（1840―1917）が、ベロシペードを取り寄せて大量生産を始め、イギリスの自転車工業の基礎を築いている。1870年、ジェームズ・スターレーJames Starley（1801―1881）は、イギリスの工業都市コベントリーに新しい自転車工場を建設し、仲間らと多くのデザイン開発をした。自転車のフレームに鉄製チューブを使用し、軽量化を図ると同時に耐久性をもたらし、それ以来、鉄製チューブはさまざまな技術分野の広い範囲で利用されている。

　自転車開発における画期的なできごとは、1885年にスターレーの甥(おい)、ジョン・スターレーJohn K. Starley（1854―1901）によりつくられた安全型自転車の出現である。これは今日の自転車の原型といってもよい製品で、前輪と後輪の直径が同じ大きさであり、鉄製のチューブ・フレームを使用し、チェーン伝動をもったペダルと、ばね機構を備えたサドルが用いられていた。また、1888年にはジョン・ダンロップによって空気入りゴムタイヤが発明された。

［内田　謙・佐滝剛弘　2022年1月21日］

人力に有効なチェーン駆動と変速ギア

自動車の伝動機構トランスミッションによるパワーの損失は15％であるといわれる。それに比べて、自転車の伝動機構であるチェーン伝動によるパワーの損失はわずか1.5％にすぎない。チェーン伝動機構は、15世紀末にレオナルド・ダ・ビンチが、チェーンと歯車を組み合わせた伝動機構の素描を残しているが、チェーン伝動機構が自転車に組み込まれるまで、自転車発展の過程でさまざまな試みがされている。

　初期の自転車は前輪駆動のものが優勢を占めていた。これは構造が単純で軽量であるばかりでなく、前輪に取り付けたペダルが人力パワーをほぼ100％伝達できるからでもあった。しかし不便なことに、速度を大きくするためには必然的に前輪が大きくなってしまい、オールド・オーディナリとよばれる前輪の直径が60インチ（約1.52メートル）にも達する自転車が生まれている。オーディナリ型の自転車時代には、速度を増加させるためにクランクの有効長を調節することによって、前輪をクランク軸の2倍の速さで回すくふうがされたり、車輪軸にボールベアリングを使用したり、前輪にギアを取り付け、前輪軸より下方のクランク軸との間をチェーンで結び増速する方法がとられている。このギア付きオーディナリ型自転車は、安全型自転車出現への足掛りともなっている。

　レオナルド・ダ・ビンチによるチェーンと歯車を組み合わせた後輪駆動の原理は、1829年フランス人ガルAndré Galle（1761―1844）によって再発見され、荷重伝達用チェーンとして使われている。後輪へのチェーン駆動機構が実際に自転車に取り入れられたのは、1879年イギリスのローソンHenry John Lawson（1852―1925）が自転車の生産を始めてからである。しかし、切れやすいチェーンが自転車の共通の悩みでもあった。このため自転車製造業者は冶金(やきん)学者らと協力して新しい材料を開発、切れない自転車用チェーンの量産はさまざまな機械の発展に貢献し、やがて自動車の伝動機構としても利用されることとなる。

　チェーン伝動が自転車の駆動装置として定着し始めるとともに、人力を有効に利用するための変速ギアが開発されている。変速ギアは道路条件や風の影響などの環境条件の変化のなかで、乗り手が自己の体力の状態にあわせてペダルの踏力や速さをあまり変えることなく、ギアの比率を変えることによって人力を効率よく推進力に変える装置である。走行中の状況に応じてギア比を変える着想は、自転車にチェーン伝動が取り入れられ始めたころからあり、世界で初めての変速ギアは、1868年、フランスで発表されたレトロ・ダイレクトretro-direct型式の逆転ペダル型のもので、この型式の変速ギアは1900年以降に市販されている。その後、変速装置はフランスとイギリスでさまざまな考案がされており、変速ハブ機構の内装変速装置はイギリスで、ディレラーに代表される外装変速装置はフランスを中心とするヨーロッパ大陸で開発され、今日に至っている。

［内田　謙］

自転車と人体の接点

自転車は、フレーム、ハンドル、前後輪、ペダルやチェーンなどの駆動装置およびサドルなどで構成されるが、これを人間との関係でみると出力系と操縦系に大別できる。さらに人間―自転車系のインターフェースからみると、その接触面はハンドル、サドルおよびペダルである。主としてハンドルは操縦系に、ペダルは出力系に、サドルは安定性にそれぞれ関与している。これらの部品を含めた自転車全体の形態には、人力を効率よく働かせる主要因である乗車姿勢を適切にするための配慮が必要である。これにはフレーム寸法が人体寸法に適合していなければならないのは当然であり、さらにサドルやハンドル、ペダルの位置も適切でなければならない。またそれぞれの部品を設計する際に、人体の個々の寸法はもちろんのこと、人体の仕組みや働き（とくに股(こ)関節の仕組みや下肢の運動特性など）が十分に取り入れられていなければ、人力を有効に発揮できないばかりか、疲労の原因となり、安全性を欠くことにもなる。

［内田　謙］

サドル

サドルは自転車を安全に駆動、操縦するための乗員の座席である。つまりサドルの機能は体重を支えるばかりではなく、ペダリングの際の下肢の屈曲・伸展、股関節の運動において支障のない形態・構造でなければならない。サドルの形態や構造は、ほぼ200年に及ぶ自転車の歴史のなかで、さまざまな変遷をみせている。1800年代初頭のサドル、たとえばドライジーネのそれは、1本の棒状のフレームの上に木製のシートを固着したり、枕(まくら)状のシートが使われ、臀部(でんぶ)の痛さを避けるために毛布を巻き付けたり、厚い布を張り付けたりして用いられていた。

　鉄製の板ばね付きサドルの開発は1840年ごろで、1845年にゴムが発明されると同時にサドルやタイヤにもゴムが使用されている。今日のようなスプリング付きサドルは、ミショーが1867年のパリ万国博覧会に出展した自転車につけて話題となり、その後ミショーはサドルをフレーム上で調節できるような機構を考案している。

　サドルの開発においては、人体の会陰部への配慮から、さまざまな試みがなされている。20世紀初頭のサドルにみられるサドルのセンターラインにくぼみを設けたり、中央をくりぬいたりしたものもその例である。また、1970年代の後半には、サドルの設計資料として人体の骨盤の骨が用いられてサドルがつくられており、解剖学的サドルとよばれている。さらに、生体で人体の会陰部とサドルの関係を体圧分布によって追究しようとする試みもなされている。とくにサイクリング用自転車の女性用サドルでは、前傾乗車姿勢のため体重を支える部位が恥骨結合下縁と左右の坐骨(ざこつ)結節にかかり、会陰部への圧迫が大きいので、特別の配慮が必要とされる。

［内田　謙］

ハンドル

ハンドルは、サドルおよびペダルとともに乗車姿勢を決める役割を果たし、またハンドル操作によって自転車のバランスをとるという働きをしている。自転車走行においては方向制御、姿勢制御および速度制御が要求されるが、ハンドル操作はサドル上の重心移動とともに方向と姿勢の制御に即応している。

　乗車姿勢を決める要因はフレーム寸法にも影響されるが、サドルとハンドルバーの位置関係に大きく左右される。またハンドル操作によりバランスをとる場合には、ハンドルの握り位置や寸法（たとえばハンドル幅は人体の肩峰幅にほぼ相当）などを考慮する必要がある。

［内田　謙］

ペダル

ペダルは、自転車の動力源である人力をできる限り有効に伝えるための人間との接触面である。初期の自転車は直接足で地面をけって推進力を得ていた。1821年イギリスのゴンペルツLewis Gompertz（1783／1784―1861）がドライジーネに改良を加えて手動による前輪駆動の自転車をつくっているが、ペダルを踏んで後輪を駆動する自転車は、1839年スコットランドのマクミランSchmed Kirkpatrick Macmillan（1812―1878）によりつくられた。この自転車は、てこ利用の駆動方式である。足踏みの回転式クランクペダルは、1853年、ドイツの楽器製造業者フィッシャーPhilipp Moritz Fischer（1812―1890）がつくり、その後、改良が加えられ今日に至っている。

　ペダルにかかる踏力は、クランクの回転運動により後輪に伝えられる。ペダルは足の運動に抵抗なく追随でき、運動によって足が滑らないような配慮が必要である。また、サドルとペダルの位置関係は踏力に影響するので、乗車時に調整が必要である。

［内田　謙］

自転車走行

自転車は、人力だけでの歩行や走行よりも少ないエネルギー消費で楽に長距離を移動できるというメリットがあることから、これまで発達してきた。自転車を輸送コスト、つまり自重1グラム当り1キロメートル走行するのに要するエネルギー消費でみると、人間（0.75カロリー）は、ジェット旅客機（0.6カロリー）には及ばないが、自動車（0.78～0.85カロリー）より効率がよく、人間＋自転車走行ではわずか0.15カロリーで、世の中のさまざまな移動手段のなかでもっともよい効率を示している。しかも、走行に際してわずかな空間で足りる。ロンドンにおける交通機関調査によれば、一定の距離を移動するのに1人の人が使用する道路の面積は、歩行者を1としたとき、乗用車は142、バスの乗客は3、オートバイは9、自転車は0.5である。

［内田　謙・佐滝剛弘　2022年1月21日］

歩行と自転車走行

動物の歴史は空間移動の発展史であるといわれる。人類の歴史も例外ではない。二足歩行に始まり今日のジェット機に至るまで、すべて空間移動の発展の軌跡である。前述のように、輸送コストからみると自転車走行がもっともよい効率ではあるが、人力以外の動力をもった車に比べると、当然人体に負担がかかる。

　それでは、歩行と自転車走行では人体にどのような生理的負担の違いがあるのか。人体の運動の強さを調べるのには、自転車エルゴメーターが用いられる。これは、ペダリング運動に種々の負荷を与え、その平均測定値から求めた酸素摂取量とエネルギー消費量を日常の身体活動や運動に当てはめたもので、歩行と自転車走行を比較すると、時速21キロメートルでの自転車走行時における酸素摂取量が、時速7キロメートルの速さの歩行時のそれを若干上回る程度の生理的負担である。

　また、エネルギー代謝率でみると、1分間に80メートルの速さでの歩行のエネルギー代謝率（2.8）が、平坦(へいたん)な道路を1分間に180メートルの速さで走行する自転車乗車時のそれ（2.9）とほぼ同じ程度の生理的負担である。これを日常生活におけるエネルギー代謝率と比較してみると、階段の昇降では1分間に40メートルの速さで昇るときは5.1～6.5、1分間に50メートルの速さで降りるときは2.5、また、ふとんを押入れから出し入れするときでは、たとえば、かい巻、毛布、掛けぶとんおよび敷きぶとんをそれぞれ1枚押入れにしまうときのエネルギー代謝率は4.3、同様のものを押入れから出して敷くときは5.3である。つまり、自転車走行時の生理的負担は日常生活におけるそれとあまり変わらない状態でありながら、移動のための効率は、たとえば歩行に比べてほぼ2.5～3倍もよいことになる。これは、生理的負担でみても自転車は効率的な乗り物であることを物語っている。

［内田　謙・佐滝剛弘　2022年1月21日］

坂道と自転車

便利である自転車の欠点の一つは、坂道の登坂に弱いことである。今日では変速ギアの普及でこの点はかなり解消されてはいるものの、それでも登坂時の生理的負担は大きい。では、自転車による登坂が人体にどのような負担となり、登坂時に変速ギアを使用した場合、どの程度その負担が減少するか。まず平坦な道路から勾配(こうばい)が10％までの坂道の登坂について、一般に行われているジョギング時の生理的負担を一つの目安にして比較してみる。ジョギングと同程度の運動をサイクリングで行おうとすると、つねに時速22～25キロメートルの速さで走らなければ運動したことにはならない。さらに各勾配ごとの負担をみていくと、坂が急になるにしたがって走行速度が落ち、速度を速めようとすれば運動強度が大きくなり、それだけ負担が増加する。これを100メートル走行時の酸素摂取量でみると、それぞれの勾配で生理的負担が小さくなる速度が存在する。つまり生理的負担からみた至適速度である。しかし、実際には個人の体力や疲労などが影響して、走行速度は平地では至適速度よりも多少速く、きつい勾配では遅くなる傾向を示している。

　変速ギアは、人力を効率よく推進力に変換する装置であり、とくに登坂時の走行に効力を発揮する。低速用ギアは、同じ速度に対してペダリングの回転数を増すことによって、1回転当りのトルクを減らして生理的負担を少なくしようとするものである。それぞれの勾配でギア比（前輪のギアと後輪のギアの歯数の比率。通常は前輪ギアの歯数÷後輪ギアの歯数で求める）を変えたときの速度、つまりペダリングの回転数と生理的負担との関係を酸素摂取量でみると、たとえば10％の勾配の登り坂を走行するとき、ギア比が3.06を使って時速10キロメートル（60回転／分）で走ったときの酸素消費が3.1リットルであるのに対して、ギア比の小さい1.35を使って同じ速さで走った場合には、酸素消費量が2.31リットルと、ほぼ3分の1近く減少している。つまり、変速ギアは適切な使われ方をすれば、生理的負担を小さくすることを物語っている。

　なお、1993年（平成5）に販売が開始され、普及が進んでいる電動アシスト自転車は、モーターによりペダルを踏む力を軽減させるため、登坂時に威力を発揮する。実際、電動アシスト自転車の購入理由は、「居住地付近に坂道が多いから」がトップとなっている。（au(エーユー)損害保険株式会社による2020年2月の利用実態調査より）。

［内田　謙・佐滝剛弘　2022年1月21日］

日本における自転車の普及と交通事故

第二次世界大戦前から戦後にかけて、主として荷物運搬のための実用車として発達してきた日本の自転車は、今日、1世帯当り1.22台を保有するほどに普及している（2018年。自転車産業振興協会調査より）。また、その使われ方も、通勤・通学用の交通手段としての重要な役割を担うとともに、一方ではヨーロッパにおけると同様にレジャー、スポーツ用にも活用されるようになってきている。

　1980年（昭和55）ころ日本に紹介されたオフロード向け自転車のマウンテンバイクmountain bike（MTB）は、1990年代にはアウトドアブームにのって急激に普及し、オフロードばかりでなく、市街地などでの利用も多くなっている。こうした自転車利用の増大に伴って、交通事故件数の増加や、駅周辺などにおける無秩序かつ大量の自転車の放置などが社会問題となっており、自転車の安全利用に関する対策も必要になってきている。

　日本の自転車の歴史は輸入車によって始まったが、20世紀初頭、1901年（明治34）には5万6600余台の自転車が国内で保有されていた。国内での量産は、1893年（明治26）に宮田製銃所（1902年宮田製作所、1963年宮田工業と改称。現、ミヤタサイクル）での、空気入りタイヤのイギリス式自転車の生産（年間生産能力500台）に始まり、第一次世界大戦のころには輸入が途絶したこともあって、国産車の生産が急伸し、輸入車の時代に終止符を打つ契機となった。

　1908年には宮田製作所の自転車数台が中国に輸出され、1915年（大正4）のニュージーランドからの1000台の引き合いが契機となって、日本製自転車の海外輸出が始まった。

　第二次世界大戦中、一時、自転車の生産は途絶したが、戦後再開され、1990年ころまでは国内の需要はほぼ国内生産でまかなわれていた。1990年の生産台数はほぼ800万台で、輸入は100万台に満たなかった。しかし、平成時代に入り、輸入が激増する一方で国内生産は減少の一途をたどり、2020年（令和2）の国内生産台数はおよそ87万台となっている。うち、61万台余りが電動アシスト自転車である。一方、輸入は631万台で、国内生産比率は12％程度にすぎない。なお、国内の自転車保有台数は、2019年時点で、6760万台となっている（自転車産業振興協会調査より）。

　自転車の交通事故の件数については、乗車中の死亡事故件数は平成以降大きく減少している。たとえば、1992年の交通事故死者数1万1452人から2019年の3215人へと7割以上減っているのと同様、同時期の自転車乗車中の死者数は、1198人から433人へと63％減少している。また、2009年と2019年の10年間で、交通事故全体の件数も自転車関連事故件数もほぼ半減している。ただし、自転車対歩行者の事故件数はほぼ横ばいで、相対的に自転車と歩行者の事故は減っていないといえる（警察庁交通局調査より）。

　自転車の交通にかかわる事故の防止と交通の円滑化を図り、あわせて自転車利用者の利便性の増進を目的とする「自転車の安全利用の促進及び自転車駐車場の整備に関する法律」（通称、自転車法）が1980年に制定され、自転車通行の安全確保のための道路交通環境の整備が進められたが、実効をあげるに至っていない（同法は1994年に改正・改題され、現在の正式名称は「自転車の安全利用の促進及び自転車等の駐車対策の総合的推進に関する法律」）。一方、駐車場（駐輪場）は地方自治体を中心に関係諸団体が整備を進め、2020年時点で、全国の駅周辺における収容可能台数は約474万台となっており、駅前の放置自転車台数も2000年前後の56万台に比して、2020年には5万台を切るなど、一定の成果は出ている（国土交通省交通安全対策室調査より）。

［内田　謙・佐滝剛弘　2022年1月21日］

自転車通勤の増加とシェアサイクルの充実

2000年代以降、自転車の通勤利用が大都市を中心に増加している。そのきっかけとなったできごとが二つある。一つは2011年3月に発生した東日本大震災である。震災当日の夜、首都圏ではほとんどの通勤路線が運行をストップし、「帰宅難民」（帰宅困難者）が発生。翌日以降も計画停電で多くの鉄道が間引き運転を余儀なくされ、東京の通勤に大きな混乱が生じた。これをきっかけに一部の通勤者が自転車にシフトし、駐輪場やシャワーを整備したり、自転車通勤に手当を出すなどの対応をする企業が現れ、都会の会社員の自転車通勤が社会的に認知されるようになった。もう一つは2020年の新型コロナウイルス感染症（COVID(コビッド)-19）拡大で、通勤電車の混雑を避けるためにふたたび自転車へのシフトがみられたことである。さらにこうした動きを後押ししたのが健康志向の高まりや温室効果ガスの排出抑制の流れであり、自動車利用者の自転車へのシフトもみられるようになった。

　また、都市内の移動についても、2010年代に入って、各地に設置された自転車置き場から自転車を借り、目的地の近くの拠点に返すことができる、いわゆるシェアサイクル（コミュニティ・サイクル）が東京など各地に設置され、市民権を得るようになった。こうしたシステムは、パリやロンドンなど欧州各地から中国などアジアへと広がりをみせ、それが日本にも波及した形であるが、スマートフォンで簡単に開錠や使用料金の決済ができるようになったこともあって、都市内の移動に一定の役割を果たすようになっている。

［佐滝剛弘　2022年1月21日］

自転車道路の整備

第二次世界大戦後のモータリゼーションの進展にあわせて、20世紀なかば以降、とくに日本では、「自動車のための道路建設」が進む一方で、自転車は、「ママチャリ」ということばに代表されるように、主婦や子供が買い物や送迎のために乗る補助的な交通手段と考えられ、その通行帯についてはあまり顧みられてこなかった。また、自転車は、軽車両に分類されるため、車道と歩道の区別がある道路では、車道の走行が義務づけられているが、自転車が安全に走行できるようなスペースがない車道が多く、1970年代から例外的に一定の条件下で歩道走行が認められてきた。そのため「自転車は歩道」という誤ったイメージが広がり、車道の端を走れば車からじゃま者扱いされ、歩道を走れば歩行者と接触し事故の加害者となるリスクを背負うという、どっちつかずの立場に置かれ続けてきた。

　一方、オランダやデンマークなどヨーロッパの一部の国では、環境への配慮や自転車の利便性の高さなどに注目し、自転車を都市交通の重要な担い手と位置づけ、自転車専用の走路、つまり自転車道や自転車レーンの整備が進んできた。2000年代に入って、パリやロンドン、台北(タイペイ)やソウルなど世界の大都市でも、自転車の走路を確保しようという動きが顕著になっている。

　自転車道路の整備の経緯を歴史的にみると、すでに19世紀末にはオランダで自転車道路がつくられており、またイギリスでは1878年に自転車観光旅行クラブが結成され、これが母体となって道路整備を促進した。アメリカでは1901年に結成されたアメリカ自転車乗車連盟が道路整備の端緒をつくっている。そして今日、オランダのハーグでは自転車専用路線が整備され、その結果、利用者も大きく増加したといわれる。またアメリカではサン・ディエゴの高速道路に自転車レーンが設けられ、サンタ・バーバラでは自転車用の自動感応信号が設置されるなどしている。

　日本では、1966年（昭和41）に自転車産業振興協会が中心となって自転車道路をつくる運動が展開され、翌1967年、神奈川県の平塚―大磯(おおいそ)間に13.4キロメートル（幅員2メートル）の自転車専用道路が初めて完成した。自転車道路の整備は、前記の自転車法の制定・施行をはじめとするいくつかの制度により進められている。

　その一つが大規模自転車道整備事業で、1973年から、太平洋岸自転車道をはじめ、全国70か所に及ぶ地域に4330キロメートルに及ぶ自転車専用道路を建設しようとする計画である（2019年度末時点で約9割が整備済み。国土交通省自転車活用推進計画より）。もう一つは、歩行者と分離された自転車通行空間の整備で、2020年3月時点で約2930キロメートルとなっている。

［内田　謙・佐滝剛弘　2022年1月21日］

『自転車産業振興協会編・刊『自転車実用便覧』（1993）』▽『成美堂出版編・刊『日本と世界の自転車最新カタログ'99』（1999）』▽『自転車産業振興協会編・刊『自転車統計要覧』各年版』▽『服部四士主著『自転車の科学』（講談社・ブルーバックス）』▽『佐滝剛弘著『それでも、自転車に乗りますか？』（祥伝社新書）』