ジオメトリーの我流理解
自転車のジオメトリーについて、、、、最近は乗り手が決まるとセッティングが決まる！的な話が多いけど、同じ乗り手でも使い方が異なればジオメトリーも変化するので、ジオメトリーの押しつけというのは、乗り手の使い方が加味されていなければ全く無意味なのだ。
乗り手次第でジオメトリーが決まるので有れば、スポルティーフもランドナーもロードもピストも、、、、となってしまう。となると、同じ乗り手でも用途、即ち、車型が異なればジオメトリーは異なるのである。ということで、ジオメトリーとは？とか、車型で望まれるのは何？を纏めてみる事にした。
１．最初に
自転車っていうのは、乗って漕いで進めるモノである。一番大きな力を一番効率良く伝えるのが基本なのだ。そして、漕ぐのは脚である。脚の力を最も効率よく伝える事が出来るというのが一番大事なのである。
そして、人間の脚っていうのは関節を使った往復運動である。この往復運動で一番大きな力が発揮出来るポイントが基本なのである。
２．一番大きな力を生み出す瞬間
座った状態から立ち上がる瞬間。椅子に座った状態から腰を浮かせる瞬間である。その時の下肢の位置関係が個人の固有値である。一番楽な姿勢で身体を支える。一番楽に一番大きな力が出せる瞬間だから。この時の足の裏の力は真下方向。この真下方向に最大の力が生まれているので、真下方向に力を掛ける瞬間が立ち上がる瞬間の姿勢に一致するのである。これが基本なのだ。具体的には下肢（大腿、骨盤を含んだ下半身）の位置関係はペダリングにおけるクランク水平時における位置関係と一致する。大事なのは、この時の大腿の傾きと長さ、骨盤上の背中の角度である。
３．車体側のハンガー周りの位置関係
サドルに跨る。そして脚をぶらんと伸ばす。脱力時における足裏位置がペダルスピンドル位置。その足裏〜尻の距離がクランク長＋シートパイプCT値＋サドル突き出し量である。それでいて、上述２．の状態における大腿部の水平長さ＝クランク長＋（ハンガー中心〜サドルトップ）×cos（シート角）となれば良い。これを満たすシート角がベストのシート角である。勿論、上体の姿勢は２．の立ち上がる瞬間の背中の角度で考える。
４．車体側のリーチ先の位置決め
前項３．でシート角、上体の傾きが決まる。その傾きを保った状態で自然に手で支える時に一番楽に上体を支える事が出来る位置がリーチ先である。ドロップハンドルであればレバーパッドの位置。ペダリングで上体の筋肉を使う場合は、上体の固定が基本。つまり、上体を一番楽に支える位置に該当するから、身体を支える瞬間で一番楽な位置がそれに該当する。
上の１．〜４．で基本となるジオメトリーが決まる。これは基本中の基本。一般論で言われているハンガー〜サドルトップ迄の距離が股下×0.875とか、そういうのはナンセンス。１．〜４．で合わせた時に、自分がどういう数値か？を図って係数を出しておけば、他の自転車を組む時の目安になるという質のモノである。それ故に、数値ありきでない。相対性から数値を求めるのが正解。
ところで、常に大きな力を生んで乗るか？というと、用途によって必ずしもそうではないのである。身体の負担を考えると背骨の湾曲は少ない程楽なのは直立歩行する人間の本質である。椅子に座る時も真っ直ぐ座るのが一番楽なのだ。人間誰しもだけど、椅子に座ってリラックスする姿勢と椅子から立ち上がる姿勢が違う通りである。但し、上体をリラックスさせる程に上体の力が利用し辛くなるのである。このバランスが重要なのだ。但し、下肢の発生する力は基本的には最大値を確保するのであり、骨盤、大腿の相対性（角度）は常に一定である。
窮屈であっても上体の筋肉を積極的に使いたいモノ、そういうモノ程、前傾度が高くなる。前傾度が高い状態とは、即ちハンドル位置が低くなる。前傾度が高く骨盤が倒れると、相応に大腿の角度も傾く。大腿の骨盤の相対角度は不変だが、骨盤角度が倒れるに従ってシート角が大きくなる。言ってみれば、駆けっこのクラウチングスタートに近い状態をイメージすれば判りやすい。
逆に、上体の負担を軽減しリラックスさせる程に上体は開き気味になる。その場合は前傾度が小さくなる。つまり身体が持ち上がるためにハンドル位置は高くなる。骨盤が倒れない上体では大腿の角度も倒れない。結果、シート角は小さくなる。
このように、上体の活用度が前傾度に繋がり、それに応じてシート角が連動して変化する。前傾度というのは背骨の傾きだが、純粋に背骨を傾けているのでなく、ハンガーを中心に乗車姿勢を回転移動させているだけの話であり、水平に対し相対的に背骨の角度が変化しているだけの話である。高い前傾度とは姿勢が前方に回転しているということで、その分、ハンドル位置は低く、近くなるのである。前傾度が小さくなるとハンドル位置は高くなり、ある一定の高さを限界に遠くなるのである。
一般に、前傾度の大きな自転車は短距離向けで上体の筋肉も積極的に利用するタイプである。シート角は大きめ、リーチは短め、落差は大きくなる。その極致がピスト、TTバイク、トラックレーサーである。これから想定距離が増える程、シート角が小さく、リーチが長く変化し、落差も小さくなる。ロード、スポルティーフ、ランドナーと車体（用途）が変化する毎にジオメトリーも異なってくるのだ。
つまり、スポルティーフ、ランドナーという旅行車系統では、ハンドル位置を高く保つために縦方向には大きめのフレームを選ぶ事が多くなる。勿論、それに応じてシート角は寝気味となる。逆にロード、ピストという競技車系統になると低いハンドル位置を実現するために縦方向に小さめのフレームを選ぶ。当然、シート角は立ち気味となるのは言うまでもない。
此処までは、駆動主体での決め方だけど、フレームデザインでは駆動時における最適性の考慮の他に、操縦性を考慮する必要がある。
操縦性というと、だれもが知っている操舵系のジオメトリーである。操舵系のジオメトリーでは一般的にヘッド角（キャスター角）とトレールという言葉が使われており、その解説については多くのサイトや書籍で紹介されている通りであるが、勝機、多くのサイトにある解説は現象の解説に留まっており、詳細な突っ込みが解説されているモノは皆無だ。しかし、このキャスターとトレールというのは何故に二つが単車のカタログ等で定義されているか？というのを考えると、もう少し鮮明に理解出来るのである。通常の解説では、ヘッド角を寝かせると、ヘッドの延長線と地面の交点とタイヤの接点の距離（トレール）が増えて直進性が高まるという幾何学的に当然な事しか書いていないけど、そうではないのだ。それは結果の話に過ぎない。そもそも二輪車というのはバンクして旋回するモノ。蛇角だけでバンクの切っ掛けが無ければ旋回しないし、バンクだけで蛇角が無くても旋回しない。旋回は蛇角で切っ掛けを作りバンクで継続するというモノ。つまりハンドルの切れ角が蛇角とバンク角の双方を作り出す必要がある。蛇角で向きを変え、バンク角（車輪の傾き）で旋回を維持するというものである。切れ角によって蛇角とバンクの両方を生み出すためにヘッド角（キャスター角）が与えられている。切れ角が100％蛇角となるようなヘッド角90°では車体のバンクが生じないために、発生する旋回時における遠心力を支える術が無く外側に転倒するし、切れ角が100％蛇角となるようなヘッド角ゼロでは車輪がバンクしても旋回が開始しないためにバンクによる傾斜方向に転倒するに到るのである。なお、旋回開始能力は、前後輪接地点における旋回時の前後輪のそれぞれの接線の交点が旋回の中心になる。つまり、ホイールベースが短く蛇角が大きいモノ程、旋回半径が小さく、蛇角が小さいと旋回半径が大きくなる。ホイールベースが長くても蛇角の与え次第で旋回半径を変える事が可能である。そこで生まれた旋回半径における速度に応じて必要バンクがきまる。切れ角から生まれた蛇角による旋回と、その蛇角で決まるバンクによる旋回の連続性が重要であり、その挙動が不連続とならないような、バンクと蛇角の兼ね合いからヘッド角を決めていくのである。乗りにくい二輪車ではバンクの切っ掛けを作ったら、そのまま切れ込んで車体が前輪からスリップダウンしたりするのである。
まぁ、この考え方は自分が数値を決めるための我流的な手順であるけど、自分で決めるには自分なりのモデルが必要なのだ。我流の詳細はプログラム化しているけど、ホイールベースと蛇角で旋回半径を決める。そこでの速度の想定値を与える。この想定値は走行想定速度を与える。この速度における遠心力を求め、これと重力を釣り合わせて、その旋回時におけるバンク角を求める。バンク角は自動二輪車に較べると圧倒的に浅い角度となるが、これは自転車のタイヤトレッドの内、グリップが確保出来る範囲が狭い事にも起因するが、このバンク角が多くなりすぎないように留意する。このバンク角と蛇角を両立するのがヘッド角となる。こうやってヘッド角を決めるのである。30km/hで旋回半径5m程度でバンク角は5°強というのがロードバイクに多く、最大バンク角でも30°未満となるように、ヘッド角を決める。ホイールベースを980〜1000mmとしたとき、その旋回能力を得るヘッド角が概算で73°前後となる。一般に速度域が高い状態では旋回半径も大きくなるので、数値の変化はそれ程大きくないが、小さな切れ角で大きな蛇角を得るような設定では、ハンドル操作による車体挙動の変化への影響が大きくなるので、速度域の高いモノほど、蛇角の調整巾が広いようにヘッド角は寝気味になっており、速度域の低いモノほど、蛇角を素早く確保擦るためにヘッド角は立ち気味となっている場合が多い。この辺りの計算を手計算で行うのは簡単ではないが、高校数学の範囲で大雑把な計算は可能である。
なお、ヘッド角（キャスター）を寝かせると旋回力を得るためには大きな切れ角が必要となる。それに応じて操舵軸から接地点迄の距離（トレール量）が大きくなる。それによって、直進時における前輪接地点の復帰力が大きくなり、ある平衡状態から蛇角を操作する場合に必要な操舵力も大きな力が必要となる。トレール量が大きくなると、前輪の蛇角状態維持の効果が大きくなり、それが直進安定性等にも寄与する。蛇角部とバンクの調整代を確保するためにヘッド角を寝かせても調整が困難では意味が無いので、そういう場合はフォークオフセットを調整する事でトレール量を減らす事が可能であり、そうすれば軽い力で蛇角の変更が可能となるのである。なお、同じトレール量であっても寝かせられたヘッド角＋大きめに確保したオフセットに依るモノの場合、前輪の回転軸自体が操舵軸の中心から離れるので、一意的に同じトレールだからといって同じ操縦性であるとは限らないのは言うまでもない。
まぁ、単純に言うと、用途で速度域＋時間が決まり、これで駆動系周りのジオメトリーが決まる。これに走る場所を踏まえて操縦系周りのジオメトリーを決めるといことである。乗り手が同じでもシート角、トップ長、シート長が違うし、速度域と場所が違うと与える操縦性が違うのでヘッド角、オフセットが変わるのである。
今は自転車の話だけど、700Cの自転車の多くがシート角もヘッド角で70〜75°となっているが、この辺りの１°の違いは結構影響するのだ。それで、どの値を選ぶか？これが難しい。正直、それ程の拘りは不要だろうけど、上述のように車型毎に想定する速度域や走行環境から、ヘッド角をどうするか？オフセットをどうしたいか？という目安を持つ事は自転車選び自体に楽しさを感じる要素にもなりうるのである。
まぁ、こういう風に考えて最終的に数値を自分で決める事が出来るようになればＯＫだ。そう、決めた数値の持つ意味を違いの想定と実感が理解できるようになった暁にはフレームオーダーを行ってみたい。ただ、現時点のこの程度の理解であっても、ロード、ピスト、スポルティーフというのは全く別物であり、それに応じたフレームと乗り方、作り方に自分の拘りを持っている。
ジオメトリーの理解としては、取り敢えず、シート長、トップ長、シート角、ヘッド角、オフセットの理解、、、これくらいは必要だろう。しかしながら、既存のツーリングモデルを見ると、そういう傾向になっている車体もあれば、理解し辛いジオメトリーのモデルも少なくないのが現実である。
因みに自分の場合、現状における自分の認識では、ピストや競技系ロードではCT=520〜525、通常ロードではCT=530〜540、スポルティーフ系ではCT=550＋αを選んで居る。後述と被るけど、シート角はピスト〜競技系ロードで75〜75.5°、通常ロードで74.5〜75°前後、スポルティーフ系で〜74°であり、ハンドルバーとサドルトップの落差は、ピスト〜競技系ロードで-50〜-100mm、通常ロードで-50mm前後、スポルティーフ系で面一くらいである。実際、製図してみるとよく判る。最近はCAD図で検討して各部の調整（ステム長、サドルセットバック値の選択）を行う。なお、ヘッド角はピスト、TTバイクで73°、ロードで74°、スポルティーフ系統で72°程度。
余談だけど、旅行車では前傾度が低くハンドル位置が高くなる。結果、フロントバッグの積載性も優れる。これを突き詰めた形が26インチの650Aとかのランドナーに該当する。この積載性の確保とジオメトリーというのは矛盾無く成立しているのが興味深い。