フレームの剛性とは何でしょう？
フレームに関しての評価、評判で良く使われる言葉は、
・剛性が高い、低い
・硬い、柔らかい
・良く進む
・ダンシングで進む、進まない
・疲れづらい、ロングライド向き
・反応が良い
・足持っていかれる
などです。
それぞれ、メーカーがいろいろな設計、味付けがあって、このような感想が出てきます。
ただ、私が思うに、フレームのメーカーはたくさんあります。特に人気メーカーはありますが、情報が豊富にある現代では、良い物が圧倒的に売れてしまうため、弱小メーカーは淘汰されてしまいます。
人気メーカーのスペシャライズド、キャノンデール、トレック、ビアンキがあります。しかし、プロでもこのフレームに乗っているからと言って、絶対的優位ではなく、他のフレームでも勝つことは、普通に出来ます。日本でも強い、宇都宮ブリッツェンはメリダという台湾メーカーですが、人気とは言えません。
しかし、これだけメーカーが乱立、存続しているということは、フレーム設計による差は小さいのではないかと思います。フレームやロードバイクメーカーの選び方の記事でも、好きなデザイン、色を選ぼうということで、最後締めていることが多いです。特に、レースに出ていなければ、それほど気にしなくていいということでしょう。硬いフレームでも、超ロングライドをしなければ、何とかなります。硬いフレームでもサドルやホイールを柔らかくしたり、レーパンやグローブを変えれば、また乗り味は変わります。
それでも、フレームには硬い、柔らかいが存在しています。レースに出るレベルの人は、いくつかのフレームを所有し、自分に合ったフレームを見つけて乗っています。初心者で、見た目だけで硬いフレームを選んでしまい、失敗したとか、その逆もあるかと思います。こればかりは、メーカーのホームページで設計思想を読んだり、乗った人のインプレッションを参考にして選ぶしかありません。
残念ながら、私はレースをしていますが、入門用のアルミフレームにしか乗ったことがありません。それ以外のフレームを所有したことはありません。他の人に借りて乗ったことはありますが、ほんの数十メートルです。
なので、各メーカーの特徴は別のインプレに頼りますが、ロードバイクのフレームを構造物とみて、材料力学や物理特性の観点から、フレームの剛性について、いろいろ考えてみたいと思います。的外れなことも言うかもしれませんが、ご了承ください。
フレームが硬いと良くなることは、
・反応が良い。踏んだらすぐ加速する
・コーナリングが安定する
・ダンシングで進む
・ダウンヒルが安定する
などです。
逆に悪い点ですが、
・足がすぐに疲れる。足を持っていかれる
・ロングライドで疲れやすい
・振動を吸収しづらく、手足が痛くなる
などです。
基本的に硬いと、車体を傾けてもゆがまず、踏み込んでも溜めが無いため、踏んだ分だけ（踏んだところだけ）進みます。
主に、ヒルクライム、スプリンター、タイムトライアルで重宝されます。
柔らかいと良いところは、
・振動吸収をするので、手足が痛くならない
・長く乗っても疲れづらい
・雑に乗っても、まぁまぁ進む
などです。
逆に悪い点は、
・踏んでも加速が悪い
・ダンシングで進まない
・コーナーが怖い
・ダウンヒルが怖い
・パワーロスがある
などです。
疲れづらい、路面の凹凸を吸収するため、ロングライド向きです。のんびりサイクリングや、ブルベなどで使用されるのであれば、柔らかい方が良いでしょう。
太いチューブの三角形（ダウンチューブ、シートチューブ、トップチューブ）は、構造上、縦方向にゆがむことは考えづらいです。
たわむ部分は、フロントホイールが付いた、フロントフォーク。リアホイールの付いた、シートステイ、チェーンステイ。お尻が乗っている、シートポスト。手が触っている、ハンドル、ステムなどです。また、ホイールベースが長ければ、上下動が少なくなります。あとは、足へ伝わるクランクでしょうか。
縦方向はとても頑丈です。力は、弱い部分に集中します。いかに振動を逃がすか、どこで吸収させるかが、設計の肝かと思います。
フレームは、正面から見ると、縦長に薄く出来ています。空気抵抗が増えてしまうため、横には広げられません。横への倒れ、たわみやねじれは、チューブを太くしなければなりません。あまり太くても、空気抵抗が増えたり、重くなったりします。素材を丈夫で硬いものにすると、値段が高くなったりします。また、プロのロードレーサーは、ものすごい力で踏むので、頑丈に作らなければなりません。私はそんなに強く踏まないので、柔らかくても良いのですが。
また、チューブの三角形が小さい方が剛性が高いと言われています。この理由が良く分からないのですが、三角形が大きいホイールベースが長い方が、たわみ量が大きくなってしまうからかもしれません。
フレームは、いかに細く軽く、そしてねじれを少なくするかが、設計の肝です。
横剛性は、どのような働きをしているか、横剛性が不足するとどうなるのかというと、
・ペダルを踏み込んだときに、フレームがたわむみ、力が逃げる
・駆動系がねじれるとチェーンの摩擦が増える？
・カーブでバイクを倒すと、ホイールがさらに倒れる
・ダンシングのような大きく急激な力で、フレームがたわみ、力が逃げる
力が逃げるとはどういうことかというと、踏む力がクランクの回転方向に伝わらないということです。
ペダリングでは、回転方向と違う方向(例えば、下死点で真下など)にかけても、同様に力は逃げてしまいますが、ちゃんと踏んでいるのに、クランクが、フレームが曲がってしまって、クランクを回転させていない時に起こります。10踏んで、9伝わっていたものが、8になってしまったら、進まないなぁと感じるものです。
強い力が加わった時、フレームはたわみます。たわんだフレームは、遅れて元に戻ります。これが、良い方向に働く場合もあります。硬くて全くたわまないと、無駄に強く踏んだ力は、自分の足に返ってきて、足を痛めます。柔らかければ、足を痛めません。（硬ければ、弱い力で踏むか、力を跳ね返す強靭な肉体を作ることです）
柔らかければ、フレームがたわみ、力が弱くなったところでもどるので、それが推進力に変わればより進むことになります。エンデュランスモデルやクロモリフレームは、そのたわみを利用しています。
やっぱり、横方向のたわみを減らすには、横幅を増やすことが一番です。特に力が加わるBB周りとダウンチューブを太くする傾向にあります。力がかかるのは、BB周りであり、この部分とホイールが傾いてしまうと、直進時やコーナリングで変な方向に行ってしまいます。パイプが横にたわむのを防ぐには、太くするか、材料を変えるしかありません。
ようするに、BBまわり、ダウンチューブを見て、太ければ、ねじれに強いフレームと言えます。材料は、見た目で判断できないので、やっぱり乗ってみないとわからない部分ではあります。
私は、BMCのダウンチューブは太いなぁと感じていました。このフレームは、ダンシングが気持ちいいと評判です。きっと、ねじれに強いのではないか？と考えています。他にもドグマは硬いと言われていますね。
武井壮さんが言っていました。短距離のスタートダッシュは、力が強ければよいわけではないと。
ボーリングのような重い球を思いっきり叩いても、すぐにトップスピードには乗りません。それは無駄な力なのです。その球の重さを考え、必要最低限の力で、最も効率の良い加速度を与えてあげることが大切です。
ロードバイクの加速も同じです。
思いっきり踏めば、最高の加速を得られるわけではありません。特に、フレームが柔らかい（フレームだけの問題ではありませんが）と、余分に踏み込んだ分は、あとから推進力に変わるか、無駄なエネルギーになって捨てられてしまうかです。
逆に硬いフレームでは、強く踏みすぎると、自分の膝や腰に跳ね返ってきます。筋力のあるプロであればよいのですが、素人が固いフレームで慣れていないと、痛みが出たり、すぐ疲れたりします。いわゆる足を持っていかれます。
自分の足に跳ね返らないような力加減が出来れば、うまくロードバイクと自分を加速することが出来ます。ボーリング球をもっとも効率よく加速させられれば、最高に速い球が投げられます。
これを見て気付くのは、強く踏み込んだとき、コーナーやダンシングでマシンを傾けたときに横剛性が影響してきます。逆に言うと、タイムトライアルのように、一定の巡行スピードで走り続ける場合は、急激な踏み込みや、車体の傾きはありません。それであれば、横剛性より、空気抵抗を軽減した方が良くなります。それが、エアロフレームです。エアロフレームは空気抵抗を優先して縦に細く、横剛性を犠牲にしています。
長く乗っているフレームは、そのくせをつかんで、乗りこなせるようになっています。そこから、新しいフレームに乗ると、硬いとか、柔らかいとこ、思いっきり攻められない、止められないなど感じると思います。
これは、自分に合わないのか、違和感なのかわかりませんが、慣れていない部分が多いと思います。
合わないかもと思っても、慣れてくれば何とかなる場合があります。
どちらかというと、目的によって良い悪いが見えてくると思います。ヒルクライムは速いけど、巡行がつらいとか、コーナリングや加速など、その状況によるところが大きいでしょう。
買ってしまった後、フレームが硬すぎたという場合があります。そういう場合は、ホイールで乗り味が変わるようです。
少し柔らかくしたければ、ホイールの剛性が高くない物と組み合わせればよいようです。
かっちかちのフレームに、かっちかちのホイールを履かせれば、究極に硬くなります。
縦剛性は、ロングライド、巡行、ブレーキ性能に影響してきます。
横剛性は、加速、ダンシング、コーナリングに影響します。
それぞれ別に考えることで、目的に合ったフレームを選んだり、苦手分野や得意としているところを改善する方法を見つけるためになると思います。
フレームの剛性について、参考になる動画が、ビチアモーレさんのユーチューブです。
下に貼っておきます。