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打破KOPS的神话:一套关于自行车尺寸的选择性的方法

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发表于 2013-9-12 18:58:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
       创造神话是一项艰难的工作。对于通常的事理,人们很难相信它们居然是错的。Keith Bontrager面对的是我们在自行车尺寸方面的一条准则:在通常的情况下,确定车手的膝盖和脚踏的中心轴在同一条直线上是关键所在。他表明这根本就没有生理学上的任何依据。对这条准则的驳斥,以及他所创建的一套关于自行车尺寸选择的方法,都是建立在大量的解剖学的研究和许多自己在定制车辆的主体框架中所获得的实践经验的基础上。这篇文章的一些观点起初也许会难以理解,可是如果你能坚持下去,你就会更为明白如何进行车辆尺寸的选择,使得他在各种位置都合适——而不仅仅是在座位上。



对那些注重成绩的车手来说,合适的车辆尺寸至关重要。一般的自行车骑手在他的车上应该感到既舒适又有效率。一个能让人有效发挥的位置应该是能让骑手在固定的肌肉力量的条件下产生更多的能量,并且不会是肌肉过度用力或者做无用功。在某种骑行情况下,舒适和效率可能不能共存,因此,你必须根据对两者之间的取舍来改善你的骑行位置。在场地自行车赛中,所有的事情都发生在一瞬间,因此效率优先,所以最适合空气动力学的位置就是最合适的。但是在长途的公路自行车赛中,一个不舒服的位置最终会比一个损失少部分蹬踏效率的位置更令人疲劳。

好的车辆的尺寸的选择包括3个参数:准确的坐垫高度,准确的坐垫到车把之间的距离,和准确的坐垫的前后位置。找到准确的坐垫的高度(坐管长度)和车把到坐垫之间的距离(上管和把立的长度)的已有方法显得十分的直观。为了获得最大的力量,车手们的腿应该在蹬踏到最低点的时候处于近乎绷直的状态(这项建议最你的膝盖也有好处,在达到蹬踏的力量顶点的时候,你的腿伸得越直——从上方的蹬踏最高点测量,角度通常在100到130之间,——对你的膝盖就越有好处。编者)。到车把之间的距离应该让车手无论在呆在坐垫上还是在站立骑行中都能感觉舒适。

就我而言,为公路车手选择准确的车辆尺寸的主要难点在于找到准确的坐垫的水平位置。这点很重要,因为在车架的几何结构中,这使一个主要的受力点。坐垫的位置对坐管角度的影响和上管几乎一样。

确定坐垫的水平位置的方法是对车手的坐垫进行调整,以致曲柄和地面保持水平的情况下,膝盖下部的突起(胫骨末端)正好处于踏板轴的正上方。我把他称为KOPS(膝盖处于踏板轴的正上方)方法。我们通常用一个丰满的鼓(?)来确定这个位置(?)典型的做法是,一名车架的制造者一般会选择这样的坐管角度:使得当把坐垫固定在坐杆夹的中心的时候,车手的膝盖正好处于这个位置。

KOPS准则看起来似乎很有道理,它使你的膝盖和踏板在蹬踏力量最大的情况下处于同一直线上。这很有帮助,不是吗?错!KOPS准则根本就没有什么biomechanical理论上的依据。它最多碰巧是车手得到接近他们的准确位置。它也很可能使别人产生这样的结论:成功的车手们坐在他们的自行车上的时候,他们的膝盖正好在踏板轴的上方。实际上,在自行车骑性的biomechanica领域中,以前根本就没有什么综合性的工作来研究车手们的位置以达到最大的力量并尽量减少疲劳。多数的制造者和尺寸选择的专家都是依靠定制者们的反馈来告诉他们是否一个位置的改变会让他们感到更好或更糟。这些信息和力量输出毫无关联,他仅仅只是生理学上观察区的一个结果,也只是几个重要的依据于骑手的肌肉力量的数据之一。简而言之,KOPS理论没有任何的科学依据。

之所以说KOPS方法是主观的还是因为它依据于plump bob的重力环境理论。除了对坐垫提供一股强迫性的力量来抵消蹬踏到顶部(的力量)之外,受力的方向并不是由骑手们的蹬踏来决定的。通过分析骑手们的蹬踏动作,光想着在蹬踏过程中的大腿位置是没有用的更好的方法是观察骑手们的腿以及它在曲柄和脚踏上的运动,并把他作为一个杠杆和传动枢纽系统的中的重点,然后我们再考虑蹬踏力量和关节扭转力是如何在这个系统中工作的。



让我们根据图2来看看这个由骑手们的腿,曲柄,以及中轴组成的杠杆系统吧。这个杠杆系统包括5个定量(包含了坐管长度和曲柄长度),和5个支点(包含踏板轴和中轴),你可以发现不管绕着中轴旋转到任何角度,这个系统的工作都是一模一样的,各个部件的关系也是不变的。这就是说,当整个系统旋转运动的时候,较低的腿关节的角距离都没有改变。(注意到这和通过坐垫的滑轨把他们前后调节是不一样的,这会改变坐高)不管这是一个圆周运动,膝关节的工作都是完全一样的,并输出同样大小的力量。举个例子就可以明白,斜躺式自行车的车手的位置和膝盖受到的重力方向毫无关系。斜躺式自行车手们的在曲柄上腿部运动机械原理和上文提到的一样。即使他粗暴的从标准点瞪踏到90度角,那种强迫性的力量也仍然会被那有靠背的坐垫抵消掉。

当一名车手在进行瞪踏运动的时候,他的躯干和臀部之间的角度可能会发生改变。在臀部的伸展肌肉和膝关节的肌肉扭转力之间有一个基本的联系,但是没有证据表明胯关节的角度改变会消耗掉任何推动力。并且,由于钻石型车架的限制,骑手们在通常的骑行过程中通过改变身体的姿势和手的位置来改变躯干的角度所获得的好处,要远远由于在蹬踏过程中的一些小改动。

现在很容易看出曲柄/腿部以五通为中心的杠杆系统旋转运动(的作用)和坐管角度的改变是一样的。比较平坦的坐垫角度所起到的影响和车手反复的顺时针绕着五通蹬踏是一样的,而比较倾斜的坐垫角度正好相反。在这两种情况下,plumb bob将会以脚踏轴心为中心摇摆,但杠杆系统仍然保持不变。很明显,远离钻石型车架的坐管进行剧烈的蹬踏运动会使力的作用效果发生显著的变化。踏板在达到死点时的水平作用力可能会大到超过使你呆在坐垫上的摩擦力。一些山地车手过去常常抱怨到老式的RICHEEY车的69度的坐管使他们感觉到他们几乎要把自己抛离坐垫。另一方面来说,太倾斜的坐垫角度会是车手的体重过多的又他们的胳膊肩膀负担了。

我感觉合适的尺寸选择不仅仅是好的坐垫位置。一个好的自行车手会使用各种骑行姿势,包括两种离开坐垫的姿势——一种为了冲刺而小有区别的另一种是为了爬坡。车手在踏板上的重心(CG)在三种姿势之间不停的改变。尺寸合适的车子能保证车手在任一骑行姿势都能很好的保持平衡,并且不会花费额外的精力用胳膊和肩膀来支撑自己的体重。也会有其他的因素影响尺寸的选择,包括特别的身体结构和较弱的上肢力量。这些因素KOPS都没有考虑到。为了保证效率和舒适的基本要求,我的测量系统都会对此加以考虑。
用非常符合空气动力学的姿势坐在坐垫上的车手的重心大概处于五通前1—1。5英寸的位置。我通过两个方法对此进行测量:直接测量骑手的身体(测量其平衡点),和对体重分配的计算(测量中轴的重量)。两者相比,后者更精确一些。测量的结果就是通常体重按照前面45%,后面55%的比例进行分配。



由坐在坐垫上的骑手在蹬踏到顶点的时候会对坐垫产生一股向上和向后的作用力。(图示3)。如果蹬踏的力量比较小,车手们仍旧能够保持端坐的姿势,因为向上的作用力比车手的体重要小,而向后的作用力也比坐垫和车手之间的静止摩擦力要小。当在蹬踏的过程中力量达到最小阶段的瞬间,车手们会在他的的重心和坐垫之间向前倾,而这种前倾的趋势会由上身和躯干部分抵消掉。

当蹬踏的力量增大的时候,车手的体重在坐垫上的压力将不在有效,胳膊和躯干也将会增大力度来保持原来的端坐的姿势。在极端的蹬踏力度下,车手会离开坐位,以便有效的释放那些手臂承受的由强壮的多的腿部肌肉产生的巨大负荷。在这种情况下图示一的杠杆系统都不在准确了。车手这一部分就变成了一个复杂的杠杆系统。

两种基本的离开坐垫的骑行姿势在很多环境下都很有用。第一种在起跳,冲刺和出发时尽可能的加速。小有不同的第二种用在爬坡。这两种环境都值得我们足够的重视,来理解如何调整车辆坐垫的水平位置来适应车手们在车上的各种姿势。
两者之中冲刺的姿势比较简单,车手的蹬踏力度是如此的大以致躯干和手臂除了和它产生的作用力对抗之外,几乎什么都作不了。手臂的作用还使车子在蹬踏的过程中保持方向,使车手继续蹬踏,保持车手的位置,并且一小部分用来抵消蹬踏的力量。到达极点的蹬踏力量要比车手的体重要大,车手的骑行姿势也要响应的调整。他会把自己的身体向前挺直来使手臂获得最佳的承受力。(图示4)这时车手的重心会位于踏板的前方。当蹬踏的力量减小的时候(大概在12点和6点钟的方位),踏板上会产生一个小的扭转力。和往常一样,它也会使车手前倾,因此也得用躯干和上身的力量来抵消。





在爬坡的时候,蹬踏的力量比较小。当一名车手离开座位开始爬坡(图示5),他的重心就会处于整个蹬踏过程中力度比较大的正上方。(从8点钟到10点钟的方位)这使得车手能在蹬踏力度较大的情况下也能保持平衡,使手臂的受力减到最小,并使车手的整个体重都可以用来对抗蹬踏产生的反作用力。在蹬踏力量减小的时候,作用于车手的扭转力仍然存在并依旧需要消除。但因为车手的重心更靠近五通的位置,所以这个力变小了。爬坡的时候,由车手的手臂连接的躯干和车把之间的几何学上的图示是我在进行车辆尺寸选择的时候特别关注的。但涉及到大量的骨头和肌肉,这又有很大的弹性。
通过对在坐垫上和离开坐垫的骑行姿势的蹬踏力量和体重分布的分析,我们可以把目光聚集在坐管角度发生改变时发生情况,并且这些改变会如何影响你的表现。我们从当坐管角度发生改变的情况开始,看看车手们的姿势发生了怎样的变化。

当大概在73度角的时候,车手的重心在他坐着骑车的时候稍处于五通的前部,并在他离开坐垫的时候向前稍微移动。当坐管角度后倾的时候(坐垫变的更平坦),车手坐着骑车的重心也会向后靠。那么车把就得向后调整来保持原状。可是,当车手离开坐垫的时候,只有车把和脚踏的位置会有意义。因为车把向后靠了,站立骑行着的车手和车把之间的距离也就缩短了。车把和车手之间的空间也就随之缩小了。(图示6)在69度角的时候,站立骑行着的车手和车把之间的距离缩小了7%——8%。对于一台典型的中等尺寸的车子来说,这项改变大概是减少了5厘米,而对平常的立管的尺寸来说,这种改变就很大了。

相反的结果出现在坐管的角度前倾的情况下,车手坐着骑行时的重心就会前移,而车把和坐垫之间的距离可以通过安装一个较长的立管和车架上管来保持不变。但是车手站立骑行的时候,他的重心又会移动到蹬踏运动靠近9点钟的稍后处。结果就是车手必须不得不向前伸长手臂才能够到车把。在76度的时候,站立式骑行时车把的前伸距离增加了5%——6%,车手的手就必须比在73度角的时候向前多伸4厘米才能够到车把。同样的,你会发现这对立管长度的调整也是一个相当大的改变。



在这两种极端的情况下,都会产生问题。当坐管角度过于平坦的时候,车手们的重心将会落在当他们站立骑行的时候感到舒适和有效的位置的后面。而当他跳离坐垫冲刺的时候,他的膝盖可能会撞在车把上。在爬坡的时候,车手可能又不得不不舒服的向后靠,导致他的胳膊和肩膀受到额外的紧张。在大多数的条件下,车手能尽可能的把力量用在脚踏上,但仅仅是在上半身感觉舒适的情况下。比如早期的山地车架的设计经常会出现这种问题,而现在的山地车的设计对此已经趋向解决了。

而太向前倾的坐管会导致车手在站立骑行的时候身体过于前伸,也会在自行车左右摇摆的时候干涉车手的腿部,或者使他的重心过于靠前,增加他的肩膀和胳膊在抵抗来自蹬踏的下部冲击力以保持自己的位置时的负荷。有一些品牌的小尺寸的车架在制造的时候会导致这一问题。由于几何设计的限制,他们有着前倾的坐管角度和不舒服的前伸角度。(后面的句子不是很清楚他的意思)

现在我们知道怎样的坐管角度是合适的了。无论是坐在坐垫上还是使用站立式骑行,正确的坐管角度都能够合理的分配你的体重。一名自行车运动员发现他的车把在正确的位置的时候会让他使用各种骑行姿势的时候都感到很舒服。我忽视了这样一个事实:自行车自身的重量分配也会影响到车辆本身的力学特性,虽然通常这对公路车架不是什么问题。

由具有机械意义的人体基本尺寸的测量,我开始我的测量程序。这些基本尺寸的测量包括两腿的长度,(从地面到股沟的距离)脚长,躯干的长度,和当握住车把的时候,手心到肩膀的胳膊长度。然后我测量车手的重心。为了方便起见,我测量的是他坐着时的重心。我让车手靠墙伸蹲着,然后让他把自己的背后倾到几乎就要翻到的范围。由于人们常常用双脚来保持重心,所以我知道他的重心就处于在他翻到时的脚的正上方的区域里。这就得出了车手重心的水平坐标。

来源:网络转载


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