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以運動力學分析自行車的踩踏行程。


自行車的踩踏行程也是有動力行程與回復行程,動力行程與回復行程的界線是來自於髖、膝、踝三個關節的伸展(Extension)或屈曲(Flexion)而定義的。由運動力學的原理可以知道,人體下肢的動力來源是來自於這三個關節的伸展(triple extension),關節伸展時產生的動力足以推進我們的身體加上車輛來對抗重力或其他的阻力。關節屈曲時則是一個回復行程,回復行程所需要的動力只要負擔肢體本身的重量讓下肢姿勢回復到關節準備伸展前的位置即可,所以我們可以知道下肢關節伸展所產生的動能要遠大於關節屈曲所產生的動能。
 
因為關節伸展是動力的來源,所以伸展肌群的肌力與收縮速度與力量會大於屈曲肌群。例如髖伸肌的臀大肌就大於髖屈肌群的髂腰肌、縫匠肌、闊筋膜張肌;膝伸肌群的股四頭肌就遠大於膝屈肌的股二頭肌短頭;足底屈的主動肌如比目魚肌也大於足背屈的主動肌如脛前肌。(上面主要列的是控制單關節的肌群,控制雙關節的肌群會在「穩定肌群的作用」單元與大家分享。)http://blog.yam.com/suhumi/article/71791269
 
左右腳之間的動力行程相位差理想值是180度,所以只要左右腳的動力行程有良好的銜接即可。我們並不需要在回復行程用力上提甚至特別訓練髖屈肌、膝屈肌或足背屈肌,因為另一隻腳的動力行程已經開始,而且伸展肌群的力量與收縮速度不是屈曲肌群可以跟得上的,硬要屈曲肌群的力量與速度跟上伸展肌群會降低整體踩踏行程的順暢與效率。過度使用屈曲肌群也會造成下背部的疼痛,這是代償動作使得腰椎過度彎曲造成。永遠要記得我們有兩隻腳,要分工合作不要各自為政!
 
以上的三段分析也直接的質疑單腳踩踏訓練與POWER CRANK訓練的效益,因為這兩種訓練的運動模式與真實踩踏行程的運動模式不同,在回復行程產生太多動力,也就是拉太多了!
 
傳統用「踩」、「拖」、「拉」建構為一個完整踩踏行程的描述是不夠細緻也容易造成誤解!除了要有動力行程與回復行程的概念之外,更精緻的描述如下~


粉紅色是臀大肌。
藍色是股四頭肌。(股直肌、股內側肌、股外側肌、股中間肌)
綠色是腓腸肌與比目魚肌。
橘色是腿後肌群。(半腱肌、半膜肌、股二頭肌長頭、股二頭肌短頭)
黃色是髖屈肌群。(髂腰肌、縫匠肌、闊筋膜張肌)
圖例上沒有標足背屈肌脛前肌,在踩踏時用太少了,所以這裡不畫,讓畫面簡單一點。
線條的寬度與輸出力距成正比。

若是從矢狀面的右側來觀察,右腳以順時鐘方向踩踏。
 
Ⅰ:上死點轉換行程,約11點到1點方向。
這一個行程幾乎沒有什麼動力,動作幾乎是靠慣性通過。這個行程的重點在於減少損耗,方法是不要坐太低、不要用太長的曲柄、發展髖關節屈曲的活動度、減少腹部的脂肪。
 
Ⅱ:動力行程,約1點到5點方向。
發揮三關節伸展(triple extension)的動能,除了踝關節稍微保守一點以外,伸展肌群充分發揮。為何踝關節的伸展要保守點?因為小腿後側肌群的肌耐力相對有限,所以在踩踏行程裡踝關節的工作角度範圍最小,大約2025度之間,是膝關節的1/3、髖關節的1/2。動力行程初期會有點向前(Push forward)再過渡到直接向下(Push down),但這個過程是被曲柄所引導的路徑,所以並不需要刻意改變用力的方向,動作指令就是「伸展!」,就像活塞被往下推、連桿帶動曲軸、曲軸轉動是一樣的過程。怎麼訓練三關節伸展(triple extension)的能力?那就是肌力訓練的主要菜單啦!蹲舉、三關節爆發式訓練(抓舉、爆發式上搏、懸垂式抓舉等)。在設定上不要坐太高也不要坐太前面,要找到髖關節、膝關節合適的工作角度,踝關節不要過度伸展。
 
Ⅲ:下死點轉換行程,約5點到7點方向。
這個位置踝關節、膝關節已經到了伸展極限的角度,只剩下髖關節的一點點伸展空間。髖關節帶動的感覺有點像是後拉(Pull back)但力度已經衰退很多了。注意!這個後拉的動作是髖關節的伸展不是膝關節的屈曲。如何增進髖關節伸展末端的效率?所有開發髖關節伸展能力的訓練動作都可以,RDL、單腳RDL、後跨步蹲等。
 
Ⅳ:回復行程,約7點到11點方向。
回復行程用到的是屈曲(Flexion)的肌群,前面花很多時間講伸展肌群比屈曲肌群有力且快得多。所以這個行程的目標是自給自足(把自己的腳收回來就好)但通常都達不到(被另一隻腳的動力行程給推回,類似活塞在回復行程中被曲軸轉動帶動的連桿推回上死點。),更不用想把它訓練成動力行程了。有些飛輪教練會強調回復行程中抬腿的動作,若目的是為了減少這個行程做的負功是對的,若想拉抬有助於動力行程的延伸那就不對了。那還要不要單腳踩踏訓練、添購POWER CRANK?我前面質疑的是這類訓練的功效被擴張,而不是說完全沒有效用,但有時間、有預算應該多花在如何增進三關節伸展爆發力(triple extension power)的相關訓練與設備。請思考關鍵的因素,「下肢伸展肌群的肌力與收縮速度會遠大於屈曲肌群」。
 
再次提醒的是「我們有兩隻腳!」,兩腳的動力行程相位差180度,所以當右腳是動力行程時,左腳就是回復行程,以此類推。兩隻腳分工合作(各有各的動力行程,一個接一個,週而復始。)、平順銜接(上下死點轉換工作行程)與協助補償(回復行程所需的能量一部份來自另一隻腳的動力行程。),如此踩踏行程的邏輯就建構完成了!單腳分析不會讓你看到踩踏行程的全貌。
 
延伸的問題,若我們把單腳動力行程的圖形兩張轉180度夾角重疊(自己想像一下囉!),就會發現一個完整的雙腳踩踏行程會有兩個動力輸出的高峰與兩個低輸出的山谷,知道我要說什麼了嗎?很多人問我對於橢圓盤的看法,我認為使用橢圓盤是有道理的!因為踩踏行程的動力很不平均但可以觀察到週期性,橢圓盤正好可以解決這種問題,高輸出時給較大的盤徑、低輸出時給較小的盤徑。有沒有發現動力行程峰值位置與水平方向有相角差?這也是為什麼現在的橢圓齒片與腿組會有偏移角了,這個角度與騎姿有關,公路車與三鐵車就會差46度。

不過現在橢圓盤設計上還不夠好,第一是齒差還不夠大,動力行程與轉換行程之間的齒差不夠大,應該做成更像橄欖狀的,腿組也要配合設計,現有的BCD太大不適合。第二是變速器要重新設計,尤其是前變,這樣才可以配合更大的齒差,不然上鍊效率不良的齒盤我也不想用。

其他相關圖面說明。

這是一個踩踏行程的力學向量分析,粗略的分A點開始大部分是「動力行程」,B點開始大部分是「回復行程」。動力行程末期雖然力量最大,但與徑向的乘積還是中段比較大,跟上面的彩色圖結果吻合。回復行程很明顯看到有負功(會產生逆時鐘方向旋轉的力距。),做負功就是驗證「下肢伸展肌群的肌力與收縮速度會遠大於屈曲肌群」。還有很多無效施力(平行於曲柄的分力。),我們現在可以知道為什麼有人可以把曲柄或踏板踩壞了!


YAMAHA TZR250,二十多年後看起來一樣漂亮!

二行程並列雙缸249CC引擎可以產生50HP。

覺得如何?還是上訓練台踩踩比較有FU?!




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