开元课堂 | 打破曲柄长度的“玄学”迷思

   2018-11-29 11:10

曲柄长度的选择经常被资深自行车玩家戏称为“玄学”,很多入门玩家都是通过身高和车友之间口口相传的经验来选择曲柄长度,例如身高170的使用170长度的曲柄;后来,玩家们开始测量自己的跨高和小腿长度,通过公式计算曲柄长度。更高级的玩家在专业fitting设备的帮助下,更加科学地判断适合自己的曲柄长度。然而,不少高阶玩家发现,决定曲柄长度的不应该只是骨架尺寸,还有具体的发力方式、踏频习惯和应用场景。

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▲ 曲柄长度对老鸟来说往往也是“玄学”

关于曲柄长度的选择,圈内流行着各种各样的经验和传说。有人认为长曲柄适合发力,有人认为短曲柄有助于提高踩踏效率,还有人认为更短的曲柄有助于增加落差。那么,什么是最科学的曲柄选择,又应该如何看待关于曲柄长度真真假假的传说呢?

2017年,在Cyclingtips上,来自澳洲的技术编辑Matt Wikstrom带来了一篇关于曲柄长度的综述 Cranklength: Forget leverage and power, it’s all about fit (小编:勉强可以翻译为《与扭矩和功率无关,曲柄长度是纯粹的fitting问题》,但仍觉不能达意),其中详细回顾了诸多关于曲柄长度的研究。今天,就让我们顺着这篇综述,详细介绍一下曲柄长度之谜的前生今世。

小编:此文可与本院早先文章配合品读,传送门:《一寸长一寸强? 打破曲柄长度迷思》


在自行车运动中,人们一直在寻求增加效率和“免费的速度”。教练和工程师们在过去几十年间重新审视了自行车设计可能带来的“边际收益”,希望从细枝末节中获得“免费”的速度收益。而曲柄也获得了相当程度的重视。

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▲ 为了获得免费速度收益,脑洞大开的发明家们尝试的“奇技淫巧”

在自行车运动的初期,曲柄设计更加注重外观的优雅和轻量化,铝合金是最常见的材料。在过去一段时间里,碳纤维开始进入曲柄市场。在这个过程中,中轴、轴心也经过了多次重新设计;齿盘则开始变小,盘钉数量也在减少。然而,在曲柄不断进化的背景下,曲柄长度始终保持在170毫米附近。

有趣的是,这个长度最初并非完全根据人体尺寸设计,而是为了减小压弯时曲柄达到地面的风险。不过,170毫米左右的长度对于自行车运动来说的确恰到好处,既不会因为太长超出了人体正常动作的范围,也不会因为太短而降低了杠杆的机械效率。

在二战前,自行车工业的霸主英国曾经试图制定6.5英寸/165毫米的曲柄行业标准。然而公路车运动员们希望获得更加多的曲柄选择。自行车运动发展早期,学术界还没有注意到曲柄长度对骑行影响,工业界却早已开始为运动员提供不同长度的曲柄。在1958年,Campagnolo推出了方孔曲柄,提供165-180毫米的选择范围,每两个规格之间相差2.5毫米,成为了如今可选曲柄长度的鼻祖。

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▲ Campagnolo是最早提供曲柄长度选择的厂商

学术界在80年代才真正开始注意到曲柄长度对自行车运动的影响。大量学者进行了相关研究,部分研究甚至取得了相反的结论。但让人大跌眼镜的是,如果用一句话总结这些研究结果,可以概括为:没有证据显示曲柄长度对车手的功率和速度有影响。

曲柄=力臂

小编为了方便懒惰的读者进行的一句话总结:曲柄长度和输出没关系

为了探究曲柄长度之谜,人们通常从物理模型出发,将曲柄视作力臂。在施加同样力量的情况下,更长的力臂会带来更大的扭矩。显然这种思路过度简化了模型,然而,在特殊的场景下,它仍然具有意义,例如在死飞(固定齿比)静止起步进行100-200米冲刺的情况下,更大扭矩可以带来更快的加速。在2007年,Campillo等人在研究[1]中发现在这种情况下,哪怕曲柄长度差距只有2毫米,长曲柄也能够加速更快。

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▲ 无法调整齿比的情况下,杠杆长度直接影响扭矩

然而,在公路比赛中,一来运动员大部分时间在坐踩,二来可以自由变速,因此这种设定并没有意义。研究也的确显示出,曲柄长度对公路自行车运动员的最大输出没有任何影响。Inbar等人[2]考察了125-225毫米长度的曲柄对30秒坐踩的影响,发现150-200毫米之间的曲柄长度对于输出没有明显影响,即使是最极端的125和225毫米曲柄,输出的下降也只有2-5%。Martin等人在2001年的实验[3]也取得了一致的结果。

改变曲柄长度能减少消耗吗?

小编为了方便懒惰的读者进行的一句话总结:不能!

既然曲柄长度不能增加输出,那么是否可能减少省力消耗呢?

最早的相关研究可以追溯到1953年,Astrand [4] 测量了运动员使用160到180到200毫米长度曲柄的耗氧量,发现耗氧量之间的差距可以忽略不计,还比不上换一条轮胎带来的区别。

Morris和Londeree [5] 在1997年重新考虑了这个问题。在长距离次最大强度骑行中,5-10毫米的曲柄长度改变最高增加了11%的耗氧量。然而需要注意的是,在这个实验中运动员需要固定90rpm的踏频。而在之后的2002年,McDaniel [6] 等人的研究说明运动员的代谢率主要取决于功率、踏频和踏板线速度。更换145/170/195毫米长度曲柄对代谢率没有影响。

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▲ 踩踏力量和踏板线速度几乎决定了生理消耗

而在2017年,Ferrer-Roca [7]等人在更小的长度区间(运动员自选长度+-5毫米)重复得出了“曲柄长度对运动员消耗没有影响”这一结论。与此同时,他们发现,更长的曲柄会增加臀部和膝盖的运动范围和关节折叠情况,因此建议运动员选择更短的曲柄来减少伤病几率。

所以,真的有必要寻找最佳曲柄长度吗?

小编为了方便懒惰的读者进行的一句话总结:有!

虽然不同的曲柄长度对于输出和代谢没有影响,但是由于自行车运动本身动作的高度重复性,不管是业余玩家[9]还是专业车手[10],很大比例的运动损伤来自于运动过量[8],而双腿则是运动损伤的高发区。

为了减少运动损伤,车手普遍选择优化坐姿(广义的fitting)。在优化坐姿的过程中,坐垫位置决定了双腿的极限运动位置,而曲柄长度决定了双腿的运动范围。因此从减少伤病角度来看,车手的确应该重视曲柄长度的选择。

那么,有没有计算曲柄长度的公式呢?

小编为了方便懒惰的读者进行的一句话总结:有不少经验公式,然而很可惜,没啥用!

虽然人们都知道,人腿越长,曲柄也应该越长,但是具体的最优曲柄长计算公式都很模糊。Gross等人1976年的研究[11]和Martin等人在2001年的研究[3]都将车手腿长的20%作为最佳的曲柄长度。

在此之后,人们提出了诸多或简单[12]或复杂[13]的模型来估计曲柄长度,然而并没有达成共识。其中的主要原因在于,自行车fitting并不只是关于关节角度,而是需要更大程度考虑运动员生物方面的机能。而这些模型中都无法考虑到生物层面的因素。因此,最终,选择最佳曲柄长度的重任落在了fitter头上。

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▲ 山地车往往配备更长的曲柄


学术层面的分析到此结束,下面有请fitter上场!(小编注:不同fitter具有不同的经验和思路,相互参照对比服用效果更佳)

专家1:Stewart Morton

StewartMorton,具有超过10年fitting经验,仍然认为曲柄选择非常棘手。

“总而言之,需要先了解车手的目标、骑行方式(山地、公路、铁三等)以及他们的身体情况(柔韧性、关节角度、伤病),之后我可以推荐最佳的曲柄长度。人群中的大多数人一般可以使用167.5-175毫米的曲柄。自行车行业整车原配的曲柄长度一般都比较合适。”

一部分情况下运动员无需更换曲柄长度,在另一些情况下,有的运动员希望专门配置特殊长度的曲柄。“如果一个车手希望使用超长/超短的曲柄,我会着重考虑膝盖张角和坐垫位置来保证运动员免于伤病并且能够维持高效踩踏。”

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▲ 铁三赛场流行更短的曲柄

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运动员也会采用特殊的曲柄长度来取得更加激进的骑行姿势。“Ironman运动员流行短曲柄。某些情况下短至155毫米,以保证在踩踏过程中臀部处于健康的角度。这样他们可以坐姿更加靠前,同时降低车把,有助于结束骑行之后的跑步赛段取得好成绩。”

专家2:Ryan Moody

Ryan Moody,Baum定制自行车老板:“我尽量让那些肌肉强壮的车手选择合理范围内最长的曲柄,以最大程度使用他们的肌肉;而对于喜欢高踏频的心肺能力更强的车手,短一点的曲柄效果更佳。”

决定曲柄长度的因素并不简单,车把和坐垫以及锁片的位置都会影响腿的姿态。Moody的最终目标是建立一个清晰的踩踏动力模型。他发现,即使细微的姿势变化(1-2毫米)可能产生差别。幸运的是,由于他从事定制自行车,可以自由决定车架和各个部件的几何配置。“五通高度应该与曲柄长度匹配,特别是超长曲柄。把一个长曲柄(180毫米)装在低五通上会在压弯时造成问题。”

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▲ 定制自行车厂商的官方fitting

有趣的是,Moody也发现曲柄长度对车手在车上的身体平衡有影响。“典型的男性往往上肢更加强壮,长曲柄有助于他们维持与车把之间的平衡;与之相反,女性的上肢没有那么强壮,通常更短的曲柄效果更佳。”

Morton和Moody对于目前市场上的曲柄长度都足够满意。尽管如此,也许市场上对于更短曲柄(155-160毫米)会有更多需求。“自行车运动的文化正在发生改变,已经不只是强壮高个子男性的运动了,”Moody说。“很多女性需要更短的曲柄,对于一些身材矮小的亚洲人也是一样。但是在主流的自行车市场中还没有与之匹配的曲柄长度。这一类车手会从短曲柄中受益最多。” 

总结和思考

自行车运动中的生物力学十分复杂,因此单纯关注其中一点,例如曲柄长度,会过度简化这个问题。尽管如此,学界还是在过去几十年进行了越来越复杂的研究,帮助人们更好地了解曲柄长度与自行车运动的关系。综合各种研究结果,曲柄长度对速度、功率和效率没有影响。与这些相比,更重要的是曲柄的应用场景。例如,车手的训练情况、经验和身体能力才是决定曲柄选择的主要因素。

单纯从提高运动表现的层面,更换曲柄完全没有必要。与其在这上面花冤枉钱,还不如寻找一个正式的教练。而如果运动员收到伤病困扰,更换曲柄或许能够取得帮助。然而,运动员不应该盲目尝试这种修改,而是需要在经验丰富的fitter的指导下进行。


开元观点

曲柄长度选择的“玄”体现在多个方面:

首先,市售曲柄长度多见于165-175mm这个范围,却要满足使用者身高在~150 – 200cm这样大范围的需求,显然不成比例。在我看来,现有的曲柄规格更像是一种“历史遗留”的产物——以前都这么用,现在也接着用。 

其次,现有大部分关于曲柄长度的研究,多是针对短时全力运动,而鲜见次对最大强度长时间运动的影响;另外,关于自行车变速相当于长度可变的力臂这一观点,更多是基于机械力学的分析,但事实上,曲柄长度的改变会影响髋关节和膝关节的活动范围(ROM: Rang of motion),相当于改变了肌肉收缩的长度,这是否会人体骑行运动产生影响,目前还不得而知。

最后,自行车骑行动作并非人的自然运动模式,踩踏动作其实是需要训练才能精进的,而曲柄长度会影响到踩踏的技术动作(踩踏圆周的半径发生了变化),对某个长度的曲柄是否适应,也会影响到运动的效率。这么多不确定因素相互交织在一起,也难怪曲柄长度的选择成了玄学。

从Fitting的角度看,身高较矮的车友需要格外关注曲柄的长度——曲柄长度过长会使踩踏到达上死点时,膝关节屈曲角度过大,从而会使髌骨对膝关节产生过大的挤压力,从而增加运动损伤的风险。而身高较高的车手则几乎不存在这样的问题,可以尽量选择较长的曲柄。而在铁三车上,由于趴低的骑行姿势,需要考虑到曲柄长度对关节活动范围,尤其是髋关节活动范围的影响,这也是为何目前铁三车普遍流行短曲柄的原因。

尽管目前我们对曲柄长度是如何影响骑行运动的还知之甚少,但从实践的角度出发,市面上能买到的曲柄长度不外乎165,170,172.5,175mm 这四种,一般整车上原配的长度都在合理范围内。对于中等身材或者较矮的车手,如果在选择上存在疑惑,不妨选短不选长;而身高在185cm以上的车友则通常可以放心选择175mm长度。

参考文献: 

[1] PEDALING ANALYSIS IN BMX BY TELEMETRICCOLLECTION OF MECHANIC VARIABLES. Campillo et al., Brazilian Journal ofBiomotricity, 2007.

[2] The effect of bicycle crank-length variation upon power performance. Inbar et al.,Ergonomics, 1983

[3]Determinants of maximal cycling power: crank length, pedaling rate and pedalspeed. Martin et al., European Journal ofApplied Physiology, 2011.

[4]Study of bicycle modifications using a motor driven treadmill-bicycleergometer. P. O. Astrand, European Journal of Applied Physiology, 1953.

[5] TheEffects of Bicycle Crank Arm Length on Oxygen Consumption. Morris et al.,Canadian Journal of Applied Physiology, 1997.

[6]Determinants of metabolic cost during submaximal cycling. McDaniel et al.,Journal of Applied Physiology.

[7]  Acuteeffects of small changes in crank length on gross efficiency and pedallingtechnique during submaximal cycling. Ferrer-Roca et al., Journal of SportsSciences, 2017.

[8] Lower body problems and injury in cycling.Callaghan et al., Journalof Bodywork and Movement Therapies, 2005.

[9] AnEpidemiological Analysis of Overuse Injuries Among Recreational Cyclists.Wilber et al, International Journal of Sports Medicine, 1995.

[10]Overuse Injuries in Professional Road Cyclists. Clarsen et al., AmericanJournal of Sports Medicine, 2010.

[11] Bicycle Crank Length. Gross et al., Proceedingsof the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting, 1976.

[12] https://www.stevehoggbikefitting.com/bikefit/2011/06/crank-length-which-one/

[13] https://analyticcycling.com/PedalOpCrankLength_Page.html


文:王开元 编辑:HCY

转载自微信公众号Locomo耐力运动研究院《曲柄长度之谜的前世今生 | 学术派》

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