功率變化評估踩踏效率 平均功率及瞬間功率有何不同

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作者:盧海瑩、相子元

一般自行車功率計可以提供騎乘者訓練參數,像是心率、速度、踩踏頻率、騎乘功率等,其中,騎乘功率(power)被認為是自行車運動中最具有代表性的輸出指標,它可以反應騎乘時的踩踏力量(扭力)及轉速(角速度),藉由增加踩踏力量或加快轉速皆可提升踩踏功率。踩踏功率低代表輸出能量低、踩踏功率高即代表輸出能量高;不論坡度、移動速度與風阻如何,踩踏功率只因踩踏力量與轉速而變化。然而目前市售功率計中顯示的騎乘功率是一段時間的平均功率還是下踩時瞬間最大功率呢?

目前市售功率計有 SRM、Stages、PowerTap、Garmin、PowerPod、Arofly 等廠牌,其中大多數的功率計是藉由應變規(Strain Gauge)測量踩踏力量,轉速獲得的是踩踏一圈的平均踏頻。因此騎乘功率獲得的也是踩踏一圈的平均值,且資料輸出的頻率是每秒一筆,若轉速大於 60 rpm,也就是一秒踩踏超過一圈,獲得的騎乘功率就會是踩踏超過一圈的平均值,也就是說目前的市售功率計無法用來觀察一圈中的瞬間功率變化。

一圈踩踏中功率變化很大

從過去研究可知,一圈中的踩踏力量或扭力並不會維持相同大小,可以推測踩踏功率也不會一致。舉例來說,當踏板以順時針做踩踏時,踩踏力量從上死點(top dead center, TDC)至下死點(bottom dead center, BDC)會逐漸增加,而從下死點至上死點會逐漸減少(如圖 1)。另從力學的角度來看,踩踏力量需轉換成與曲柄垂直的力量(切線力)才能構成有效力矩(如圖 2),當踏板轉至上死點及下死點的位置時,產生的力矩為最小,而下踩期的力矩又相較於回復期來的大。

圖1 踩踏力量在一圈中的變化 圖片來源:Exercise and Sport Sciences Reviews, 19(1), 127-170
圖1 踩踏力量在一圈中的變化 圖片來源:Exercise and Sport Sciences Reviews, 19(1), 127-170
圖2 踩踏力量又可以分為切線力及法線力 圖片來源:體育學報,51(2),145-154。
圖2 踩踏力量又可以分為切線力及法線力 圖片來源:體育學報,51(2),145-154。

隨著感測科技的進步,可以藉由足底壓力感測系統實際量測足底力量;另外慣性感測器(IMU)可用來量測三軸方向的加速度、角速度及地磁方向與強度,若將 IMU 放置於腳踏車曲柄,可透過曲柄轉動時其角速度變化得知踩踏過程中的轉速。圖 3 呈現的是 12 位健康成年人以齒輪比 53/11 及踏頻 90 rpm 穩定踩踏的結果,將足底力量(100 Hz)及 IMU(100 Hz)收取出的資料相乘計算後,再將一圈踩踏分成八個時期即可看出一圈的功率變化。顯示出平均功率(Mean Power, MP)及峰值功率(Peak Power, PP)發生的時間,代表一圈當中功率確實不一致,且 MP 與 PP 差距甚大,最大的峰值功率 PP 大約是一圈平均功率 MP 的 2 倍。

圖3 自行車一圈踩踏平分成八個時期的功率變化
圖3 自行車一圈踩踏平分成八個時期的功率變化

MP:一圈平均功率(Mean Power)157 W

PP:峰值功率(Peak Power)304 W 發生在下踩的第三期(藍色)

功率變化可以評估踩踏效率

在踩踏的過程中,輸出的能量不是完全對騎乘有幫助,可能會受踏板及曲柄的角度影響,造成能量流失。因此如何以最小的能量消耗獲得最大的效益,一直是研究者與騎乘者所關心的問題。過去功率計使用目的是要維持功率輸出,但從《職業隊的自行車手是怎麼騎車的?》可知即使 MP 相同,也會因踩踏技術不同而影響踩踏效率,因此,我們無法使用功率計來判斷不同車手的踩踏技術。而踩踏技術除了可以透過正衝量與負衝量的變化獲得,我們也可以透過踩踏力量峰值發生的時間或各時期功率的比例做判斷。當踏板在曲柄 90 度時是最佳的踩踏角度,原因在於此時造成的能量流失最少,因此若將踩踏力量集中在曲柄 90 度輸出,是最有效率的踩踏方式,相反的越遠離曲柄 90 度輸出效率會降低。有了分期功率可以更了解自己的踩踏狀況,也可與其他人比較踩踏技術的差異。

過去在收取踩踏力量分析踩踏效率與技術時只能在室內進行,此方法費時費力,一般車手也不易取得儀器,然而有效踩踏力量與踩踏功率息息相關,我們也可以透過功率變化來分析踩踏效率。目前功率計以平均功率輸出已廣泛作為訓練工具,提供運動強度量化、判斷體能高低及檢視疲勞程度,若能再獲得一圈中瞬間功率資訊,可提供踩踏技巧及效率的判斷,是未來功率計可以發展的趨勢。

參考文獻:

Gregor, R. J., Broker, J. P., & Ryan, M. M. (1991). The Biomechanics of Cycling. Exercise and Sport Sciences Reviews, 19(1), 127-170.

Leirdal, S., & Ettema, G. (2011). Pedaling technique and energy cost in cycling. Medicine and Science in Sports and Exercise, 43(4), 701-705.

李尹鑫、陳家祥、嚴笠哲、相子元 (2018)。自行車踩踏功率的應用與發展。體育學報,51(2),145-154。

內容來源:運動科學網

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