有效率的兢爭優勢 ── 跑步 與自行車的相似力學

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在鐵人三項的世界裡,越來越多人嘗試以運動技巧與特殊裝備作為試賽的規劃,而許多單車與跑步技巧,不只是相似且共存,裏頭也蘊藏著許多人沒有發現的運動力學技術。那些運動力學的知識與特殊裝備,一再翻轉了鐵人三項的歷史,也將運動競賽理念由『拚命到底』轉換成『有效率的競爭』。

卡鞋卡踏進化論與跑步上拉動作

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早在1896年就有原型的狗嘴套,來源概念是騎乘馬匹用的馬鐙,原來的設計是應用於BMX或是山地越野車。這款直接將單車踩踏效率大幅改善的新裝備,早在上個世紀初就扭轉了單車客的觀念:原來單車不是只有踏,還有收、上拉、或是俗稱的抽腿。於是乎,在已有百年歷史的環法賽事,很早期狗嘴套就成為選手們的愛用品。

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而當運動力學的觀念與裝備做連結時,運動力學家仍然找著狗嘴套的缺點『串接不穩定,還是會有腳掉出來的危險』。於是卡鞋與卡踏就在缺點中進化蛻變而生,不只能應付標準鐵人三項賽、亦能用於多日環法自行車賽與超級鐵人錦標賽中。

卡鞋卡踏的進化,不只增加了單車騎乘的效率,也消除部分上下死點的停頓與時間浪費。同樣的概念與力學技巧,在喬福瑞的『鐵人三項運動訓練聖經』有相關紀錄;而這項技巧與運動技術,也同樣能應用於跑步技巧上。包含由羅曼諾夫發展的姿勢跑法及丹尼爾‧爵爾的氣功跑法,都強調跑步動作的上拉動作。透過技巧的鍛鍊,能有效地減少跑步的踩踏落點、以及停留在地面上的時間,縮短上拉的腿部動作時間進而提升跑步的效率。

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自行車:避開上下死點的時間浪費,建議使用卡鞋卡踏並提升拉、勾腿的動作

跑步:靈活使用跑步的技巧,鍛鍊大小腿上拉的技巧

 

三鐵、休息把與跑者經濟姿勢

自行車力學研究內提到,空氣阻力中人體阻力所佔的比率最多,大概是整體空氣阻力的70%。而當車手把身體採俯握姿勢後,空氣阻力將會大幅下降,這也是休息把的科學沿革。

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1993年Graeme Obree歐伯利打破了由弗朗西斯科•莫斯(Francesco Moser)保持了九年之久的世界場地自行車一小時耐力賽記錄,成績為51.596公里。他所研發的蜷曲姿勢和超人姿勢,不再是追求體能上的突破,而是以更科學的角度去規劃『如何降低風阻』。這項最後修正為『三鐵把、休息把』技巧後來在鐵人三項賽事中發光發熱。而當年有人踩著降低風阻的計時車上環法計時賽時,許多人還打趣討論著這種上半身前傾、把雙手前伸的姿勢要怎麼騎車。當計時車遠遠海放了彎把式自行車之後,降低風阻的科學才開始成為自行車手注目的焦點。

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如果把彎把自行車的一般騎乘姿勢計算為100%,那麼就可以估算出各種不同姿勢的空氣阻力值。立騎姿勢是能量輸出最快、卻也是空氣阻力最高(138%)。下把位握住把手前方握法為80%。下坡身體後傾姿勢為75%、休息把手同樣為75%。

同樣的,藉由跑者身體的動作,也可以觀察出『對抗風阻』的科學分析。一百公尺的競賽中,選手們踩在助跑器上,無非就是為了將跑步推蹬的垂直力量,轉換成水平移動力量。而馬拉松賽事中,選手們除了盡可能降低負載重量外,面對逆風時也會特別地從額首部矮下身子以對抗風阻。

自行車:使用三鐵把或休息把降低風阻

跑步:有效旋轉髖部,減少身體與風阻直接碰撞的平面

 

活飛輪、齒比與步頻

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在1790年代就有自行車雛形的出現,但當時仍狀似步行輔助車,而非踏板式自行車。而在1861年法國才正式發明了『踏板式自行車』,讓人不用時刻把腳踩在地上。但當然仍是固定齒輪,沒有任何變速的徵兆。撇過了後頭許多大小輪的進化、鍊條式驅動的改良(早年代自行車的踏板是跟輪胎一起驅力踩動),1903年才陸續出現了活飛輪、變速花鼓,讓自行車成為高效率的人力移動機器。

(這代表,1903年以前的自行車賽都是固定飛輪,包含第一屆環法自行車賽)

在西元1929年之後,科學家及自行車手開始著手研究起『迴轉數』這最經典的問題。但這樣的答案眾說紛紜,沒有一個確實的定論。

『若無法確認哪一個數值的迴轉數最正確,那就研究最低耗氧量的迴轉數吧』在八零年代裡,科學家們得出的數據大概是 33RPM到 80RPM之間,這是被認定最低耗氧的數值之一,但這樣的數據是求自於一般人的生理狀態。不久後,由另一批人從運動力學、生理學及曲柄研究得到更符合自行車手的數字:90RPM到 110RPM。

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這樣的數值解釋了同樣的速度下,最高與最低轉數可能造成的問題點:高轉數將無法控制平衡,坐不住椅墊,過度的踩踏反而導致能量的輸出浪費;低轉數則必須搭配齒輪比,對肌肉負擔較高,能量會大量輸出。

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同樣的,跑步也有最佳建議步頻的數值,就像是自行車的迴轉數。在1984年洛杉磯奧運中,由運動生理學家傑克丹尼爾提出一份報告,幾乎95%的長跑菁英選手都以一分鐘180步以上的步頻進行競賽,另外的5%也是接近此數值。而相同方式的研究,也大概計算出一般休閒跑者為140至165步左右,儘管如此,但透過長時間的訓練是可以提升改變。

後來在運動力學及生理學家的研究下,180步步頻的數據不只是耗氧最經濟、也同時是最能在速度推進與肌力消耗下共存並進的數據。除非是更短距離、如一百公尺或兩百公尺、或可能的四百公尺使用ATP磷酸系統或無氧乳酸系統。

自行車:建立90RPM到 110RPM,慣性的迴轉習慣,並搭配合適的齒輪比

跑步:提高步頻習慣,並在180步步頻下找到安全的步幅距離

運動力學及技巧科學的研究,至今只有短短百年的歷史,而曖昧不明的歷史中,許多人透過分析、實驗及歸納找到了突破性的思維與裝備。未來的時代裡,我們不難想見會有更多自行車與跑步並存且相似的運動力學原理,與時間競賽的極限也將一一被突破。

文/鄭匡寓