次最大强度下改变坐角、坐高对骑行影响的运动学特征分析

罗　炯

摘 要：在次最大强度下改变骑行变量坐角与坐高，结果表明：恢复阶段的曲柄角速度及膝、踝关节轨迹特征的理论论证与实际结果具有很好的一致性；参与本次实验的自行车运动员坐角不应小于72°、坐高不低于106%TH的定位较为合理；初步确认了踏蹬技术的三种运动学诊断指标即提拉阶段的曲柄角速度、不同组合下踏蹬时上、下死点区域的大小，膝、踝关节中心轨迹的重叠程度、光滑程度、对称性与非对称性。实验发现运动员在踏蹬过程中大腿屈伸范围的基本恒定性，因而提出了提高自行车运动员髋关节伸展功率的力量训练方法—即力量训练应控制大腿屈伸范围在30°～85°间。

关键词：运动学特征；坐角；坐高；踏蹬技术；指标

中图分类号：G804.66

文献标识码：A

文章编号：1007-3612(2008)08-1076-06

A Kinematic Characteristics Analysis of Variation in Seat Tube Angle at Different Seat Heights on

Submaximal Cycling Performance

LUO Jiong

(College of Physical Education,Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract:A few results have been obtained through the variations in seat tube angle at different seat heights on submaximal cycling performance. The better agreement on the theoretic analysis of knee and ankle joint tracks and the angular velocity of crank in the recovery phase with practical results .Seat angle should be more than 72° and seat height be more than 106% TH are considered the better orientation for participating this experiment bicycle-athletes. Three Kinematic indexes using in diagnosis for pedalling techniques were decided. The first is the angular velocity of crank in the recovery phase.The second is copes of TDC in the different combinations. The third is lubricous degree, symmetry and unsymmetry of knee and ankle joint track. The experiment discovers that the invariablenes basically about bending and extending scope of thigh angle during the pedaling which tells us the strength training method of improving stretching power of coax joint related to bicycle athletes, namely bending and stretching angle of thigh must be controlled in 30°～85°while pursuing strength training.

Key words: kinematic characteristics；seat angle；seat height；pedalling techniques；index

最近几十年，生物力学和空气动力学方面的研究正日益影响着自行车运动的的发展，毫无疑问，骑行成绩的提高除了要注重训练、管理、营养外，选取最佳骑行姿势、改善骑行的动作效率绝对是获取优异成绩不可替代的前提。目前我国有关自行车技术理论方面的研究较少，训练中，缺乏科学的技术理论指导，教练员们仅靠经验去矫正运动员的技术，因而难以获得明显的效果；此外，由于我国基础研究不足,长期以来,自行车、特别是竞赛用自行车的设计基本上依靠国外的试验数据，出现运动员被动地适应国外设计的符合他们人体结构特性的运动器械的现象。本研究是在前人研究的基础上，从运动生物力学角度出发，利用目前先进的传感技术与计算机技术，研制出一件测量仪器（图1），通过控制受试者上体姿位、改变坐角、坐高所引起的脚蹬、车坐、手把上的力值变化、下肢踏蹬中运动学参数的变化及下肢主要肌群的肌肉放电变化进行分析，从而为适合于中国人人体结构特性的坐姿定位以及为所测的每个自行车运动员获得各自最优的车架结构尺寸提供理论依据和有效的原始数据。为真正实现“自行车适合于人的理念” 迈出了重要的一步，从而更好地为体育运动及全民健身服务。（限于篇幅，本文只对运动学特征进行报道）

1 研究对象与方法

1.1 研究对象 5位来自北京市自行车运动队的优秀运动员身高（179.6±2.19)cm；体重(65.7±9.09)kg；耻骨联合高度（称为TH高）(81±2.3)cm；有效小腿长(46.8±1.3）cm被招收参与本次实验。实验前经过体格检查，均没有神经肌肉、心肺功能障碍及外科方面的疾病。实验前向受试者详细解释实验目的及相关程序，并需进行几项人体测量学参数及个人最大功率的测试。

1.2 研究方法

1.2.1 研究范围及时相阶段划分 踏蹬动作是自行车技术中最重要、最复杂的技术环节。在一个踏蹬周期中，当一条腿往前下方蹬时（驱动），另一条腿则在往后上方恢复（提拉），反之，亦然。就一条腿而言，在一个踏蹬周期中，均经历了前蹬和提拉两个过程。为了研究问题方便，本文将测试对象右腿踏蹬动作进行分析。

1.2.2 实验设计 选取三种坐角（65°、72°、77°）、三种坐高（96%TH、101%TH、106%TH）,共九种位置组合进行踏蹬实验。实验进行的顺序见图2，选择是随机的，但每个对象的起点都是从组合5(坐角72°、坐高101%TH)的位置开始，九种组合测试完毕后又回到出发点进行重复测试。打乱实验顺序的目的是为了排除因时间、实验顺序引起的随机误差；回到出发点，并对该组合位进行重复测试，其目的是检验运动员是否存在因疲劳、心肺功能漂移、脱水或无氧代谢引起测量参数的失真，以检验九种组合位置上的数据是否都是在对象没有产生疲劳的情况下取得的。

用节拍器和测试车内置的频率控制器共同控制踏蹬频率。每种组合下，当踏蹬频率达到实验规定值110 rpm（附：这是优秀自行车选手的经典踏蹬频率）时，要求受试者保持稳定骑行状态至少1 min，这期间进行运动学、动力学及肌电的同步测试（测试车上有同步发光点），采样时间不少于10 s。整个实验过程是非连续的，其中曲柄长为标准值170 mm，所有的实验对象穿统一品牌的运动鞋，躯干姿态角控制为45°左右。每次正式实验开始前，要求对象先做5 min热身式的踏蹬练习，踏蹬频率一般为50 rpm（转/min）,功率输出100 w左右，然后慢慢调整载荷直达实验要求值（即受试者最大功率输出均值的80%，本实验测得该值为250 w）。

为了检验运动员比赛用车的尺寸是否满足个体与赛车系统之间的最佳结合，我们对实验对象还补做“赛车位实验”。所谓“赛车位实验”是指先测量好运动员赛车尺寸，然后在测试车上调出与“赛车尺寸”相近的实验位，再重做上述实验，其目的是对运动员比赛所采用的赛车定位是否合理进行检验。

1.2.3 运动学研究方法 利用日本产JVC数字摄像一体机GR-DV3000ED安放在测试车的正侧面，其主光轴与受试者矢状面垂直，摄像机镜头正对测试对象右边髋关节中心稍偏下的部位，拍摄距离8 m，机高1.2 m。每次采集时摄像机至少比测力及肌电仪先开机10 s以上，由本实验自行开发的视讯解析系统对所选动作画面进行解析，画面采集频率为50场/s，所得数据进行滤波平滑，截断频率为10。

1.2.4 统计方法 以脚蹬两次连续通过上死点定义为一个完整的曲柄圆。每种组合下选取两个连续的曲柄圆所对应的参数值进行叠加以求得每个对象的相关参数，再将同类受试者在同一组合位下参数值进行叠加，并把各参数值与曲柄角对应起来，求得均值关于曲柄角的函数曲线，以及每种组合下的有关参数的最值及标准差、均值及标准差。单因素、双因素方差分析被用于该实验的数据处理上，所有统计检验的显著水平设置为a=0.05。

2 结果与分析

2.1 对组合5下重复测试的检验 表1数据表明：组合5下重复测试所得的运动学参数值经检验均无统计学意义（P>0.05）。因此，这基本排除了运动员因时间因素、实验顺序及疲劳因素带来的干挠，故下面的有关运动学特征分析时所用数据具有一定的有效性和可靠性。

2.2 坐角、坐高对曲柄转动的影响分析 我们先从纯理论角度来探讨做等速转动的曲柄，其回转角速度的变化特征。我们把膝关节中心至第一拇趾关节的连线长称为有效小腿长。于是下肢环节与自行车系统可简化为由大腿、有效小腿长（又称小腿足）、曲柄和坐管长构成的（这里的坐管长指髋关节中心至曲柄中轴轴心的距离）四环节链模型^［1］（机械原理中称为四杆机构见图3）。

基于四环节模型基础上，设运动员处于稳定的骑行状态，此时曲柄AB作等速转动，大腿CD作往复变速摆动。曲柄在回转一周的过程中与有效小腿长BC有两次共线，这时大腿CD分别位于最限位置C1D和C2D。由图2-6中可以看出，曲柄相应的两个转角Ф₁和Ф₂分别Ф₁=180°+θ和Ф₂=180°-θ，式中θ是大腿处于两最限位置时，相应的曲柄位置线所夹的锐角，称之为最位夹角。

由于Ф₁＞Ф₂，因此当曲柄以等角速度ω转过这两个角度时，对应时间t₁＞t₂,故V₁=C₁C₂弧长/t₁,V₂=C₂C₁弧长/t₂,显然V₁＜V₂。由此可知，当曲柄等速转动时，大腿上下摆动的平均速度是不同的，前蹬过程大腿速度小于恢复过程，这一特征我们不妨称为大腿的急回特征。

因此如果恢复阶段的大腿速度小于前蹬过程大腿速度，这样在恢复阶段脚掌会对曲柄施加一定量的向下作用力，从而导致过多的负曲柄力矩，降低了骑行效率。

从表2可以看出改变坐角、坐高对前蹬平均角速度没什么影响，但却显著影响到恢复阶段的平均角速度,通过对坐角、坐高间的影响进行多重比较分析发现，坐角对恢复阶段平均角速度的影响作用是有一定范围，也就是当坐角大于72°时将不再具有显著意义。同样地，当坐高达到101%TH时，再增加坐高其影响作用不再显著。从总体上看坐高低于101%TH，恢复阶段的平均角速度小于前蹬；而坐角小于72°，坐高必须达到106%TH时，才能确保恢复阶段平均角速度大于前蹬。这意味着对自行车运动员而言，坐高太低（小于101%TH）以及坐角太小（小于72°）均妨碍下肢环节链杠杆系统的绕圆运动，即导致恢复阶段的平均角速度小于前蹬，这样不利于运动员提高骑行效率。

自行车踏蹬技术中，“踏蹬死点”一直是运动员、教练员及科研究人员最关心的问题。众所周知，在一个踏蹬圆中，死点的位置是运动员发力倍感困难的地方。当初人们对死点的认识比较粗糙，以为死点处脚蹬不受力（即脚蹬受力等于0）。随着现代高速摄像、计算机技术以及传感技术的发展，目前对“死点”的认识大致有了统一的说法，即“死点”处脚蹬不是不受力，而是作用于脚蹬上的有效力等于0。就运动学方面的有关知识对“死点”的理解是：死点不是一个点，而是一个区域，确切地说是一个曲柄角速度突减区域，这样的区域一般都出现在曲柄圆的最高点与最低点附近。

本实验过程中，对自行车运动员测试时控制踏蹬频率是110 rpm。通过摄影解析所获得的自行车运动员的实际踏蹬频率均值约为108.45 rpm,折算为平均角速度分别为650.7°/s,故本文规定当自行车运动员曲柄角速度≦610°/s对应的曲柄角范围记为死点区。

从表3可以看到坐角、坐高以及交互作用都显著影响到自行车运动员上、下死点区域的大小。就整体而论，九种组合情况下，普遍存在上死点区域比下死点区域宽。通过多重比较发现：坐角65°与72°及65°与77°间、坐高96%TH与101%TH及96%TH与107%TH间对上死点区域有显著改变。对下死点，三坐高两两间及三坐角两两间均对下死点区域的改变有显著意义，即随着坐角、坐高的增加，下死点区域呈递减趋势，这显然对骑行有益。

综合表2、3中数据，我们确证了理论分析与实验结果间的一致性，即恢复阶段的曲柄角速度应适当高于前蹬。对本实验的自行车运动员而言，在固定的功率输出下，坐角必大于72°时才能对恢复阶段角速度产生积极的影响，如果低于72°，那么坐高必须达到106%TH以上才有利于恢复角速度的提高。因此，在运动训练中不能只注重提高坐高来增加恢复阶段角速度。对那些山地自行车运动员，由于他们的自行车坐角较浅（有些在68°左右），因而适当提高坐高是必要的。另一方面，当坐角大于72°、坐高达到101%TH后，再改变坐角、坐高对缩小上死点区域无益，然而却始终对缩小下死点区域有益，据骑行有关规律，上、下死点区域的减小，显然有利于提高骑行效率，因为处于上、下死点区域内的大腿对脚蹬几乎不做正功，多数情况下是“惰性力”^［2］，但应注意的是增加坐角、坐高是有条件的（因受比赛规则以及运动员身体结构的限制）。

2.3 下肢各关节角度变化特征分析 据有关文献报道^［3，4］，曲柄转动角速度变化只能反映踏蹬周期中踏蹬动作的外部特征，而下肢环节链杠杆系统的机械条件，下肢肌肉正确的发力顺序等是决定踏蹬技术好坏的内部因素，它是引起曲柄转动角速度变化的动因。踏蹬动作主要是由腿部肌肉的收缩实现的，而下肢三个关节角度的变化情况也许能反映出驱动腿相关肌群的工作性质及发力特点。

综观表4、5、6中可以清楚地看到坐角对受试者髋、膝、踝角最值位置移动无影响，而坐高显著影响到髋、膝、踝角位置的移动。当坐高从96%TH-101%TH-106%TH递增过程中，最大髋角出现时刻均值大约是-5.86°-1.93°-1.58°（P<0.05），具有明显的前移趋势；最大膝角出现时刻均值依次约从151.38°-153.65°-163.76°），具有明显的后移趋势，其中在前一个5%TH的增量中所引起的膝角移动无意义（P>0.05），也就是说只有当坐高达到一定的高度后，再增加坐高才能引起最大膝角位置显著后移；最大踝角出现时刻均值约从174.66°-176.39°-184.56°，同样第一个坐高增量所引起踝角最值位置移动无统计学意义（P>0.05）。坐高也同样影响到髋、膝、踝角最小值的位置移动，在同样坐高增量下，最小髋角出现时刻分别约从173.26°-184.33°-194.36°，说明大腿后伸作用延长，且坐高每增5%TH，位置后伸大约10°（P<0.05）；最小膝角出现时刻约从6.83°-2.87°-0.65°（P<0.05）；最小踝角出现时刻依次约从-1.27°-0.15°-1.8°（P>0.05）。

说明：表中出现的负角，是以曲柄圆上死点0°为标志点，曲柄处于该位置前记为负，后记为正，以下各表含义相同。

据骑行生物力学文献^［5，6］，假如大腿过了最高点（0°）后其屈曲还未达到最大值，那么它将继续屈，此时对于进入前蹬阶段的大腿应立即转为下压才对骑行有利；反之，如果在最高点（0°）前较远的位置大腿屈曲达到了最大值，此时的脚蹬还未跨过曲柄圆的最高点，那么只能依靠屈膝或踝背屈所产生的运动幅度越过最高点，这时对于失去屈髋作用的小腿足而言，要快速跨越“上死点区”是不利的。从改变坐角、坐高对受试者髋、膝、踝角最值（包括最大值与最小值）出现的时刻看，坐高的影响是主要的。坐高增加引起髋角最大值出现位置明显前移，当坐高达106%TH，最大髋角出现时刻（对应曲柄角1.58°）恰好是脚蹬跨过了曲柄圆最高点少许的位置；另一方面，坐高增加引起髋角最小值位置下移，同样的坐高增量下，下移从173.26°—184.33°—194.36°，这种下移趋向明显延长了大腿的后伸作用，因而延长大腿对脚蹬驱动作用。有意思的是坐高同样引起受试者膝角最小值位置的移动，当坐高从96%TH—101%TH—106%TH递增过程中，最小膝角出现时刻向曲柄圆最高点靠拢，且当坐高等于106%TH时，大腿与小腿几乎同时在过了曲柄圆最高点少许的地方完成最大屈曲（对应曲柄角约为0.65°）。同样我们讨论坐高对膝角最大值位置的移动，结果表明只有当坐高超过101%TH时所引起的位置下移才具有显著差异，这也就启示我们，对自行车运动员只有当坐高达到一定的高度后，再增加坐高才能引起最大膝角位置的显著下移。由此可见，只有当坐高达到106%TH后可能对自行车运动员更有益。

2.4 膝、踝关节中心轨迹的特征分析 自行车骑行技术动作过程是一个复杂的复合运动,运动员在骑行中躯体位置相对固定不变。上肢手臂的拉撑静力动作也仅为对车子的内力有影响,但是，下肢多环节的运动过程却涉及诸多变化的动力学因素，各关节运动为多轴心的连续运动。其中髋关节中心点相对躯干位置几乎没有变化，脚掌绕中轴作转动动作，膝、踝关节运动点是以一定轨迹规律运动的动点。在骑行中膝关节和踝关节运动点在其运动轨迹上的速度和加速度等运动特征量的矢量性、瞬时性和相对性又导致它们的运动轨迹较为复杂。运动员在骑行过程中，下肢是唯一产生动力的系统。其用力过程是否合理有效，可以通过下肢关节运动轨迹来反映。

现将直角坐标系XOY与自行车固连。设髋关节中心点坐标M（a,b），髋关节中心点与膝关节中心点N的连线为r1,如图4-a,则从理论上可推得膝关节中心点的轨迹方程:

(x₁-α)²+(y₁-b)²=r²₁ （1）

假若髋关节中心点坐标不变，因而大腿绕髋关节中心转动（上下摆动）只在一定范围内，故膝关节中心轨迹应是两段重合的圆弧。然而，运动员在实际踏蹬过程中，当大腿、小腿及足的向前下方积最下压时（前蹬），脚蹬的骨杠杆连动作用致使髋关节中心少许前移；而在180°～360°的恢复过程中，足、小腿及大腿向后积最恢复脚蹬时骨杠杆连动作用又使髋关节略有后移，而整个踏蹬过程中大腿长度这一转动半径是不变的。因此从理论上可以推出实际骑行过程中，膝关节的轨迹是两段不完全重合的圆弧（图4—b)。即曲柄从上死点（0°）至下死点（180°）时，膝关节轨迹对应EFG弧；由180°到360°时，膝关节轨迹对应GHE弧。两弧并不完全重合。

图4 膝、踝关节轨迹理论推论图5 自行车运动祁跃在九种不同组合下膝关节中心轨迹曲线同样若踏板中轴轴心坐标P（c,d）,中轴中心至踝关节中心的连线为r₂,那么踝关节中心轨迹方程为：

(x₂-c)²+(y₂-d)²=r₂²（2）

显然，如果踝关节角保持不变，踝关节中心轨迹是一个圆。事实上，当曲柄从上死点至90°水平位，踝关节中心至中轴轴心的距离逐渐减小，从90°水平位至180°时，这个距离逐渐增大。且由于接近180°时足主动做恢复动作，踝关节略上移地改变了原来的运动方向，PA小于PC（图4-b），由此可以看出踝关节的动点真正轨迹应是水平半径小于纵轴半径，且纵轴的上半径略大于下半径，即类似于一个椭圆。

图5是自行车运动员祁跃在九种组合位下踏蹬时膝、踝两关节中心轨迹曲线，可从如下三方面进行分析。1) 每种组合下两段弧线的重合程度，重合度愈高，说明髋关节中心前后、上下移动较小。2) 看每段弧的光滑程度，弧段愈光滑，说明膝关节颤动较小。3) 不同对象在同一组合下的曲线对比。分析图5不难看出：坐角对受试者髋、膝关节的稳定性及位置有很大的影响，在三种坐高条件下，77°坐角最稳定，72°次之，65°坐角稳定性最差；坐高影响到髋关节中心的位置移动，特别在96%TH坐高条件下，髋、膝关节中心波动最大，因而弧段最不光滑，106%TH坐高最好，因为两弧段较光滑且较靠近。

图6 自行车运动祁跃在九种组合下踝关节中心轨道图6运动员祁跃在九种组合位踏蹬时踝关节中心轨迹，作为例子，同样可从如下几个方面对曲线进行诊断分析：1) 每种组合下所得类似椭圆的长轴、短轴的变化特点，曲线的光滑程度，左、右及上、下两部分的非对称程度，以此主要推断踝关节中心变化的稳定性及驱动过程中屈踝作用是否强烈。2) 椭圆的移位现象，一般体现在略微上移，这是优秀运动员主动恢复的标志。3) 不同类别间受试者及同类别不同个体间在同一组合下曲线对比可间接反映各自踏蹬技术特点及优劣。

在77°坐角下，受试者有相对较好椭圆曲线，坐高小于101%TH，受试者曲线的波动程度明显增加。从总体观察，随坐高增加，椭圆变得更扁、更光滑，说明下肢环节链系统绕圆运动越舒展，且具有明显的主动恢复观象。

2.5 “赛车位”与“实验最佳位”对比分析 至此，我们已清楚地感到对所检测的五位自行车运动员而言，坐角77°与106%TH坐高（组合3）似乎对他们都有益,现暂且把这个组合位称为“实验最佳位”。现将五位运动员各自“赛车位”与“实验最佳位”做对比测试。结果如下：

（说明：这里的“位置”指最大髋角、膝角、踝角出现时刻所对应的曲柄角）

由表7可以看出：付、朱两运动员在“赛车位”的上、下死点区域比“实验最佳位”宽，周、祁的表现恰相反，张在这两个位置上的表现没明显差异。五运动员在髋角最值上表现出一致性—即“实验最佳位”比“赛车位”大,髋角变化范围朱慧阔、付仁杰较大，其余三位相差不大。而且我们发现无论是“实验最佳位”还是“赛车位”，对参与本实验自行车运动员而言，其髋角始终处于30°～85°之间。

从表8可以看出：付、周、祁、张四运动员膝角最值在“实验最佳位”与“赛车位”没有明显差异（差异在1°～2°），而朱慧阔则明显不同，其“赛车位”的膝角最大值明显大于“实验最佳位”，而“赛车位”的最小膝角值则明显小于“实验最佳位”，故其膝角变化范围比其余四运动员要大得多。五运动员在“赛车位”的最大踝角值都大于“实验最佳位”，而最小值在两个位置处无太大差异，因此“赛车位”的踝角变化范围明显大于“实验最佳位”。

从表9可以看出：周、祁在“赛车位”的最大髋角位及最小膝角位比“组合位”好，因为在“赛车位”时，两运动员的髋、膝正好在脚蹬越过曲柄最高点少处的地方达到最值；付、朱两位则相反，而张详表现不明显。另外，周、祁两运动员“赛车位”的最小髋角位及最大膝角位也好于“实验最佳位”，因为周、祁两人在“赛车位”时，髋、膝两关节有更多的下移量，付、张、朱三运动员表现不明显。五运动员在“赛车位”与“实验最佳位”的最大与最小踝角位置没有明显的差异。

基于五运动员在两个位置上的运动学参数分析，可以得到如下诊断报告：付仁杰、朱慧阔“实验最佳位”好于“赛车位”，周文意、祁跃的“赛车位”好于“实验最佳位”，张详在这两个位置上没有明显的差异。