儿童青少年运动健身器材调节尺寸分析——健身车、跑步机

杨 斌

儿童青少年运动健身器材调节尺寸分析
——健身车、跑步机

杨 斌

本研究以儿童青少年身体形态特征及人体工程学理论为基础，通过对儿童青少年身体形态进行测量，分析儿童青少年运动健身器材结构大小调节尺寸参数标准，使健身器材在结构尺寸上达到兼顾不同年龄段儿童青少年适用。根据实验分析得出：儿童青少年健身器材与成年人相比，健身车主要体现在曲柄长短、座位和车把的前后与上下尺寸的大小上，跑步机主要体现在手扶高度高低上。儿童青少年健身车曲柄长度约在10.9cm～18.3cm之间，可调节长度约为7.4cm；座位到曲柄中心轴的直线距离约在44.1cm～82.2cm之间，可调节长度为38.1cm；座位与车把的距离约在24.5cm～65.3cm之间，座位与车把可调节距离应相等，约为20.4cm。跑步机的扶手距离跑步带的高度约在65.6cm～109.9cm之间，扶手可调节高度约为44.3cm。

青少年；健身器材；调节尺寸

由于儿童青少年在人体身体形态上与成年人有所不同，所以在对运动健身器材的结构、大小要求上也就有一定的区别。本文通过对健身车、跑步机等运动健身器材的结构尺寸特征进行分析，结合儿童青少年身体形态特点，探讨适合儿童青少年运动健身的器材的结构尺寸特征，为儿童青少年运动健身器材的开发提供参考。

人——健身器材系统

组成运动健身器材的功能是供人骑行，就发挥健身车和跑步机的功能而言，把人看作健身器材的组成部分也是完全合理的。因此，人在健身车和跑步机上运动时组成了人——健身器材系统，该系统中的人——健身器材界面关系可由下图表示：

人——健身器材界面关系图

1 儿童青少年身体形态测量值

运动健身器材的设计应符合人体尺寸，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。人体身体形态结构参数对于确定器材尺度、比例关系以及合理设计器械具有重要意义。本研究主要分析儿童青少年阶段运动健身器材的调节尺度范围，研究中所选取的形态指标主要是根据人——健身器材系统而确定。表1为我国7～18岁儿童青少年身体形态部分指标的最大值和最小值，在设计中可以依照这些参数来确定儿童青少年健身器械的基本尺寸及调节幅度范围。

表1 儿童青少年身体形态指标7岁最小值与18岁最大值测量值

2 基于儿童青少年身体形态的运动健身器材调节尺寸分析

2.1 健身车

儿童青少年健身车与成年人使用的健身车相比，一般体现在曲柄的长短上及座位与车把的高低和前后距离上。身材较小的儿童青少年使用的健身车在曲柄长短上、座位与车把的高低和前后距离上都略小于成年人。

2.1.1 曲柄长度范围 曲柄的长度一般按人的身高或下肢来考虑，以达到能使人省力和舒适。通常曲柄的长度基准取人体身高的1/10，相当于大腿骨长约1/2[1]。如果健身车的曲柄过长，就需要加长传动轮和阻力轮之间的距离。这样就必须加长车架，影响正确的骑车姿势，使人感到臀部痛。在通过对7～18岁儿童青少年身高进行了测量，从中可知，儿童青少年身高7岁时最小值大约为109.3cm，18岁时最大值约大为183.2cm。所以儿童青少年健身车曲柄长度设计的最小值应为10.9cm，最大值为18.3cm。因此曲柄的调节尺寸应约为7.4cm。

2.1.2 座位与车把上下、前后调节尺寸分析

（1）座位与车把上下调节尺寸分析

当健身车座位高度调节尺寸为0cm时，此时座位高度应至少要适合7岁下肢长较小的儿童使用，从表1中可知，7岁儿童下肢长最小值为55.0cm，所以座位到曲柄中心轴的直线距离约为55.0cm－10.9cm（最短曲柄长度）＝44.1cm。

当健身车座位高度调节最大时，此时座位高度应要适合18岁下肢较长的青少年使用，从表1中可以看出，18岁青少年下肢长最大值为100.5cm，所以座位到曲柄中心轴的直线距离应为100.5cm－18.3cm（最长曲柄长度）＝82.2cm

由于健身车座位高度的调节范围为：当健身车座位高度调节尺寸为0cm时与当座位高度调节尺寸最大时，两次健身车的座位到曲柄中心轴的直线距离之差。所以健身车的座位高度调节值应约为38.1cm。而车把的高度一般高于座位约5cm左右[1]，因此，可利用车座的高度为参考，设计车把的高度及调节尺寸。

（2）座位与车把前后调节尺寸分析

健身车骑乘肩关节的舒适角度约在35°～90°之间[2]，腰部角度范围一般习惯在40～80°之间。对于同一位训练者来说，当肩关节为35°时，腰部角度在80°时，手把与座位的距离最近；当肩关节为90°时，腰部角度为40°时，手把与座位的距离最远。

当座位向后调节和车把向前调节的距离都为0时，应至少要适合身材较小的7岁儿童使用。通过抽样测量，7岁身材较小的儿童上肢长约为42cm， 当骑行时肩关节为35°，腰部角度在80°时，此时，座位和车把的距离最近，座位与车把的距离为

当座位向后调节和车把向前调节的幅度最大时，应适合身材较大的18岁青少年使用。18岁身材较大的青少年上肢长约为83cm。当骑行时肩关节为90°，腰部角度在40°时，此时，座位和车把的距离最远。座位与车把的距离为

儿童青少年健身车座位与车把调节的最大距离之和大约可为65.3cm－24.5cm＝40.8cm。由于在骑乘的过程中肩关节舒适角度约在35°～90°，之间，腰部角度范围一般在40～80°之间。为保持舒适的骑乘姿势，可使座位向后调节与车把向前调节的最大距离相等，所以座位与车把调节最大距离都应约为20.4cm。

2.2 跑步机

由于儿童青少年与成年人相比身高在高低上的不同，所以儿童青少年使用的跑步机与成年人使用的跑步机主要体现在扶手的高底上，其它结构和成年人器材相同。

扶手的作用主要有两个：（1）在跑步时，用手扶在上面，防止身体不稳定晃动而出现意外；（2）不跑步时作双臂曲撑运动,锻炼上肢肌体。扶手的高度必须与运动者的身高相适应，扶手太高，作双臂曲撑运动时，感觉不安全；扶手太低，作双臂曲撑运动时必须缩着小腿。扶手的高度一般参照肘高进行设计[3]。在本次测量中，正常7岁儿童肘高最小值约为65.6cm，18岁青少年肘高最大值约为109.9cm。所以7～18岁儿童青少年使用的跑步机手扶高度（手扶距跑步带的高度）一般应约为65.6cm～109.9cm。因此儿童青少年跑步机调节幅度44.3cm。

3 讨论分析

3.1 影响运动健身器材性能的人体因素

本研究主要是针对目前所应用的运动健身器材根据不同人群的需求调节出适合儿童青少年的运动健身器材尺度。

3.1.1 人的体格因素 以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H 成比例，如手臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的力矩、步幅等，都取决于H的大小。

3.1.2 人的下肢肌力 健身车和跑步机的原动力主要是运动者的下肢肌力。如人骑健身车时，骨骼肌肉内部的化学能转换为肌肉收缩的机械能。健身车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成比例，约为（cm2）40—50N ，通过一定训练的人可提高到65N 。

3.1.3 人的输出功率 人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力 ，能持续 10s左右。儿童青少年的最大输出功率约为0.5马力能持续6s，如果持续时间长，其值要小得多，持续 0.5h ，大约只有1.0-0.5马力（0.07-0.15kw）。

3.1.4 人的脚踏速度 健身车和跑步机都是很有节奏的运动健身器材，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。人的心率与年龄成一定的关系，健康儿童青少年的心率往往比健康成年人的心脏跳动要快，为75 次／min 。儿童青少年在健身车上一般脚踏以 55r/min 节奏转动较为合适。所以在调节儿童青少年运动健身器材时以这一常用速度来确定相关设计参数。

3.1.5 人的平衡机能 不管是在健身车上还是跑步机上，人本身的平衡机能是影响运动健身器材的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕是运动性能很好的健身车也不能达到理想的健身目的；若练习者有很好的平衡机能，却可掩盖运动健身器材在设计上的某些缺陷。

3.2 运动健身器材设计结构要素分析

3.2.1 速 比 以健身车为例，大小链轮的齿数比与链轮直径比相一致，一般控制在2.0-3.6的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉负担约为最大肌力的10% ，儿童青少年健身车按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。

3.2.2 曲柄长度 传统的健身车设计，一般从自行车原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 1／10 ，也相当于大腿骨长的 1／2 。

3.2.3 鞍座位置 鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。

通过对不同年龄组的儿童青少年进行测试，设计或校正鞍座位置高低最常用的方法是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。反复测试得出：行驶较快的健身车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的健身车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行。

4 结论与建议

（1）儿童青少年健身器材与成年人相比，健身车主要体现在曲柄长短、座位和车把的前后与上下尺寸的大小上，跑步机主要体现在手扶高度高低上。儿童青少年健身车曲柄长度约在10.9cm～18.3cm之间，可调节长度约为7.4cm；座位到曲柄中心轴的直线距离约在44.1cm～82.2cm之间，可调节长度为38.1cm；座位与车把的距离约在24.5cm～65.3cm之间，座位与车把可调节距离应相等，约为20.4cm。跑步机的扶手距离跑步带的高度约在65.6cm～109.9cm之间，扶手可调节高度约为44.3cm。

（2）今后在设计适合不同儿童青少年的运动健身器材时，应对此类人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可测范围等人体结构特征参数；还应提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，并分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性。

[1] 刘慧喜，等.人机工程学在家用健身车设计中的应用[J].包装工程, 2011(10): .47～50.

[2] 胡祖武,江耀顺,吴志铭.自行车骑姿电脑动态模型之研究[J].大叶学报,1997.6(1): 119～125.

[3] 徐华文,李文峰.电动跑步机的人机工程设计[J].机械, 2004(31): 17～19.

Analysis of Size Justification to Sports and Fitness Equipments of Children and Adolescents

YANG Bin

On the basis of physical characteristics of children and adolescents and ergonomics theory, By measuring the body shape character for children and adolescents, and analyzing the exercise and fitness equipment structure size adjusting size parameters standard, The exercise and fitness equipment in structure size is applicable for children and adolescents of different ages. According to the experimental analysis, The following results are obtained: Compared with adults exercise and fitness equipment, The exercise bike is mainly reflected in crank length, Seat and the handlebar’s front and rear as well as the size of up and down. The treadmill is mainly reflected in the height of hand. The crank length of exercise bike for children and adolescents is between 10.9cm-18.3cm, And the adjustable length is about 7.4cm. The straight-line between seat and crank central axis is between 44.1cm-82.2cm, And the adjustable length is about 38.1cm. The distance between seat and handlebar is between 24.5cm-65.3cm, And the adjustable distance between them can be adjusted to be equal, That is about 20.4cm. The height between handrail and running belt of the treadmill is between 65.6cm-109.9cm, And the adjustable height for handrail is about 44.3cm.

Adolescents; Fitness eguipmentl; Adjusting the size

G812.45

A

1007―6891（2013）01―0111―03

2012-06-12

商洛学院体育教学部，陕西 商洛，726000。Department of Physical Education of Shangluo University，Shangluo Shaanxi, 726000, China.