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騎行吧

自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識

  自行車看起來似乎是一臺簡單的機器,但是影響其性能的因素卻非常多,加上車手在決定哪輛車更好,哪輛更適合自己的時候,又會有非常多的個人因素混雜在其中,就讓自行車的真實面貌變得更不清晰了。


  分開來說的話,我們已經對自行車上的各種要素進行過詳細的了解。例如,如何更好從車架幾何角度上了解自行車的操控性,從而定義出它是否適合自己和自己的騎行風格。自行車設計背后的科學在過去的20年中大跨步發展,為車手提供了很多關于自行車如何運行的數據,很多制造商都為自己的產品制作了手冊/說明,以便可以讓車手在使用時可以更好的了解其產品的內在。


  雖然這看起來很復雜,但是我們如果換一個角度來看待這個問題,“似乎”又很簡單。因為一切的一切都是圍繞騎行感受來打造。但是這又是一個神秘的字眼,什么是騎行感受,我們究竟要從性能上考量,還是從舒適性上入手呢?我們對騎行感受的本質了解多少呢?


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  在過去很長時間,在決定自行車的騎乘質量時,很多人都會強調車架材質,包括我在內,但是當“研究”不斷深入時你會發現,情況并沒有那么簡單。


  騎行感受如何定義


  對于騎行感受它既可以是一個模糊的概念,也可以是一連串精準但是生澀的描述。一名著名的車架制造商這樣描述:


  “我在騎行時經常考慮這樣的問題。這就像你給了兩位音樂家同一段旋律,其中一個人會覺得很完美,而另一個則會覺得這段旋律讓人渾身難受。所以,這是無法定義的,對于自行車來說,也是同樣的道理。”


  而另一位擔任多家頂級品牌的自行車工程師的描述則會更加的務實:


  “對我來說,騎行感受會在自行車的很多特性上有所展示。包括了操控,剛性,重量,空氣動力學性能等等,都會納入我對騎行感受的考慮中,它們會影響騎行感受,所以都屬于騎行感受的一部分,但是對于我來說,有些關鍵性的指標是我主要考慮的,比如對于震動和顛簸的隔離。”


  第二種觀點將會貫穿今天的整篇文章,雖然這種情況會忽略掉很多其他部分,但是通過把一種復雜的情況簡單化,會更加的有利于我們看到影響它的真實因素。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  通過研究在真實騎行環境下自行車的震動,可以更加深入的了解騎行感受的特點和車手的體驗。


  VELUS是一個專門研究騎行感受的研究團隊,該團隊已經對騎行感受這一領域研究了十余年。但是他們依然無法肯定的描述騎行感受究竟是什么,因為他們發現,自行車本身的舒適性和它使用時的舒適性是有著重要區別的。


  比如,自行車是否合適或者在靜態狀態下的舒適性主要取決于車座和車把的位置,以及每個車手可以適應的程度。但是這和騎行感受和動態的舒適程度完全不同,因為這還要取決于震動/能量如何傳遞給車手。


  好吧,騎行感受在很大程度上是一種主觀印象,所以它仍然可以被描述,我們可以把它描述為車手在自行車上負載騎行時所經歷的一些列感覺。


  騎行感受的決定因素都有哪些?


  相信不少車手在對自行車對比的時候(無論是同一輛車還是兩輛不同的車),都會注意到輪胎和胎壓的變化,因為它會給讓你產生比較明顯得差別。而且即使是像把帶上的微小變化也會帶來差別。


  除了自行車上的不同,車手也是重要的部分。因此,鞋子,手套和騎行服的影響都不應該被忽視。不僅如此,車手的影響遠不止他們的感知,還包括了車手的身高,體重,功率輸出,重量分布和騎行位置等等。即使是看似微小的車把角度變化,也會對騎行的感知產生影響。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  手對震動非常敏感,因此在車頭使用避震裝置,對于提高自行車騎乘質量是有意義的。


  首先我們先說一下輪胎


  作為自行車和地面的唯一接觸位置,說輪胎對自行車的騎行感受有著深遠的影響一點都不為過。大多數的車手已經對這一概念有了非常直觀地了解,并且很多人也會通過不同的氣壓或不同品牌的輪胎來改善自己的騎行感受。


  較高的輪胎壓力會降低輪胎的滾動阻力,但是這又會降低舒適性,從而影響到騎行的感受。類似的,不同的輪框寬度和不同寬度的輪胎以及不同材質的內胎(對比丁基橡膠和乳膠內胎)的組合也是很重要的。


  根據一些研究結果,100pis的輪胎胎壓下,發生10%的變化的影響甚至會比更換一種車架材質來的效果更加顯著。這是因為順應性的變化相比鋼架和碳架的差異更大。當然,除了順應性之外,還有別的影響因素,但是這反應了輪胎壓力對自行車的騎行感受的影響程度。


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  對于公路車選手來說,傳統上會更加的傾向于高胎壓,以期獲得更低的滾動阻力,但是過高的胎壓往往又會帶來更大的震動,這會反過來影響速度。


  車架材質的影響


  常識上人們都會認為不同的車架材質會具有不同的騎行質量。鋁合金較為粗糙,鋼和鈦以舒適著稱,而碳纖維因為其阻尼特性而備受追捧。然而,盡管這些概念可能流傳已久,但是并沒有真正的硬數據可以支持這種觀點。


  這其中更重要的原因就是車架的最終尺寸,形狀,結構和質量。比如,使用相對較小管徑的老式公路車鋼架通常會給人帶來平滑,安靜的感覺,即使是在顛簸的道路上也是如此。相比之下,具有更大管徑的現代復合材料的車架則可能會讓人感覺更為笨重,路感更為嘈雜,并且會有一種更加獨特的騎行體驗。


  不過,這種描述通常都是臆想的,主觀標簽對你的判斷影響很大。真實的情況是,80年代的艾迪莫克斯賽車更加的讓人難受,而更大管徑的鋁合金現代公路車也仍然可以提供平穩舒適的騎行體驗。顯然,可以通過控制材料來影響車架的騎行感受,但是如果你沒有親身體驗過,并對其進行測試,就無法判斷車架的騎行感受。


  近年來,關于自行車車架的順應性考慮程快速增長趨勢,而這并不是早期宣傳的材料優勢,而是反應在車架設計上。比如,讓碳纖維材質的車架局部產生彎曲,以提供更多的順應性,提高舒適性。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  復合材料以其提供的良好順應性而著稱,但是這不是來自材料本身,而是來自于設計的思路。


  自行車的其他部分


  我們對自行車不同部分對騎行感受的影響的理解都是最基本的。大眾觀點認為,任何較大的部件,(比如輪圈形狀,車把口徑,坐管口徑)如果越硬,則會越不舒服,但是又沒有直接的數據來支持這種觀點。


  同樣,人們認為碳纖維復合材料可以提高坐管,把立和車把等位置的舒適性,但是正如我們下邊要討論的那樣,情況并非如此。實際上,一些部件對騎乘質量的影響微乎其微。


  隨著市面上的第三方配件的選擇增多,最根本的問題是,我們如何來預測新的部件會不會提高我們的騎行質量?


  雖然并沒有肯定的回答,但是我們依然可以通過反復嘗試來決定選擇。近年來對于騎行感受的研究遠未完成,但是在研究中還是出現了一些有趣的概念。


  騎行感受研究


  大多數關于騎行感受的研究主要都集中在使用自行車時傳遞到車把和車座的震動。這種震動可以通過靈敏的應變儀器和速度計測量,但是如果想在真實環境中進行可重復的實驗是非常困難的。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  在VELUS的實驗室,他們通過在跑步機上增加循環出現的障礙物來獲得可重復的觀測。


  VELUS實驗小組近十年來一直都在研究關于公路車的振動,并且是這類研究中的權威。通過在“跑步機”上設置突起作為重復變化的地形來監測傳遞到車把和車座的震動。


  使用這種方法,VELUS研究了不同的車架,前叉和部件(包括不同的材質)對車座和車把震動的影響,然后再為自行車的不同部分建立影響等級。


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  實驗期間獲得的傳導到手變上的數據:底部代表了垂直力,中間代表了加速度,底部代表了功率。跑步機上設置兩處靠近的障礙,重復測試三次,通過手變位置上的儀器獲得以上圖表。


  上圖的原始數據看起來就像地震圖,其中波峰和波谷都反應了震動的頻率范圍。任何減少都可以被看作是對舒適性的改善。其中低頻區域(<50Hz)更為重要,因為這個頻段通常會給人帶來不愉快的感受。而高頻段(>100Hz)目前還不清楚對車手會帶來怎樣的影響。雖然VELUS還沒有公布詳細的對比資料,但是已經有另一項研究結果說明了這種對比是徒勞的。例如,雖然3T的鋁合金Ergonova Pro車把傳遞的震動比碳纖版本更多,但是FSA的碳纖維K-Wing的表現則更像鋁合金的Ergonova,而不是碳纖維版本。


  同類型的研究結果還表明,Cervelo的R5ca車架比R3或者Masi Gran Criterium鋼架傳遞的震動更少,Specialized Roubaix前叉比Easton的EC90SL前叉更舒適,和Fulcrum Racing 7相比,Zipp 202的車輪會更為舒適。另一個有趣的結論是,該研究無法確定三種不同類型的把立之間有什么區別(3T ARX Pro , 3T ARX LTD , FSA OS-99 CSI)。


  在這項研究中,該團隊嘗試了一各種方式記錄結果,并發現在車座和手變上吸收的功率是最大的,一個小的突起會向車手的手和臀部傳遞1.5-4W的功率,而不同部件之間的差異可以達到0.5W。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  專門的設計“手變”內部有各種儀器,可以測量傳到到車手手上的里和加速度。


  車把和前叉對傳遞到手變上的震動影響最大,而車輪和車架對于車手在車座上的感受更為重要。在手變位置時,車輪對震動的影響較小,而把立沒有影響。對于其他部件,比如車座和坐管,由于內部放置了測量裝置,所以并沒有參與測試。整個測試過程中,輪胎胎壓都保持一致。


  該研究項目的結果也和最近的另一項研究的結果相吻合,研究過程要求224名參與者對影響騎行感受的部件進行排序。車座的設計成為最重要的部分,緊隨其后的是車架和車把。車輪則被認為不那么重要,并且和腳踏,變速和前叉排名相當。


  雖然這項研究背后還有很多的工作要做,但是從客觀和主觀的相關性上已經表明,大多數的車手對每個部件對騎行感受的相對重要性都有一個直觀地理解,至少在舒適性上確實如此。不過,他們都忽略了車輪的重要性,包括輪胎和胎壓。


  顯而易見的差異


  我們在上邊的討論中已經提到,車手的感知對整個騎行感受的影響很重要。事實表明,由于不同個體之間的感知閾值差異,每個人對騎行感受也都會略有不同。閾值在這類表述上被形容為“剛剛可以感受到區別”,他被定義為個可以監測到的最小變化。


  VELUS對7名車手進行了輪胎胎壓變化的小測試。每位車都都被要求使用安裝在跑步機上的自行車騎行一小時,并在跑步機上設置一個突起。在整個測試中,更換具有不同胎壓的前輪,以確定每位車手可以重復識別胎壓的胎壓數值。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  測試結果表明,個體之間存在廣泛地敏感性差異:該組中的一名車手可以識別出大約10psi的胎壓變化,而其他人則在30psi或者更高時才有所察覺。


  之后研究小組又進行了更大標本量的研究,但是不是改變胎壓,他們使用帶有液壓震動器的測試臺對騎手進行測試。平均下來,參與者可以可靠的確定震動減少15%的變化,并且證明手部比臀部的感覺更加靈敏。


  另外一個有意思的研究結果是,車手的位置會對震動的傳遞產生較大的影響。相信有過騎行顛簸路況的人都會有這種感受,把手放在下把位或者手腕角度特別大的時候就會讓地面反饋的震動感覺更大,這也正是觀察小組獲得的結果。此外,由于不同的騎乘位置帶來的不同騎乘感受,也會反過來影響到輪組對震動的影響,而做出完全相反的判斷。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  上圖的夾具專門用于車架的疲勞測試和耐久性,但對卻無法提供有關騎乘質量的任何有意義的數據,雖然工作起來似乎有那么一點相關。


  最后,當結合了個體之間的顯著差異以后,這和上邊的獨立個體研究之間是存在沖突的,甚至是矛盾的,因為我們發現,我們可以在任何給定的自行車配置上擁有舒適的體驗。雖然這一觀點還沒有證明自行車的其他特征,比如剛性,操控和相應速度等。但是我覺得這些差異也會適應于其他這些要素。


  更加深奧和難以描述的感覺


  關于上述的研究,他們都主要關注了一件事,那就是自行車對地面突起的反應測試。雖然這種方法非常適合從舒適性方面了解騎乘質量,但是還有其他方面對自行車的騎乘質量有影響嗎?


  就目前而言,沒有哪位自行車工程師可以建造一輛完全符合要求的自行車,即使未來有了技術突破也同樣不可能。只要車手可以感知到不同車架,前叉和其他部件的差異,就不會有完美騎行感受的車出現。


自行車騎行感受背后的科學依據,顛覆嘗試性認識


  曾經非常強調剛性的自行車,現在已經開始傾向于騎乘質量的真實感受。


  自行車骨子里的魅力所在就是當具有不同特性的部件組合在一起時,就一定會有某種新的印象產生。這種理解非常難以描述,它來自于一種你熟悉的東西,但是你又不能真正的理解它,并且這種變化還在一次次的顛覆你曾經的認識。


  如果把自行車比作一個大型管弦樂團,每個部件都像樂手一樣在其中發揮作用,那么車手則像一個容納樂隊的音樂廳,每個人都有自己的聲學系統,可以決定音樂最終傳達給你的效果。

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