承上可知，本研究初步構想為利用生物力學方法探討、模擬上坡 及真實阻抗之可行性。故本節將分段整理相關參數，並從認識自行車 騎乘阻抗開始依序探討。
1.3.1 空氣阻力(Air resistance)
根據空氣動力學，在假設實驗環境為穩態流場，且為不可壓縮流情況 下(定速騎乘)，空氣阻力與速度平方成正比，Kyle在1991年指出騎乘 自行車時速超過30 km/hour時，空氣阻力佔全部騎乘阻力的90%以上 (Kyle 1991)，且在時速高於50km/hour時空氣阻力為影響騎乘效能最 主要的因素(Gross, Kyle et al. 1983; Kyle 1991)。故稱高速騎乘時空氣 阻力為騎乘自行車最主要的阻力來源並不為過(Faria, Parker et al.
2005)。然而空氣阻力不僅與速度有關同時也與接觸面的幾何參數成 正比，包括接觸面積與形狀，也就是騎乘姿勢及選手的身材(Swain, Coast et al. 1987; Capelli, Rosa et al. 1993)。Gnehm等人在1997年便指 出，騎乘姿勢的改變對於騎士的攝氧量(Oxygen consumption,
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2)、心跳率(Heart rate, HR)及呼吸交換率(Respiratory exchange ratio, RER) 都有顯著的影響(Gnehm, Reichenbach et al. 1997)，不僅如此更有文獻
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發現，與一般直立姿勢(Straight arm position)相較，使用彎把姿勢 (Hands on the drop bars)下空氣阻力減少了20%，且若使用更為蜷縮的 俯握姿勢(Full crouched aero position)將能比彎把姿勢再減少10-17%
(Kyle 1986; Kyle 1989; Capelli, Rosa et al. 1993)。
Straight arm position Hands on the drop bars Full crouched aero position
圖 3 不同騎乘姿勢之示意圖
若不考慮其他設備對空氣阻力的影響，騎乘姿勢對於選手的車速 與生理消耗程度有著舉足輕重的影響(Faria and Cavanagh 1978; Faria 1992; Gnehm, Reichenbach et al. 1997)，因此專業選手若要減少高速時 所產生的空氣阻力往往會從改變騎乘姿勢開始。然而除了姿勢及體型 外會影響空氣阻力的變數還有：車架(Frame)與輪圈(Wheel)的類型 (Jeukendrup and Martin 2001) 、 濕 度 (Humidity) 、 空 氣 密 度 (Air density)、溫度(Temperature)、風速(Wind)以及騎乘者的服裝(Cyclist’s apparel)等等。
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1.3.2 滾動阻力(Rolling resistance)
文獻指出滾動阻力在低速時對功率輸出的影響大於空氣阻力 (Faria and Cavanagh 1978)，故滾動阻力在自行車阻抗中也是一個相當 重要的參數(Di Prampero, Cortili et al. 1979; Kyle 1988)。滾動阻力產生 的原因為：因實際生活中無完美剛體之存在，故轉體在滾動中將發生 形變，於是轉體與接觸面之間產生作用力和與旋轉方向相反之力矩。
故滾動阻力將會與接觸面積、正向力及轉體與接觸面間的摩擦係數有 關。綜上所述，可知影響自行車滾動阻力的參數有：輪胎上的垂直覆 載、輪圈直徑、輪胎種類、胎壓以及路面摩擦係數。上述參數也大多 曾經被學者們討論過：Faria 指出滾動阻力與輪半徑成反比(Faria and Cavanagh 1978)；滾動阻力與胎壓的關係也是成反比；路面摩擦係數 方面，混凝土與柏油路的滾動阻力相差 5％；而自行車輪胎的種類分 作內外胎分離結構與管狀胎結構(Clinchers vs Sew-ups)，同時有文獻 指出 在同 馬力 (0.2 hp) 輸 出下 ， 管 胎比 一般 的內 外 胎 時 速快 了 6km/hour (Roland and Rice 1973)。
1.3.3 阻抗估算之數學模型
若不考慮重力對上坡時所作的負功，也就是提昇位能所需要的能 量，以及提昇速度時所付出的能量，空氣阻力與滾動阻力這兩項便是 室外騎乘自行車阻抗的主要來源，故也有學者將以上兩項整合起來開
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發出估測綜合阻抗值的公式(Kyle, Caoiozzo et al. 1979)，此公式已經 被證明在普遍的自行車騎乘時可以提供準確的數值(Groot, Sargeant et al. 1995)。且 Candau 等人也發展了一套類似了方法。而這些方法的優 點是在室外實驗時，也可由計算得知阻力大小，且與進行風洞實驗相 較，此方法於增加實驗便利性的同時亦大幅降低實驗成本(Candau, Grappe et al. 1999)。詳細的阻抗估算系統將在下章「室外上坡及騎乘 阻抗之數學模型」小節中說明。
1.3.4 上坡
儘管上坡在自行車比賽中是非常重要的環節，卻很少有針對室外 上坡騎乘的自行車研究，缺乏研究的部分原因是由於難以在室外獲得 數據(Bertucci, Grappe et al. 2005)。但儘管如此還是有學者在室內利用 飛輪機(Ergometer) (Patterson, Pearson et al. 1983; Kautz, Feltner et al.
1991; Swain and Wilcox 1992; Caldwell, Li et al. 1998; Li and Caldwell 1998; Palmer, Borghouts et al. 1999)或跑步機(Treadmill) (Heil 1998;
Hansen, Jorgensen et al. 2002; Hansen, Jorgensen et al. 2002)進行實 驗。而本研究在上坡方面的探討將著重於利用室外實驗估算上坡時的 能量需求。
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1.3.5 功率輸出
充分瞭解各阻抗之後，重新由機械力學的觀點出發，踩踏時人體 所產生的能量被曲柄鏈輪系統轉換為轉速和扭力，而轉速與扭力提供 整個自行車系統動能、位能以及克服阻抗的能量。故要估計真實阻抗 的數據，還需要佐以能夠直接表現自行車騎乘時動力表現的參數，也 就是騎乘時的功率輸出。且有文獻指出，當阻抗改變時，確實會對騎 乘者的功率輸出造成影響(Broker, Kyle et al. 1999)。Lucia 等人在 2001 年的研究也強調自行車選手產生功率的能力在競賽中是相當重要的 (Lucia, Hoyos et al. 2001)。該研究收集環義賽(Giro d’Italia)、環法賽 (Tour de France)以及環西班牙(Vuelta a España) 等國際自行車賽事的 數據，發現 選手們平 均每小時 之總輸 出功率可以 達 400W(Lucia, Hoyos et al. 2001)。功率輸出不僅僅是一個應變項，還可以用來計算 自行車騎乘效率(Efficiency) (Hawley and Noakes 1992; Bentley, Wilson et al. 1998)。然而瞭解功率輸出的重要性後，回到機械力學的觀點，
功率的定義即為扭矩乘以轉速，在自行車科學中，扭矩是由踏板力量 (Pedal force) 所提供，而轉速即為踩踏率(Cadence)，故若欲量測功率 輸出這參數，除昂貴的市售套件外，亦可利用量測踏板力量及踩踏 率，來計算功率的輸出。且其中踩踏率是被公認為一個在自行車研究 中相當重要的參數，儘管至今對最佳 的踩踏率 仍未有共識(Faria,
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Parker et al. 2005)。
1.3.6 肌肉活動的情形
騎 乘 功 率 與 肌 肉 骨 骼 系 統 有 著 直 接 的 關 係 (Hug and Dorel 2009)。Houtz and Fischer 早在 1959 年便進行了踩踏期間(Pedaling)肌 肉表現的相關研究(Houtz and Fischer 1959)，該研究利用表面肌電訊 號(Surface electromyography, surface EMG) 研究主要的下肢表面肌 肉，並進一步指出踩踏期間肌肉活化的方式是協調且有次序地運作。
而關於踩踏期間肌電訊號的研究也越來越多(Ericson 1986; Jorge and Hull 1986; Ryan and Gregor 1992; Hug, Bendahan et al. 2004; Hug, Faucher et al. 2004; Hug, Laplaud et al. 2006; Hug, Marqueste et al. 2006;
Dorel, Couturier et al. 2008; Duc, Bertucci et al. 2008)，上述實驗所量測 的肌肉 大多為 ：臀大 肌(Gluteus maximus, Gmax)、 股直 肌(Rectus femoris, RF)、股外側肌(Vastus lateralis, VL)、股內側肌(Vatsus medialis, VM)、半膜肌(Semimembranosus, SM)、半腱肌(Semitendinosus ,ST)、
股二頭肌(Biceps femoris, BF), 外側腓腸肌(Gastrocnemius lateralis, GL), 內側腓腸肌(Gastrocnemius medialis, GM)、脛骨前肌 (Tibialis anterior, TA)以及比目魚肌(Soleus, SOL)。除了直接比較肌肉活化情形 外，Ericson 利用室內訓練台(Ergometer)進行單關節肌肉與雙關節肌 肉於踩踏過程中的差異實驗，進一步指出雙關節肌肉(RF, GL) 的活化
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程度比單關節肌肉(VM, VL, SOL)來的低(Ericson 1986)。然而以上所 提及的肌 肉大 多為表 層肌肉 ，這是 因 為深層肌 肉 (如：脛 骨後肌 (Tibialis posterior, TP) 等)的量測必頇使用到侵入式(Intramuscular) 的 肌電訊號量測系統，侵入式系統使用的電極必頇插入人體內，才能量 測肌肉的訊號，但由於訊號接收的範圍小，所以量測到的數據並不能 代表整個肌肉束的活動；不過還是有一些學者針對其中幾條深層肌肉 進行研究(Juker, McGill et al. 1998; Chapman, Vicenzino et al. 2006;
Chapman, Vicenzino et al. 2008)。此外也有學者使用核磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging , MRI)來進行肌肉活化程度的研究(Hug, Bendahan et al. 2004; Akima, Kinugasa et al. 2005; Hug, Laplaud et al.
2006; Hug, Marqueste et al. 2006; Endo, Kobayakawa et al. 2007)，這些 研究以大腿肌肉的活化程度做為基準，間接的表示其他肌肉的活化程 度，故不能精確的量化數據(Hug and Dorel 2009)。有關肌肉的研究，
除了瞭解踩踏時改變特定參數(如：踩踏率等)後所對應的肌肉活化程 度 是 否 有 顯 著 差 異 外 ， 還 可 進 一 步 探 討 騎 乘 時 肌 肉 共 同 收 縮 (Coactivation) 的 情 形 及 對 踩 踏 影 響 (Lombard 1903; Solomonow, Baratta et al. 1988; Hirokawa 1991; Hug and Dorel 2009)，或是踩踏時肌 肉招募類型的百分比(Ahlquist, Bassett et al. 1992)以及踩踏時肌肉疲 勞的判定或解釋(Colliander, Dudley et al. 1988; Psek and Cafarelli 1993;
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Hautier, Arsac et al. 2000)。根據以上論述，本研究認為採用表面肌電 訊號來進行肌肉活動情形之分析相當合宜，故本研究設想利用室外實 驗提升踩踏時肌電訊號數據之真實性，研究不同環境條件與肌肉活動 情形之間的關係。