不同踩踏頻率與齒輪比對踩踏力量與騎乘穩定性的影響

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(1)國立臺灣師範大學運動與休閒學院運動競技學系碩士學位論文. 不同踩踏頻率與齒輪比對踩踏力量與騎乘穩定性的影響. 研究生：嚴笠哲指導教授：相子元. 中華民國 107 年 6 月中華民國臺北市.

(2) 不同踩踏頻率與齒輪比對踩踏力量與騎乘穩定性的影響 2018 年 6 月研究生：嚴笠哲指導教授：相子元摘要如何更有效率的騎乘自行車一直是研究者與騎乘者所關心的問題，其中使用不同踩踏頻率與齒輪比騎乘時，何種搭配具有最好的騎乘效率至今仍未有明確答案，先前研究多針對專業車手去進行探討，然而一般人在不同模式下騎乘時的踩踏效率與身體晃動造成的能量消耗仍缺乏實證性的科學證據。目的：探討一般人在不同踩踏頻率與齒輪比下騎乘時，對踏板踩踏力量及效率與身體晃動程度的影響。方法：本研究徵招 12 名健康男性參與者 (非自行車手)，並把公路車裝上室內訓練台進行不同踏頻 (60rpm、75rpm、90rpm) 與不同種齒輪比 (53/28、53/23、53/19、53/15、53/12) 之騎乘測試。裝設於公路車左右踏板上之三軸力量感測器量測踩踏力量 (合力&有效力) 與踩踏效率，使用 Vicon 3D 動作分析系統與測力板分析騎乘時騎乘者與人車系統的質心 (COM) 晃動變化，收取之數據使用雙因子重複量數變異數分析不同模式下騎乘對踩踏效率與身體晃動程度的影響，並用 bonferroni 法進行事後比較，顯著水準訂為α=.05。結果：所有結果在不同踩踏頻率與不同齒輪比間交互作用未達顯著(p>.05)。踩踏力量的分析上，在不同齒輪比下，重齒輪比(53/12)在踩踏合力、踩踏有效力與踩踏效益皆顯著高於輕齒輪比(53/28 或 53/23)(p<.05)，在不同踩踏頻率下，只有踩踏合力在高踏頻下顯著高於低踏頻。身體晃動與穩定性分析上，騎乘者與人車系統橫向質心晃動程度皆隨踏頻增加有顯著上升，而不同齒輪比下人體 COM 變化量無顯著差異。結論：對一般人而言，建議使用較重的齒輪比與較低的踩踏頻率，因齒輪比加重能有效的增加踩踏力量的效益，選擇較低的踩踏頻率在騎乘時具有較小的身體晃動，可以減少維持騎乘穩定的能量消耗。. 關鍵詞：騎乘效率、能量消耗、騎乘晃動 i.

(3) The Effect of Different Cadence and Gear Ratio on Pedal force and Riding Stability June, 2018 Author: Yen, Li-Che Advisor: Shiang, Tzyy-Yuang Abstract How to ride more efficiently is a question that researchers and coaches have been concerned about for a long time; however, which combination of cadence and gear ratio has the best efficiency still has no clear answer. Many previous studies focused on the pedaling efficiency of professional cyclists. Whereas, the pedal efficiency and energy expenditure from body movement of non-cyclists riding in different modes still lack evidence base. Purpose: To explore the influence of different cadences and different gear ratios on pedaling force, pedaling efficiency and the variety of body movement in non-cyclists. Methods: Twelve healthy male participants (non-cyclists) were involved in this study. A road bike was set on an indoor bike trainers for the cycling test with different cadences (60 rpm, 75 rpm, 90 rpm) and gear ratios (53/28, 53/23, 53/19, 53/15, 53/12). Two 3-axis load cell were installed on the road bike pedal to measure pedaling force (resultant force (RF) & effectiveness force (EF)) and pedaling efficiency. The Vicon 3D motion analysis system and the force-plate were used to analyze the shifting of center of mass (COM) between cyclist and cyclist-bike system. After collecting the data, repeated measured two-way ANOVA was used to detect the differences of pedaling efficiency and the variety of body sway among different cadences and gear ratios of cycling. For post-hoc, bonferroni method was implied, with the significant level set at α = .05.Results: There was no significant interaction between different cadences and gear ratios (p> .05). In the analysis of pedaling force, between different gear ratios, RF, EF and pedal efficiency at the heavy gear ratio (53/12) were significantly higher than the light gear ratio(53/28 or53/23) (p <. 05). In different cadences, RF at high cadence (90rpm) is significantly higher than low cadence ii.

(4) (60rpm). For body sway and stability, the lateral axis of COM shifting between cyclists and the cyclist-bike system both increased significantly with the increase of cadence(p<.05).But there was no significant difference in cyclist COM variation from different gear ratios. Conclusion: For non-cyclists, it is recommended to use a higher gear ratio and lower cadence. When gear ratio increases, it effectively increases the efficiency of pedaling. Selecting lower cadence could cause less body movement while cycling, further reducing the energy consumption to maintain stability during cycling.. Keywords：cycling efficiency, energy consumption, body sway. iii.

(5) 謝. 誌. 研究所的時光真的稍縱即逝，經過兩年的淬鍊，我終於達成了我學生階段最後的一個里程碑，兩年的種種如往事歷歷在目，因為有了大家的幫助我才能走得這麼穩固。在這值得紀念的一刻，首要感謝的就是指導教授-相子元老師的用心教導，不管是專業知識上的提點，人生經驗的傳承，還是未來方向的建議，都讓我受益良多，也使我研究與學習的過程中，不只精進個人的能力，也更加明確未來的方向。也感謝學位論文的口試委員，陳家祥老師與何金山老師對我論文提供寶貴的建議，使我對於研究方向能有更廣泛的了解，讓我的論文能撰寫的更加完善與順利。在實驗室的生活中，也特別感謝生物力學實驗室的各位夥伴，感謝尹鑫哥、芳哥、冠勛、京叡與其他學長姐時常給我實驗上的幫助與建議，讓我研究時少走許多歪路，也給了我許多人生的建議；感謝長欣、虹臻這兩年的相互陪伴與鼓勵，研究所能遇見你們倆真的很幸運，一起上課、做實驗、抱怨的日子真的很充實，因為有你們碩士生活留下了更多精采的回憶；也感謝煜程、立堯、佑昇與其他同學及學弟們的幫助，讓我實驗能更快的完成，也讓實驗室的生活能更豐富。除此之外也感謝一路陪伴我的季緯，謝謝你願意聽我抱怨，在我心情不好的時候陪在我身邊並為我打氣，謝謝你！最後謝謝我的家人，謝謝父親嚴添寶與母親王麗秋以及哥哥嚴笠維的全力支持，有家這個避風港，我才能無後顧之憂的完成碩士學位，謝謝你們，有你們真好。研究所畢業是個結束也是個開始，謝謝一路上幫助過我的人，未來的日子裡仍然會遇到許多挑戰，我也會帶著自己當初的夢想繼續走下去，希望未來哪一天我們在見面時，都能成為自己心目中那理想的模樣。. iv.

(6) 目. 次. 口試委員與系主任簽字之論文通過簽名表論文授權書中文摘要……………………………………………………………………………………….i 英文摘要………………………………………………………………………………………ii 謝誌…………………………………………………………………………………...………iv 目次……………………………………………………………………………………………v 表次………………………………………………………………………..………..…..…...viii 圖次………………………………………………………………………………….….….....ix. 第壹章緒論………………………………………………...…………………1 第一節. 研究背景………………………………………….……………………………1. 第二節研究問題………………………………………….……………………………3 第三節研究目的………………………………………….……………………………4 第四節研究假設………………………………………….……………………………4 第五節研究範圍與限制……………………………….………………………………4 第六節研究之重要性……………………………….…………………………………4 第七節名詞操作定義……………………………….…………………………………5. 第貳章文獻探討…………….……………………..…….…………………...7 第一節騎乘效率的評估方法…………….……………………………………………7 第二節不同策略下對踩踏效率的影響………….……………………………………9 第三節身體穩定性對騎乘的影響…….……………………………………………..11 v.

(7) 第四節文獻總結…………….………………………………………………………..12. 第參章研究方法………………………..…………………………………...14 第一節實驗參與者…………………………………………………………………...14 第二節實驗設備……………………………………………………………………...14 第三節實驗設計……………………………………………………………………...16 第四節實驗步驟……………………………………………………………………...17 第五節資料處理……………………………………………………………………...19 第六節統計分析……………………………………………………………………...21. 第肆章結果……………………………..……………………………...........22 第一節不同踩踏頻率與齒輪比下踩踏力量與踩踏效益分析……………………...22 1.. 踩踏合力分析……………………………………………………………...…22. 2.. 踩踏有效力分析…………………………………………………………...…23. 3.. 踩踏效益分析……………………………………………………………...…24. 第二節不同踩踏頻率與齒輪比下身體晃動程度與騎乘穩定性分析……………...25 1.. 身體騎乘晃動分析…………………………………………………......…….25. 2.. 人車系統晃動程度…………………………………………………......…….26. 3.. 騎乘穩定性分析……………………………………………………………...27. 第伍章討論…………………………………..………………………...........28 第一節不同踩踏頻率與齒輪比對踩踏力量與效益的影響……………………...…28 第二節不同踩踏頻率與齒輪比對騎乘穩定性的影響……………………………...30 第三節結論與建議…………………………………………………………………...33 vi.

(8) 引用文獻………………………………………………………………………34. 附錄………………………………….………………………………………..39 附錄一實驗參與者須知……………………………………………………………39 附錄二實驗參與者同意書…………………………………………………………40 附錄三實驗參與者基本資料表……………………………………………………41. vii.

(9) 表. 次. 表 1 自行車不同踩踏頻率下踩踏效率之相關研究……………………………...……………10 表 2 自行車不同踩踏阻力下踩踏效率之相關研究…………………...………………………11 表 3 受試者基本資料………………………………………………………………………14 表 4 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏合力最大值分析(%)……………………………..22 表 5 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏合力平均值分析(%)………………………….….23 表 6 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏有效力最大值分析(%)…………………………..23 表 7 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏有效力平均值分析(%)…………………………..24 表 8 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏效益分析(%)……………………………………..24 表 9 不同踩踏頻率與齒輪比下之橫向軸身體晃動程度(mm)…………………………...25 表 10 不同踩踏頻率與齒輪比下之垂直軸身體晃動程度(mm)…………………………...25 表 11 不同踩踏頻率與齒輪比下之橫向軸人車系統晃動程度(m/s2)………………….…..26 表 12 不同踩踏頻率與齒輪比下之垂直軸人車系統晃動程度(m/s2)………………….….26 表 13 不同踩踏頻率與齒輪比下之騎乘穩定性……………………………………………27. viii.

(10) 圖. 次. 圖1. 三軸力量感測器……………………………………………………………………15. 圖2. Vicon 3D 動作分析系統……………………………………………….…………..15. 圖3. 自行車後輪之固定訓練台…………………...…………………………………….16. 圖4. 實驗裝置圖……………………………………….…………………..…………….16. 圖5. 力量感測器之訊號與重量線性方程式……………………………………………17. 圖6. 實驗流程圖…………………………………………………………………………18. 圖7. 踩踏合力與有效力計算示意圖……………………………………………………20. 圖8. 踩踏力量擷取範圍…………………………………………………………………20. 圖9. 不同踩踏頻率與不同齒輪比下踩踏合力、有效力與踩踏效益的變化…………30. 圖 10. 不同踩踏頻率與不同齒輪比下人體晃動、人-車系統晃動與騎乘穩定性……..31. ix.

(11) 第壹章. 緒論. 第一節研究背景騎自行車是現今非常流行的運動之一，許多人會選擇在假日騎自行車出門郊遊作為休閒活動，且騎自行車對於下肢的負擔較小，因此各種族群皆適合此項運動(Porcari, Zedaker, Naser, & Miller, 1998)，根據體育署 105 年運動現況調查，騎自行車在近十年來皆為國內運動人口最常從事的運動前五名，約占運動人口的一成至兩成。隨著自行車風潮的盛行，近幾年國內也時常舉辦各種單車的比賽，在國際上自行車也是競技運動比賽項目之一，如奧運有自由車項目以及世界上知名的自由車三大賽（環法賽、環義賽、環西賽）。自行車從過去作為交通工具，變為休閒運動的選擇，甚至成為競技運動項目之一，因此如何騎乘的更有效率及更舒適便一直是研究者及教練們探討的問題，騎乘效率的高低會直接的影響到騎乘自行車時的表現與舒適度，效率越高越能減少在騎乘時不必要的能量浪費，即如何以最小的能量消耗獲得最大的效益。有此可知，如何去評估騎乘效率也成為騎乘者討論的議題，藉由精確的效率評估依據，騎乘者便能根據個人能力去選擇更適合自己的騎乘策略。目前騎乘效率的評估主要以踩踏效率作為指標，踩踏效率是針對下肢與踏板之間的交互作用去進行推估。其中有效力(effectiveness. force, EF) 常被用來當作踩踏技術的指. 標(Coyle et al., 1991; Ericson & Nisell, 1988; Sanderson & Black, 2003)，即與曲柄垂直的力跟踏板總合力的比值來進行評估，因為只有與曲柄臂垂直之踩踏分力才會對踩踏循環有貢獻，因此 EF 即代表多少力被運用在踩踏的循環上，除了有效力之外，Leirdal 和 Ettema (2011)使用一個新的參數：死點功率（dead center power, DC）來做為踩踏技術的指標，DC 被定義為踏板踩踏期間的最小功率除以平均功率，EF 通常只能用來測量下行程的踩踏效率，而 DC 則是用來測量克服一個循環所需花費的最小功率相比於整個循環中的平均功率去計算，較能代表整個循環的踩踏效率(Loras, Leirdal, & Ettema, 2009)。除了使用踏板量測之力量與功率來進行評估，有些學者把下肢肌肉的肌電訊號也加入作為 1.

(12) 評估騎乘效率的依據，量測下肢肌肉電訊號的大小與踏板得到之機械能去做計算，即經濟性/效益（機械能所作的功與生理能量之間的比值）(Mornieux, Stapelfeldt, Gollhofer, & Belli, 2008)，藉此找出較有效益的騎乘策略。然而上述方法所評估之騎乘效率，皆只針對騎乘者下肢與自行車踏板間踩踏過程的運動學、動力學與生理參數去考量，而騎乘者維持騎乘穩定所消耗的能量卻鮮少有研究去討論，大部分研究主要針對如何讓踩踏時對自行車所作的功能完全運用在自行車的踩踏循環中，讓在踩踏過程中減少能量的浪費以提升踩踏過程中力轉換成機械能的效率，但是 Bini 和 Diefenthaeler (2010)認為無法單純用踩踏效益來代表踩踏技巧或效率，擁有好的踩踏效率的確能有更好的騎乘表現，然而有學者發現，在騎乘自行車時，除了下肢對踏板產生力量去驅動自行車外，自行車還有握把和座墊與騎乘者有所接觸，騎乘者藉由身體及手對自行車施以力量，以幫助在騎乘時能維持穩定並幫助踩踏(Costes, Turpin, Villeger, Moretto, & Watier, 2015)，因此騎乘時身體為了平衡造成的晃動所消耗的能量應考慮進騎乘效率的評估中。騎乘時有許多因素會影響到踩踏力量的輸出與騎乘時人車系統的穩定性，而其中最常作為騎乘策略控制的影響因素為踩踏頻率與齒輪比，其也是能在騎乘過程中去進行調整的兩種策略，對踩踏力量的影響上，有研究發現不同的踩踏頻率下，踩踏力量會有變化的現象，其中隨著踩踏頻率上升，踩踏力量合力方向也會產生變化(Baum & Li, 2003)。 Ericson & Nisell（1988）發現在實驗室中， 90rpm 下騎乘固定自行車，產生的合力最小，但大多數研究發現，對一般人與部分自行車選手來說，較低的踩踏頻率（約 60rpm）會有較佳的踩踏效益，因此踩踏頻率的快慢會影響到有效力的大小進而影響踩踏效率 (Candotti et al., 2007)；踩踏阻力的變化也會影響踩踏力量大小，阻力變化除了因地形而不同外，最容易改變踩踏阻力的方式便是改變自行車的齒輪比，齒輪比越重，踩踏阻力越大，在固定踩踏頻率下騎乘，騎乘者可以藉由改變齒輪比來增加踩踏力量，進而影響騎乘效率(Mognoni & di Prampero, 2003)；而隨著阻力(齒輪比)改變，有研究認為阻力低踩踏效益較高(Rossato, Bini, Carpes, Diefenthaeler, & Moro, 2008)，但也有研究發現阻力高踩踏效益較佳(Rylands, Roberts, & Hurst, 2017; Zameziati, Mornieux, Rouffet, & Belli, 2.

(13) 2006)，造成此差異的原因可能為受試者族群不同導致，過去研究實驗參與者多為專業車手，而一般休閒騎乘者的踩踏效率則較少研究進行探討。而不同踩踏頻率與齒輪比對踩踏時騎乘穩定性的影響，Bulsink 等人（2016）在探討年輕人與老年人的平衡策略時，結果提到老人較難在高速騎乘時維持平衡，因為在高速下身體會有更大的晃動，需付出更多的努力在維持平衡上，因此對於平衡策略較差的人，會選擇較低的踩踏頻率進行騎乘以利平衡。因此騎乘時維持騎乘穩定性而產生的身體晃動的確會改變騎乘者的騎乘策略，其他對於騎乘穩定性與晃動的研究相對較少。由以上相關研究可以得知，自行車效率的研究多在探討踩踏部分，不同踩踏頻率與齒輪比下騎乘會對踩踏效益造成影響，對於一般人而言何種搭配較有效率值得進一步討論，且對騎乘自行車晃動程度與穩定性的變化還需實驗釐清，因此本研究希望去探討不同踩踏頻率與齒輪比下，對於踩踏效益與騎乘穩定性的影響，觀察踏板所受踩踏力量與身體晃動程度的變化，以利騎乘者能進一步了解不同模式下的能量輸出，並對未來策略選擇時能有更多的依據。. 第二節研究問題自行車在騎乘效率評估上，多數是使用騎乘者下肢與自行車之間踩踏過程的一些動力學參數與肌電訊號去進行效率的估算，然而在不同踩踏頻率與齒輪比下的踩踏效率還有待釐清，且在實際騎乘時，騎乘者除了下肢踩踏板驅動自行車外，騎乘者還會藉由身體及手對自行車施以力量，以幫助在騎乘時能維持平衡，因此除了對自行車施以踩踏力量驅動時需要能量輸出外，在騎乘的過程中上肢及軀幹也需要力量輸出使整個人-車系統維持穩定。過去自行車相關研究多以專業自行車手為實驗對象，一般人的騎乘效率較少研究去討論，且在評估效率時並未把維持穩定造成之晃動所需的額外能量併入考量，身體晃動所造成的能量消耗可能是造成選擇不同騎乘策略的因素之一，過多的額外能量消耗可能會加速騎乘者疲勞進而影響運動品質與表現，藉由不同踩踏頻率與齒輪比的搭配，選擇具較佳踩踏效率及騎乘穩定性的策略，或許能讓騎乘者有更好的騎乘表現，因 3.

(14) 此不同模式下（不同踩踏頻率與齒輪比），踩踏力量及身體晃動程度的變化值得進一步去探討。. 第三節研究目的（一）觀察不同策略下(不同踩踏頻率與齒輪比)，踩踏力量與騎乘穩定性的變化。（二）找出踩踏效率與騎乘穩定性較佳的騎乘策略。. 第四節研究假設（一）在同齒輪比不同踩踏頻率下及同踩踏頻率不同齒輪比下，踩踏合力、有效力與踩踏效益的大小會有特定趨勢的變化。（二）在同齒輪比不同踩踏頻率下及同踩踏頻率不同齒輪比下，騎乘者與人車系統的質心晃動程度與騎乘穩定性，會有特定趨勢的變化。. 第五節研究範圍與限制本研究具有一下幾點限制（1）本研究使用固定式訓練台進行實驗，與實際騎乘時有些許差異。（2）本研究在室內騎乘，因此結果不考慮室外騎乘時的外在環境影響。（3）本研究受試者為一般有規律運動之男性，無法推估專業自行車手騎乘時是否會有相同結果。. 第六節研究之重要性（一）找出不同策略時的騎乘穩定性，讓騎乘者了解在不同踩踏頻率及齒輪比時，人車晃動程度的變化，以了解在何種踩踏頻率與齒輪比搭配時有最佳的騎乘穩定性。 4.

(15) （二）把騎乘時晃動的額外能量消耗納入騎乘效率的評估當中，使騎乘者能有更多的依據去了解自身的騎乘狀態，並找出對於自己較為適合之騎乘策略。. 第七節名詞操作定義 (1) 有效力（effectiveness force, EF）進行自行車騎乘時的踩踏力量中，對踏板曲柄的垂直分力，因為只有與曲柄垂直的分力會產生力矩，有效力即對於騎乘時實際造成曲柄轉動的力量值。(Ericson and Nisell, 1988) (2) 齒輪比（gear ratio）即大盤齒數/後齒盤齒數，如 53/19 即大盤一圈為 53 齒，後齒盤一圈為 19 齒，當踏板轉動一圈時，後輪約轉動 2.79 圈。 (3) 踩踏頻率（cadence）單位為 rpm，即每分種轉動幾圈，如 60rpm 為每分鐘轉動 60 圈（一圈一秒），踩踏頻率越高，踏板轉動越快，本研究踩踏頻率為每分鐘之單腳轉動圈數。 (4) 標準騎乘姿勢騎乘時較為舒適之騎乘姿勢，即曲柄成 180 度時(垂直於地面，即位於下死點)，此時膝關節屈曲角度在 30 度左右，上肢部分，雙手抓住握把後，上臂與軀幹約成 90 度去調整座墊的高度，同時手肘微彎使軀幹與水平線約呈 45 度角，確定姿勢後即固定座墊高度(Priego Quesada, Perez-Soriano, Lucas-Cuevas, Salvador Palmer, & Cibrian Ortiz de Anda, 2017)。 (5) 人車系統質心（rider-bicycle system center of mass）：騎乘者與自行車整體的質心位置，騎乘自行車是一個人與車共同運作的系統，因此在探討騎乘時的擺動程度時，單純觀察騎乘者的質心位置變化較難代表整個人車系統的運動狀態，本研究使用測力板所受作用力進行回推，得出整個系統的質心位置，此方法相較於使用 Vicon 3D 動作分析系統，可以減少身體肢段與自行車體 5.

(16) 上 marker 定位所造成的差異，能得出較為精確之人車系統 COM(Lafond, Duarte, & Prince, 2004)。. 6.

(17) 第二章. 文獻探討. 較佳的騎乘效率代表著會有更好的騎乘表現與品質，因此需要一個完善的騎乘效率評估依據，以了解每位騎乘者目前的騎乘狀態，而在不同踩踏頻率與齒輪比搭配所產生的策略下，騎乘效率是否會有所變化，並進一步找出騎乘效率變化的趨勢，便能提供騎乘者選擇最適合自身的策略。以下文獻探討分為三個部分呈現：一、騎乘效率的評估方法。二、不同策略下對踩踏效率的影響。三、身體穩定性對騎乘的影響。. 第一節騎乘效率的評估方法騎乘效率是了解騎乘者是否能有效利用身體能量的指標，輸出的能量能否完全對騎乘有所幫助便需要靠效率評估方法來確定，騎乘自行車是一個人對車施力產生力矩進而作功，經過內部機械能的傳遞，把能量由後輪向地面釋放出能量的過程，這個過程中主要提供能量的部分在下肢對踏板進行踩踏，因此在評估騎乘效率時，許多研究以踩踏效率作為騎乘效率的指標(Rossato et al., 2008)。踩踏效率的評估及計算主要是針對下肢與踏板之間的作用，在騎乘自行車時，有效力(effective force, EF)的大小在許多研究中常被拿來作為評估騎乘表現的依據 (Coyle et al., 1991; Ericson & Nisell, 1988; Sanderson & Black, 2003)，EF 的計算方式為踩踏時與曲柄垂直之分力值，從機械動力學的角度來看，對踏板及曲柄產生力矩的力必須與曲柄臂垂直，而其他方向的力對曲柄無法產生力矩因此對於踩踏輸出沒有貢獻。而有效力佔踩踏合力的多寡，即為踩踏時產生效益的指標 (Index of effectivness, IE) (Lafortune & Cavanagh, 1983)。效益指標值越接近 1 時表示踩踏效率較高，即踩踏力量中有越多的力是對踏板轉動有所幫助的。也有許多研究發現較高的 EF 與較高的總效率 (gross efficiency：GE) 有關(Leirdal & Ettema, 2011; Zameziati et al., 2006)。然而非垂直曲柄方 7.

(18) 向的力雖然對於踩踏產生力矩沒有幫助，但在騎乘時為了維持良好的循環，尤其是在較大的踩踏速率下時，必須有一個向自行車的分力來把騎乘者約束在人-車的系統中，以維持騎乘穩定，所以在騎乘自行車時幾乎無法完全把踩踏力量只作用於與曲柄垂直向的力，在維持踩踏循環一定會有對於踩踏效率沒貢獻的能量消耗。因此有學者使用一個新的參數：死點功率 (dead center power, DC) 來做為踩踏效率的指標，DC 被定義為踏板踩踏期間的最小功率除以平均功率，DC 位置通常位在曲柄循環的頂部及底部(即上死點與下死點)，在這個位置時雙腿產生相對較小的力矩，且 DC 不會受到隨踩踏速率上升所增加的慣性力影響 (Leirdal & Ettema, 2011)；在踩踏循環中，上行程(踏板於頂端踩踏至底端)相比於下行程(踏板於底端回升至頂端)產生的力量很小，因此 EF 通常只能用來測量下行程的踩踏效率(Loras et al., 2009)，而 DC 則是用來測量踩踏時克服一個循環所需花費的最小功率，即在一個較難施力的位置所產生得有效功率相比於整個循環中的平均功率去計算，較能代表整個循環的踩踏效率。因此以整個循環的觀點來看踩踏效率，DC 與 EF 相比，DC 與 GE 之間有更大的關聯。除了使用踩踏力量或功率等參數去評估踩踏效率外，也有學者把下肢肌肉生理訊號納入評估的依據，即討論機械能所作的功與生理能量之間的比值(Mornieux et al., 2008)，在相同的功率輸出下，越少的肌肉活化便具有較好的騎乘效率，其研究結果發現踩踏力量的效益可以去評估騎乘的經濟效益。雖然上述研究發現踩踏力量中的有效力與效益指數能作為評估騎乘效率的標準，但也有學者認為踩踏力量推估出來的踩踏效率不能代表整個騎乘效率(Bini & Diefenthaeler, 2010)，因為騎乘是一個複雜的技術，利用下肢與踏板間的作用雖然可以一定程度的去評估騎乘效率，但有些必要的額外能量輸出（如維持平衡所需要付出的能量）並未被納入考量，額外能量的消耗是否會影響到不同騎乘模式下的騎乘效率值得進一步探討。. 8.

(19) 第二節不同策略下對踩踏效率的影響騎乘者在進行騎乘時，時常會使用不同騎乘策略來獲得較佳的踩踏效率，而其中在實際騎乘能進行調整的兩種策略分別為改變踩踏頻率與齒輪比（踩踏阻力），尤其在比賽中，選擇最有效率的策略便能有更好的運動表現，而在不同踩踏頻率與齒輪比的搭配下，何種策略具有較佳的踩踏效率一直是研究者與教練想去確定的問題。在不同踩踏頻率對踩踏效率的影響上，過去有學者針對踩踏時對側腳所造成的負功現象與踩踏頻率之間的關係去進行研究，結果發現在趨近 90rpm 時有最小的負功，隨著踩踏頻率上升會產生更大的負功以降低踩踏效率(Neptune & Herzog, 1999)。Candotti 等人（2007）也針對不同運動項目的騎乘者間，去探討不同踩踏頻率對踩踏效益的影響，結果也發現 90rpm 下，較小的合力中會有較大的有效力，另外一篇研究也發現隨著踩踏頻率從 70rpm 增加到 90、110rpm 時，踩踏力量的效益指標會增加(Strutzenberger, Wunsch, Kroell, Dastl, & Schwameder, 2014)，其他研究也發現自行車手穩定踩踏循環的過程中， 80-100rpm 具有較佳的速度/有效力比(Lucía, Hoyos, & Chicharro, 2001)。但也有研究認為對於一般騎乘者而言，使用較低的踩踏頻率會有較佳的踩踏效率(Ericson & Nisell, 1988)，且其他研究也發現隨著踩踏頻率逐漸上升，踩踏效益會逐漸減小(Patterson & Moreno, 1990; Sanderson, 1991)，他們認為原因是因為隨著踩踏頻率上升，對於未訓練過的騎乘者而已，騎乘難度會上升，因此踩踏效率會比較低。而在 Ryland 等人針對 BMX 專業自行車手的實驗中，在比較低的踩踏頻率時，能夠在較短的時間達到峰值功率，因此具有較高的踩踏效率(Rylands, Roberts, Hurst, & Bentley, 2017)。因此，何種踩踏頻率有比較佳的踩踏效率，在高踩踏頻率與低踩踏頻率皆有學者支持，且 Anthony 等人去讓受試者去自由選擇踩踏頻率，經過訓練後再讓騎乘者去進行騎乘，結果發現最有效率的踩踏頻率發生改變(Whitty, Murphy, Coutts, & Watsford, 2016)。由上述可知，何種踩踏頻率具有較佳的踩踏效率並未有明確的答案，而造成結果差異的原因可能來自於實驗參與者的族群不同，一般人與專業騎乘者看起來在不同踩踏頻率下的踩踏效益有所差異。. 9.

(20) 在不同齒輪比，即不同踩踏阻力對踩踏效率的影響上，有研究去探討不同齒輪比時，輸出功率的大小與達到峰值功率的時間，結果發現在較重的齒輪比下，可以在相同的時間內達到更高的輸出功率，且具有較高的踩踏效率(Rylands, Roberts, & Hurst, 2017)。另篇研究發現，在固定踩踏頻率下，隨著踩踏阻力變小，輸出功率從 80％～60％的過程中，踩踏效率會增加約 13％(Rossato et al., 2008)。也有研究在 60％～98％的踩踏負荷中，在較高負荷下具有較好的踩踏效益指標(Zameziati et al., 2006)。而 Bini 和 Diefenthaeler （2010）則認為在踩踏阻力增加使負荷率從 75％到 100％的過程中，踩踏效率不會有明顯的變化，其原因可能是因為，當你踩踏阻力增加時，相對的也需要更多的肌肉進行活化，進而增加能量的消耗，因此並不會增加踩踏效率 (Korff, Romer, Mayhew, & Martin, 2007; Mornieux et al., 2008)。上述研究結果差異可能同樣與實驗參與者有關，對於一般休閒騎乘者而言，何種齒輪比較有踩踏效率值得釐清，且過去研究較少使用改變齒輪比作為變項，多是去探討不同踩踏阻力或功率下的踩踏效率，而不同阻力下踩踏效率的變化是否與利用改變齒輪比所造成之踩踏阻力差異對踩踏效率的變化，兩者是否擁有同樣的趨勢還有待釐清，踩踏效率最佳的齒輪比也未有研究確定。表 1 自行車不同踩踏頻率下踩踏效率之相關研究. 作者. 設計變項. 觀察參數. Patterson &. 50、60、70、80、踩踏力量. Moreno, (1990). 90、100 rpm. Sanderson, (1991). 60、70、80、90、單側踩踏力量 100 rpm. Neptune &. 60、75、90、踩踏力量. Herzog, (1999). 105、120 rpm. Candotti et al.,. 60、75、90 rpm 踩踏力量. 60、75、90 rpm 踩踏力量. (2008). Strutzenberger,. 主要發現. 11 名一般人. 踩踏頻率從 50rpm 增加至 110rpm，踩踏效益約減少 1.5 倍。踩踏頻率從 60→100rpm 會減少約 44%的踩踏效益。 90rpm 下踩踏循環有最小. 7 名車手 8 名一般人 8 名專業車手. 負功，踩踏頻率增加或減少負功皆會增加。 9 名車手固定式自行車在 90rpm，可以在較小合力下維持騎乘，踩踏效益較佳。 8 名自行車手專業自行車手在高頻率的踩踏下具有較佳的踩踏效率。 14 名菁英車手踩踏頻率從 70→90→110. (2007). Rossato et al.,. 受試者. 70 、 90 、 110 踩踏力量 10.

(21) Wunsch,Kroell,. rpm. Dastl, (2014) Rylands, Roberts,. 80、100、120、踩踏力量、. Hurst, & Bentley,. 140 rpm. 踩踏功率. (2017). rpm，踩踏有效力上升，踩踏效益指標會增加。 6 名職業 BMX 低踩踏頻率能在較短時間車手達到峰值功率，踩踏效率較高。. 表 2 自行車不同踩踏阻力下踩踏效率之相關研究. 作者. 設計變項. 觀察參數. 受試者. 主要發現. (阻力 or 齒輪比). Zameziati et. 踩踏負荷. 踩踏力量、. 10 名健康男性踩踏負荷與踩踏效益具有. al., (2006). 60%~98%. 踏板力矩. Rossato et al.,. 輸出功率. 踩踏力量. (2008). 60%~80%. Bini&Diefenth. 踩踏阻力. aele,(2010). 75%~100%. 正相關，阻力越大踩踏效益增加。 8 名自行車手固定踩踏頻率下，隨著踩踏阻力變小，輸出功率從 80％～60％的過程中，踩踏效率會增加約 13％。 11 名專業自行踩踏阻力增加使負荷率從車手 75％到 100％的過程中，踩踏效率不會有明顯的變化。. Rylands,. 41/16、43/16、踩踏力量、踩踏功率 45/16. Roberts,&. 踩踏力量、肌電訊號. Hurst, (2017). 8 名職業 BMX 齒輪比越重，可以在相同車手時間產生更多的有效力，踩踏效率較高。. 第三節身體穩定性對騎乘的影響騎乘時身體穩定性也會影響到表現，騎乘時踩踏力量會有一向內的分力作為平衡的必要輸出以維持騎乘穩定，Costes 等人（2015）在研究結果發現，騎乘時除了踩踏力量由下肢對踏板輸出外，騎乘者也會藉由上肢及軀幹對握把及座墊施力來維持騎乘時的平衡，並在較大阻力時能藉由上肢的拉力來幫助下肢的踩踏輸出。Cain 等人（2016）對於騎乘時的一般人與專業自行車手的平衡策略去進行了研究，結果發現專業自行車手相對於一般騎乘者在較高的踩踏頻率時，會使用更多身體側向傾斜來維持平衡，而非直接旋轉握把，他們推估一般人在高踩踏頻率時身體晃動會增加，需要額外使用握把轉向來平 11.

(22) 衡，而專業騎乘者在高踩踏頻率時具有較高的穩定性，依靠身體側向即能維持騎乘平衡，且這個研究中在進行最慢速騎乘時（40rpm,1.29m/s），大部分的一般騎乘者因為晃動過大無法完成踩踏。而另一篇研究則針對年輕人與老年人的平衡策略去做研究，結果發現老年人比年輕人在相同的干擾環境下，需要更多能量來從不平衡的狀態回復穩定，老年人的生體機能退化，所以騎乘穩定度低於年輕人(Bulsink, b, Belt, Bonnema, & Koopman, 2016)，因此，對於軀幹橫向活動力下降的老年騎乘者而言，會使用更多的膝向外動作 (Moore, Kooijman, Schwab, & Hubbard, 2010)，來作為穩定身體平衡的策略。由上述研究可以知道，騎乘時騎乘者必須付出額外能量來維持人車系統的平衡，騎乘時騎乘穩定性越高對於騎乘越有效率，因為越不穩定身體晃動越大，便需要付出更多的能量來幫助整個系統回復到平衡狀態，選擇一個騎乘穩定性較高的騎乘策略也能減少身體晃動造成的額外能量消耗，例如有研究發現，隨著踩踏頻率增加，下肢肌群會有更高的活化程度，因而造成整個騎乘時會有更大的晃動程度(Maclntosh, Naptune, & Horton, 2000)，這可能就是造成一般騎乘者普遍會選擇較低踏頻作為騎乘策略選擇的原因，而專業自行車手在較高踩踏頻率也能維持騎乘身體穩定性，因此較快的踩踏頻率對於專業自行車手而言是比較有效率的。雖然有學者提出這樣的可能性，但實際上不同策略所造成騎乘晃動程度的變化，還需要研究去進行探討。. 第四節文獻總結綜合上述所有文獻可以得知，在評估騎乘效率時，主要使用踩踏力量或下肢肌電作為評估的依據，然而此種評估法只能評估騎乘者對自行車輸出部分的效率，並無法代表整個騎乘時的效率。騎乘時為了維持穩定，身體便需要消耗一定的能量去保持平衡，這額外的能量消耗對於騎乘的功率輸出上並沒有太大的幫助，但卻是維持騎乘不可或缺的必要能量付出，因此在評估整個騎乘效率的過程中，也應該把維持騎乘穩定時人車系統晃動造成的能量消耗納入考量。目前何種踩踏頻率搭配何種齒輪比時對於一般休閒騎乘者會有最佳的騎乘效率仍未有明確的答案，或許藉由探討不同踩踏頻率與齒輪比下的踩 12.

(23) 踏效率與騎乘穩定性，便能在評估不同模式下的騎乘效率時有更多的依據，也能提供一般休閒騎乘者未來在不同狀態下去選擇適合自己的騎乘策略。. 13.

(24) 第參章. 研究方法. 第一節實驗參與者本研究招募 12 名一般健康男性為實驗參與者，皆沒有自行車訓練的經驗，基本資料如下表 1，所有參與者在進行實驗的近六個月內，皆無下肢神經、肌肉、骨骼、肌腱、韌帶和心血管方面的疾病，並具備從事一般有氧活動的心肺能力，也能適應在訓練台上騎乘固定式自行車。每位實驗參與者在進行本實驗前，預先告知及說明實驗內容、步驟與相關注意事項，並詳閱參與者須知，了解實驗內容後遷簽署試者同意書，同意參與本實驗。. 表 3 受試者基本資料平均數. 標準差. 單位. 年齡. 26.5. 7.8. 歲（year）. 身高. 173.8. 5.6. 公分（cm）. 體重. 73.5. 10.8. 公斤（kg）. 第二節實驗設備 1.. Interface 三軸力量感測器 (3A120 3-Axis Load Cells, force transducer, USA) 設定取樣頻率為 1000 Hz，可同時測得踩踏時三個軸向之力量(force)的感測器，三. 個軸向分別為：x 軸為前後方向、y 軸為左右方向、z 軸為垂直方向。本實驗兩踏板所受踩踏力量皆會納入分析，以減少兩側不對稱造成之影響，因此兩邊踏板上皆會裝設三軸力量感測器，且三軸力量感測器會與 VICON 及測力板運用 Nexus1.8.2 軟體進行同步，以便計算踏板切線力並進行後續分析。裝置如圖 1：. 14.

(25) 圖1 2.. 三軸力量感測器. 三軸測力板 (Kistler, SW) 本實驗使用兩塊 Kistler 三軸測力板，取樣頻率設定為 1000Hz，並與 VICON 及三. 軸力量感測器運用 Nexus1.8.2 軟體進行同步，測力板主要量測自行車騎乘時對地三軸之衝擊力量，並使用對地面作用力值與人車質量進行回推，求得人車系統晃動之程度。 (Zatsiorsky & King, 1998) 3.. VICON 3D 動作分析系統 (MX 13+ Oxford Metrics. UK) 設定取樣頻率 200 Hz，以 8 台 VICON 紅外線攝影機建構三度空間的實驗環境，並. 使用直徑 1.6 cm 反光球 (reflective marker) 黏貼於自行車踏板上(側面前後及曲柄中心各黏一顆)。當踩踏自行車時，紅外線攝影機會將光球移動之影像訊號傳入電腦後獲得反光球移動之三度空間座標數據，再使用 Nexus 1.8.2 版軟體去建構出踏板迴轉之軌跡，可判斷踏板相對於整個實驗室的旋轉角度，以利計算踏板切線力的大小。裝置如圖 2。. 圖 2 Vicon 3D 動作分析系統. 15.

(26) 4.. 自行車體本實驗自行車使用一般公路車，架上室內訓練台(Minoura FG540 hybr idroller trainer )，. 為前輪固定架，後輪滾筒之設計，如圖 3-1,3-2，自行車座墊高度會根據受試者去調整，使受試者為標準騎乘姿勢。. 圖 3 自行車後輪之固定訓練台. 圖4. 實驗裝置圖. 第三節實驗設計本研究於實驗中設計三種踩踏頻率與五種齒輪比，共計 15 種策略，目的為透過不同踩踏頻率與齒輪比的搭配，來找出具有較高踩踏效率及騎乘穩定性較佳的策略。實驗中的踩踏頻率設定分別為 60、75、90 rpm，過慢的踩踏頻率可能難以維持平衡，而過快的踩踏頻率受試者可能較難維持實驗所設定之連續 40 秒騎乘(Cain, Ashton-Miller, & Perkins, 2016)。齒輪比則設定為 53/28、53/23、53/19、53/15、53/12 等由輕到重五種，即從最輕（53/28）與最重（53/12）間的齒輪比選擇五種，以判斷不同齒輪比間的影響。結果會針對踏板所測得之踩踏力量與測力板所推算之人車系統質心加速度，找出不同策略間的踩踏效率與身體穩定度的趨勢，並用以作為選擇策略的依據。. 16.

(27) 第四節實驗步驟本研究會先向參與者說明實驗內容與流程，同意後填寫受試者基本資料，再開始進行實驗。一、實驗儀器架設與校正 1、自行車體架設：把自行車架設上室內訓練台，並把整個自行車體放置於測力板上，踏板上裝設三軸力量感測器，確定整個自行車體並無左右傾斜。 2、 VICON 3D 動作分析系統與測力板之校正：進行 VICON 的動態校正，並定義出整個實驗室坐標系，並在三軸力量感測器上黏貼光點以判斷踏板旋轉情形；測力板進行力量校正，先進行歸零後再放置上整個自行車體。 3、三軸力量感測器校正：三軸力量感測器裝置於踏板上前，先翻為正面向上放置於測力板上並歸零，確保感測器垂直軸垂直地面，接者進行力量校正，依序放上 4 塊槓片（分別為 1.14kg →1.36kg→1.21kg→1.18kg），獲得訊號與重量間的線性關係以進行踩踏力量的計算。踏板收取極限已於實驗前進行測試，使用數塊槓片進行測試，總重量約為 30 公斤(約為受試者最大踩踏合力之平均)，結果如下圖 5 所示，左右力量感測器之訊號與受到的重量之間在 30 公斤內呈現線性相關，由此可知使用感測器收取踩踏力量數據並不會超過踏板承受極限而影響結果。. 圖5. 力量感測器之訊號與重量線性方程式 17.

(28) 二、熱身與騎乘練習利用調整自行車座墊高度，使受試者為標準騎乘姿勢後(軀幹屈曲角度約為 45 度，膝關節於下死點時屈曲角度約於 20 至 30 度)，讓受試者進行 5 分鐘暖身與練習在固定訓練台上騎乘，接著讓受試者熟悉不同踩踏頻率與齒輪比之騎乘，使受試者在正式實驗時能持續進行 15 種不同模式之踩踏騎乘。三、實驗流程本實驗總共會進行 3 種踩踏頻率（60、75、90rpm）與 5 種齒輪比（53/28、53/23、 53/19、53/15、53/12）共 15 個測驗，暖身後會隨機進行騎乘，正式測驗時，每個測驗需進行連續 40 秒之騎乘，踩踏頻率會給予聲音回饋使受試者能維持特定踩踏頻率，每個測驗間會有 3 至 5 分鐘的休息時間，避免長時間連續騎乘導致下肢肌肉疲勞進而對實驗結果造成影響。整體流程如下圖所示。向受試者說明實驗流程及方法，告知受試者權利並填寫受試者同意書. 填寫受試者基本資料. 材料準備與儀器架設和校正. 量測身高、體重，並藉由調整座墊高度使受試者為標準座墊姿勢受試者進行5分鐘之暖身並熟悉正式實驗各種模式之騎乘開始正式實驗，隨機進行3種踏頻與5種齒輪比之騎乘。組間休息3~5分鐘. 確認各項實驗數據確實存檔後結束實驗圖6. 實驗流程圖 18.

(29) 四、數據量測使用 Nexus1.8.2 軟體同步收取 15 種不同模式 40 秒連續騎乘時，三軸力量感測器與測力板所量測之踩踏力量與地面反作用力，過程中如有踩踏不穩定之現象，則會適當增加數據量測時間，使受試者完成連續 40 秒的騎乘才算成功。. 第五節資料處理本實驗所收取數據之擷取頻率，三軸力量感測器與三軸測力板皆為 1000Hz，而 VICON 光點數據則為 200Hz，所有數據會先使用 acqknowledge4.1 軟體進行低通濾波 (low pass filter 10Hz) （低通濾波可以濾掉大部分非踩踏造成之雜訊），並使用 excel 將擷取頻率同步至 200Hz 後進行分析。各項資料之分析如下： (1) 數據分析範圍與擷取分析範圍主要選取每個測試踩踏 20 秒後的 10 個踩踏循環來進行分析，因為前 20 秒可能未達騎乘穩定之狀態，以左右腳各踩踏一下定為一個踩踏循環，總共收取 20 下進行分析。 (2) 三軸力量感測器之數據處理三軸測力計所測得之力量會有三個軸向，然而因為踩踏時踏板並非永遠與曲柄呈現垂直狀態，因此需藉由踏板上所貼的兩個 Vicon 光點之連線與曲柄中心光點之夾角，藉此推出三軸測力計與曲柄之夾角，進而推算原始測力計所測得之上下及前後軸向的資料相對於曲柄的垂直與水平作用力(圖 7)。接著藉由所推得之切線力(有效力)大小去與踏板踩踏合力做比較，進而推算出不同踩踏頻率與齒輪比下的踩踏效率。本研究皆使用踩踏力量在每個循環的最大值與平均值去進行分析(圖 8)，去觀察不同踩踏頻率與齒輪比下，慣用腳踩踏力量的變化。. 19.

(30) 圖7. 踩踏合力與有效力計算示意圖. 圖8. 踩踏力量擷取範圍. (3) 人車系統質心加速度與騎乘穩定性計算騎乘穩定性和人車系統的質心加速度使用 Cain, Ashton-Mille 和 Perkins (2016)在實驗中所使用的方法去進行計算。人車系統質心加速度使用測力板所量測到的人車系統對地面之作用力大小，利用牛頓第二運動定律公式：F = ma，F 為兩塊測力板所受力量值， m 為整個人車系統之質量，進一步推算出整個人車系統的加速度值 a，接著再利用此加速度作為人車系統晃動程度的評估依據，加速度值與踩踏力量值相同，收取加速度變化的震幅進行分析。騎乘穩定性在過去研究中發現可以使用人車系統的橫向軸質心變化(yCOM)與橫向軸壓力中心變化(yCOP)之間的相關性來評估，yCOM 的計算方式可以藉由上述之人車系統橫. 20.

(31) 向質心加速度值二次積分獲得，而 yCOP 的計算公式如下所示，Mx 為測力板前後軸向所受力矩，Fz 為測力板所受垂直作用力。 𝑦𝐶𝑂𝑃 =. −(𝑀𝑥 ) 𝐹𝑧. 藉由計算 yCOM 與 yCOP 之間的相關性，可以對不同踩踏頻率與齒輪比下的騎乘穩定性進行評估。此方法只需使用測力板即可量測到人車系統質心與壓力中心的變化，並且可以有效減少車體質量分佈對人-車系統質心位置計算上的誤差，使我們能更準確地了解整個人-車系統在騎乘時的運動情形。 (4) 數據標準化本實驗由於不同受試者在踩踏力量上有明顯差距，因此需進行標準化，以減少不同個體間的差異，標準化公式使用過去文獻中所使用之方程式(Gouwanda & Senanayake, 2011)，如下所示： 𝐹𝑛𝑜𝑟𝑚(𝑛) =. (𝐹(𝑛)𝑚𝑎𝑥 − 𝐹(𝑛)𝑚𝑖𝑛 ) 𝐹𝑚𝑎𝑥. 𝐹𝑛𝑜𝑟𝑚(𝑛) ：標準化後的力量值、𝐹(𝑛)𝑚𝑎𝑥 ：第. N 個踩踏循環的力量最大值、𝐹(𝑛)𝑚𝑖𝑛 ：第 N. 個踩踏循環的力量最小值、𝐹𝑚𝑎𝑥 ：15 個測試中所收取到之力量最大值。人車系統加速度標準化如上公式，F 值換為加速度值 a，藉由標準化減少個體間差異，使結果不會因不同人而得到不同之結果。. 第六節統計分析使用 SPSS 23.0 軟體，進行雙因子重複量數變異分析（The repeated-measures twoway ANOVA），確認兩項因子間(A 因子：踩踏頻率，B 因子：齒輪比)是否有交互作用，並進行事後比較分析不同踩踏頻率與不同齒輪比間的差異是否達顯著，事後比較使用 bonferroni 法，顯著水準定為α≤.05。. 21.

(32) 第肆章. 結果. 本章節將針對 12 位參與者所收取之數據值進行分析，結果主要分為兩部分呈現：一、不同踩踏頻率與齒輪比下踩踏力量與踩踏效益分析(慣用腳之合力、有效力及踩踏效益分析)；二、不同踩踏頻率與齒輪比下身體晃動程度與騎乘穩定性分析(人體 COM 變化、人車系統 COM 變化與騎乘穩定性分析)。. 第一節不同踩踏頻率與齒輪比下踩踏力量與踩踏效益分析 1.. 踩踏合力分析不同踩踏頻率與不同齒輪比下慣用腳踩踏合力的變化，經過雙因子重複量數變異數. 統計分析後得知最大踩踏合力(F = 1.173, p =0.324 > .05)與平均踩踏合力(F = 0.446, p = 0.89 > .05)在踩踏頻率與齒輪比間交互作用未達顯著水準。慣用腳最大踩踏合力主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 26.326, p = 0.000 < .05) 或不同齒輪比(F = 39.171, p =0.000 < .05)的改變下會影響踩踏合力的最大值。經事後比較發現：不同踩踏頻率下，60rpm 顯著低於 75rpm 及 90rpm；在不同齒輪比下，53/28 與 53/23 顯著低於 53/19、53/15，53/12 顯著高於其他四種齒輪比。表 4 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏合力最大值分析(%). 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 45 ± 16bcfgh. 48 ± 17bcfgh. 54 ± 18bcdeh. 61 ± 20bcdeh. 76 ± 24bcdefg. 75rpm. 48 ± 19afgh. 53 ± 18afgh. 59 ± 21adeh. 69 ± 21adeh. 84 ± 25adefg. 90rpm. 52 ± 19afgh. 55 ± 20afgh. 64 ± 21adeh. 68 ± 22adeh. 88 ± 25adefg. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 22.

(33) 慣用腳平均踩踏合力主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 8.865, p = 0.002 < .05)或不同齒輪比(F = 23.386, p =0.000 < .05)的改變下會影響踩踏合力的平均值。經事後比較發現：不同踩踏頻率下，60rpm 顯著低於 90rpm；在不同齒輪比下，53/23 與 53/19 顯著低於 53/15，53/28、53/23、53/19 與 53/15 顯著低於 53/12。表 5 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏合力平均值分析(%). 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 26 ± 10ch. 28 ± 11cgh. 29 ± 10cgh. 32 ± 11cefh. 38 ± 12cdefg. 75rpm. 28 ± 11h. 30 ± 10gh. 30 ± 11gh. 34 ± 11efh. 41 ± 14defg. 90rpm. 30 ± 11ah. 29 ± 12agh. 32 ± 11agh. 34 ± 12aefh. 41 ± 13adefg. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 2.. 踩踏有效力分析不同踩踏頻率與不同齒輪比下慣用腳踩踏有效力的變化，經過雙因子重複量數變異. 數統計分析後得知最大踩踏有效力(F = 0.870, p =0.545 > .05)與平均踩踏有效力(F = 0.570, p = 0.800 > .05)在踩踏頻率與齒輪比間交互作用未達顯著水準。慣用腳踩踏有效力最大值主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 13.888, p = 0.000 < .05)或不同齒輪比(F = 14.767, p =0.000 < .05)的改變下會影響慣用腳踩踏有效力的最大值。經事後比較發現：不同踩踏頻率下，60rpm 顯著低於 75rpm 及 90rpm；在不同齒輪比下，53/28、 53/23、 53/19 與 53/15 顯著低於 53/12。表 6 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏有效力最大值分析(%). 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 39 ± 15bch. 40 ± 15bch. 44 ± 16bch. 49 ± 17bch. 59 ± 20bcdefg. 75rpm. 41 ± 16ah. 46 ± 17ah. 46 ± 18ah. 54 ± 18ah. 63 ± 20adefg. 90rpm. 46 ± 20ah. 45 ± 17ah. 51 ± 19ah. 52 ± 20ah. 65 ± 19adefg. 23.

(34) a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 慣用腳踩踏有效力平均值主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 1.683, p = 0.209 > .05)或不同齒輪比(F = 31.743, p =0.000 < .05)的改變下，只有齒輪比會影響慣用腳踩踏有效力的平均值。經事後比較發現：在不同齒輪比下，53/28 顯著低於 53/19、53/15 及 53/12，53/23 顯著低於 53/15 及 53/12，53/19 與 53/15 顯著低於 53/12。表 7 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏有效力平均值分析(%). 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 9 ± 4fgh. 10 ± 04gh. 12 ± 5deh. 13 ± 5deh. 18 ± 7defg. 75rpm. 9 ± 4fgh. 11 ± 5gh. 12 ± 5deh. 15 ± 6deh. 18 ± 6defg. 90rpm. 10 ± 5fgh. 11 ± 5gh. 12 ± 5deh. 14 ± 6deh. 19 ± 6defg. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 3.. 踩踏效益分析不同踩踏頻率與不同齒輪比下慣用腳踩踏效益的變化，經過雙因子重複量數變異數. 統計分析後得知在踩踏頻率與齒輪比間交互作用未達顯著水準(F = 1.553, p =0.151 > .05)。慣用腳踩踏效益主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 0.973, p = 0.394 > .05)或不同齒輪比(F = 9.608, p =0.000 < .05)的改變下，只有齒輪比會影響慣用腳踩踏效益的平均值。經事後比較發現：在不同齒輪比下，53/28 顯著低於 53/15 及 53/12。表 8 不同踩踏頻率與齒輪比下之踩踏效益分析(%). 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 34 ± 14gh. 39 ± 13. 41 ± 15. 43 ± 15d. 46 ± 15d. 75rpm. 34 ± 14gh. 36 ± 14. 40 ± 15. 45 ± 15d. 45 ± 14d. 90rpm. 32 ± 15gh. 38 ± 14. 38 ± 13. 40 ± 13d. 47 ± 15d. 24.

(35) a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 第二節不同踩踏頻率與齒輪比下身體晃動程度與騎乘穩定性分析 1.. 身體騎乘晃動分析不同踩踏頻率與不同齒輪比下身體騎乘晃動的變化，經過雙因子重複量數變異數統. 計分析後得知橫向軸(F = 0.740, p =0.656 > .05)與垂直軸(F = 0.668, p = 0.718 > .05)在踩踏頻率與齒輪比間交互作用未達顯著水準。橫向軸晃動程度主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 25.815, p = 0.000 < .05)或不同齒輪比(F = 1.397, p =0.251 > .05)的改變下，只有改變踩踏頻率會影響橫向軸身體晃動程度。經事後比較發現：不同踩踏頻率下，60rpm 顯著低於 75rpm 及 90rpm，75rpm 顯著低於 90rpm。表 9 不同踩踏頻率與齒輪比下之橫向軸身體晃動程度(mm) 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpmab. 8.03 ± 2.25b. 7.53 ± 2.69bc. 7.91 ± 2.99bc. 8.30 ± 2.96bc. 9.29 ± 1.84bc. 75rpmb. 9.59 ± 2.06ac. 9.89 ± 2.84ac. 10.18 ± 3.54ac. 10.59 ± 3.29ac. 11.09 ± 2.85ac. 90rpm. 11.56 ± 2.78ab. 11.98 ± 2.68ab. 11.71 ± 2.93ab. 12.03 ± 3.12ab. 11.81 ± 3.02ab. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05). 垂直軸晃動程度主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 12.631, p = 0.000 < .05)或不同齒輪比(F = 2.424, p =0.062 > .05)的改變下，只有改變踩踏頻率會影響橫向軸身體晃動程度。經事後比較發現：不同踩踏頻率下，60rpm 與 75rpm 皆顯著低於 90rpm。表 10 不同踩踏頻率與齒輪比下之垂直軸身體晃動程度(mm) 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 8.72 ± 1.52c. 8.89 ± 1.26c. 9.22 ± 1.27c. 8.75 ± 1.53c. 9.28 ± 3.18c. 75rpm. 9.71 ± 1.67c. 9.52 ± 1.99c. 9.73 ± 1.94c. 9.57 ± 3.58c. 11.67 ± 3.29c. 25.

(36) 90rpm. 11.06 ± 2.04ab. 10.31 ± 1.74ab. 10.48 ± 2.93ab. 10.05 ± 2.06ab. 12.76 ± 2.93ab. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05). 2.. 人車系統晃動程度不同踩踏頻率與不同齒輪比下身體騎乘晃動的變化，在雙因子重複量數變異數統計. 分析後得知橫向軸(F = 1.138, p =0.346 > .05)與垂直軸(F = 1.462, p = 0.183 > .05)在踩踏頻率與齒輪比間交互作用未達顯著水準。橫向軸人車系統晃動程度主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 82.424, p = 0.000 < .05)或不同齒輪比(F = 18.769, p =0.000 < .05)的改變下會影響橫向軸身體晃動程度。經事後比較發現：不同踩踏頻率下，60rpm 顯著低於 75rpm 及 90rpm，75rpm 顯著低於 90rpm。不同齒輪比下：53/28 顯著低於 53/19、53/15 及 53/12，53/23、 53/19 與 53/15 顯著低於 53/12。表 11 不同踩踏頻率與齒輪比下之橫向軸人車系統晃動程度(m/s2) 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 0.31 ± 0.08bcfgh. 0.37 ± 0.07bch. 0.42 ± 0.07bcdh. 0.45 ± 0.07bcdh. 0.49 ± 0.08bcdefg. 75rpm. 0.42 ± 0.10acfgh. 0.47 ± 0.10ach. 0.54 ± 0.08acdh. 0.56 ± 0.12acdh. 0.69 ± 0.18acdefg. 90rpm 0.60 ± 0.17abfgh. 0.63 ± 0.12abh. 0.72 ± 0.15abdh. 0.74 ± 0.17abdh. 0.92 ± 0.26abdefg. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 垂直軸人車系統晃動程度主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 118.926, p = 0.000 < .05)或不同齒輪比(F = 5.220, p =0.002 < .05)的改變下會影響橫向軸身體晃動程度。經事後比較發現：不同踩踏頻率下，60rpm 與 75rpm 顯著低於 90rpm。不同齒輪比間無顯著差異。表 12 不同踩踏頻率與齒輪比下之垂直軸人車系統晃動程度(m/s2). 60rpm. 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 1.35 ± 0.22bc. 1.27 ± 0.25bc. 1.27 ± 0.22bc. 1.26 ± 0.38bc. 1.34 ± 0.31bc. 26.

(37) 75rpm. 1.96 ± 0.27ac. 1.93 ± 0.35ac. 1.84 ± 0.48ac. 1.62 ± 0.34ac. 2.32 ± 0.95ac. 90rpm. 3.08 ± 0.69ab. 2.79 ± 0.53ab. 2.73 ± 0.79ab. 2.39 ± 0.74ab. 3.04 ± 1.00ab. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 3.. 騎乘穩定性分析不同踩踏頻率與不同齒輪比下身體騎乘晃動的變化，在雙因子重複量數變異數統計. 分析後得知交互作用未達顯著水準(F = 1.484, p =0.175 > .05)。騎乘穩定性主要效果比較如下，不同踩踏頻率(F = 5.925, p = 0.009 < .05)或不同齒輪比(F = 4.254, p =0.005 < .05)的改變下會影響橫向軸身體晃動程度。經事後比較發現：不同踩踏頻率下與不同齒輪比下，騎乘穩定性皆無顯著差異。表 13 不同踩踏頻率與齒輪比下之騎乘穩定性 53/28. 53/23. 53/19. 53/15. 53/12. 60rpm. 0.514. 0.617. 0.666. 0.699. 0.669. 75rpm. 0.483. 0.591. 0.593. 0.619. 0.629. 90rpm. 0.465. 0.567. 0.519. 0.538. 0.602. a.與 60rpm 達顯著差異(p<.05), b.與 75rpm 達顯著差異(p<.05), c.與 90rpm 達顯著差異(p<.05), d.與齒輪比 53/28 達顯著差異(p<.05), e.與齒輪比 53/23 達顯著差異(p<.05), f.與齒輪比 53/19 達顯著差異(p<.05), g.與齒輪比 53/15 達顯著差異(p<.05), h.與齒輪比 53/12 達顯著差異(p<.05)。. 27.

(38) 第伍章. 討論. 由本實驗結果可以發現，一般人在不同踩踏頻率或不同齒輪比下進行騎乘，踩踏力量與騎乘晃動程度皆會產生特定趨勢的變化，針對這些結果，以下分為兩部分進行討論：一、不同踩踏頻率與齒輪比對踩踏合力、有效力、效益的影響。二、不同踩踏頻率與齒輪比對騎乘穩定性的影響。. 第一節不同踩踏頻率與齒輪比對踩踏力量與效益的影響實驗結果經雙因子重複量數變異分析後，發現在不同踩踏頻率與不同齒輪比間交互作用未達顯著，因此以下分開討論在不同踩踏頻率下與不同齒輪比下的踩踏合力、有效力與踩踏效益的變化。在不同踩踏頻率下，最大與平均踩踏合力隨踩踏頻率增加而上升，而有效力只有最大有效力隨踩踏頻率增加上升，在踩踏循環中的平均有效力則不會隨踩踏頻率增加而上升，踩踏效益在不同踩踏頻率間沒有顯著差異，由機械力學的角度我們可以知道，當維持在固定阻力下進行騎乘時，只需固定的踏板切線力(有效力)來維持踩踏循環，當改變踩踏頻率時並不會改變曲柄的阻力，踩踏有效力理論上應為定值，有研究已發現在不同踩踏頻率下，踩踏合力雖然改變，但有效力值幾乎保持不變(Sanderson, 1991)，且下肢肌肉活化程度整體的幅度是保持在相對的定值上的(Kautz & Hull, 1993)，此與本研究結果發現平均有效力隨踏頻增加沒有顯著差異相符合。因此固定阻力下不同踩踏頻率間的踩踏效益取決於合力的大小，對踏板施予的合力越大相對踩踏效益較低，過去研究發現一般休閒騎乘者在踩踏頻率增加時，下肢肌肉(比目魚肌與腓腸肌)會有較高的活化程度(Marsh & Martin, 1995)，此可能導致本研究結果中踩踏合力隨踏頻增加而上升的情形，Neptune 和 Herzog (1999)也發現在低踩踏頻率時踩踏幾乎沒有負向曲柄力矩，而隨著踩踏頻率增加產生激烈的負向力矩，此也可能導致更大的踩踏合力產生。本研究中踩踏合力隨踩踏頻率增加上升，但有效力值不變，踩踏效益理論上應與過去的結 28.

(39) 果一樣下降，但本研究踩踏效益在不同踩踏頻率間無顯著差異，此結果可能是不同的踩踏頻率設定造成，與本研究相比，Sanderson (1991)的實驗中最大踩踏頻率為 105rpm，而 Neptune 和 Herzog (1999)設定的踩頻率則是多了 105rpm 和 120rpm，上述兩篇結果皆是在超過 90rpm 後踩踏效益會有明顯下降，因此可以發現一般休閒騎乘者當踩踏頻率從 60rpm 增至 90rpm，踩踏合力雖然增加，但增加的合力值並不會導致踩踏效益的下降。而在改變齒輪比時，隨著齒輪比增加，踩踏合力、踩踏有效力與踩踏效益皆會增加，在固定踩踏頻率下騎乘，齒輪比加重會增加踩踏時的曲柄阻力，需更多的有效力來維持踩踏循環(Fregly, Zajac, & Dairaghi, 2000)，有研究發現當齒輪比增加時慣性負載在固定踩踏頻率下會增加，因此如果可以增加或維持踩踏頻率，同時增加慣性負載(齒輪比)峰值功率將會上升(Hansen, Jorgensen, Jensen, Fregly, & Sjogaard, 2002)，此與結果隨著齒輪比從 53/28 加重至 53/12 的過程中，踩踏有效力顯著增加相符合。隨者有效力的增加，當踩踏合力維持固定或者增加幅度較有效力少時，便具有較佳之踩踏效益，本研究中踩踏合力隨齒輪比增加有顯著上升，且踩踏效益也顯著增加，過去研究也有發現一般騎乘者在較重阻力下騎乘踩踏效率較佳(Zameziati et al., 2006)，根據本研究結果可以推測一般休閒騎乘者在較重齒輪比(阻力)時，需要施予較大的合力來維持，且此合力中大部分為踩踏有效力，因此踩踏效益增加，一般休閒騎乘者在增加阻力的情況下，為了在給定的踩踏頻率下維持較高阻力的循環，便需要從握把拉力或者減少座墊垂直力來增加施予踏板的力(Costes et al., 2015)，且必須確保此合力方向大部分與踏板曲柄為垂直方向才能有助於維持騎乘，有研究認為隨著踩踏阻力增加，騎乘者會藉由轉換為站姿來增加踩踏力量，而當限制為坐姿騎乘時，騎乘者為了減少肌肉活化成本，便可能基於肌肉優化原則來使增加的踩踏合力大部分用於產生力矩(Watier, Costes, & Turpin, 2017)，進而使踩踏效益增加。由上述可知，對於一般休閒騎乘者而言，在重齒輪比進行踩踏時具有較高的踩踏效益，且 Rylands, Roberts, and Hurst (2017)也認為在較大阻力(齒輪比)下騎乘較能最大程度發揮騎乘者的踩踏效益，因在阻力(齒輪比)較小時，慣性負載相對較小，可能進而限制了騎乘者生產力的能力，此也可能導致踩踏技巧較差的一般騎乘者在踩踏時，合力中大部分的力為非有效力，進而產生過多不必要的能量消耗。 29.