骑行吧

自行车骑行感受背后的科学依据,颠覆尝试性认识

  自行车看起来似乎是一台简单的机器,但是影响其性能的因素却非常多,加上车手在决定哪辆车更好,哪辆更适合自己的时候,又会有非常多的个人因素混杂在其中,就让自行车的真实面貌变得更不清晰了。


  分开来说的话,我们已经对自行车上的各种要素进行过详细的了解。例如,如何更好从车架几何角度上了解自行车的操控性,从而定义出它是否适合自己和自己的骑行风格。自行车设计背后的科学在过去的20年中大跨步发展,为车手提供了很多关于自行车如何运行的数据,很多制造商都为自己的产品制作了手册/说明,以便可以让车手在使用时可以更好的了解其产品的内在。


  虽然这看起来很复杂,但是我们如果换一个角度来看待这个问题,“似乎”又很简单。因为一切的一切都是围绕骑行感受来打造。但是这又是一个神秘的字眼,什么是骑行感受,我们究竟要从性能上考量,还是从舒适性上入手呢?我们对骑行感受的本质了解多少呢?


自行车骑行感受背后的科学依据,颠覆尝试性认识


  在过去很长时间,在决定自行车的骑乘质量时,很多人都会强调车架材质,包括我在内,但是当“研究”不断深入时你会发现,情况并没有那么简单。


  骑行感受如何定义


  对于骑行感受它既可以是一个模糊的概念,也可以是一连串精准但是生涩的描述。一名著名的车架制造商这样描述:


  “我在骑行时经常考虑这样的问题。这就像你给了两位音乐家同一段旋律,其中一个人会觉得很完美,而另一个则会觉得这段旋律让人浑身难受。所以,这是无法定义的,对于自行车来说,也是同样的道理。”


  而另一位担任多家顶级品牌的自行车工程师的描述则会更加的务实:


  “对我来说,骑行感受会在自行车的很多特性上有所展示。包括了操控,刚性,重量,空气动力学性能等等,都会纳入我对骑行感受的考虑中,它们会影响骑行感受,所以都属于骑行感受的一部分,但是对于我来说,有些关键性的指标是我主要考虑的,比如对于震动和颠簸的隔离。”


  第二种观点将会贯穿今天的整篇文章,虽然这种情况会忽略掉很多其他部分,但是通过把一种复杂的情况简单化,会更加的有利于我们看到影响它的真实因素。


自行车骑行感受背后的科学依据,颠覆尝试性认识


  通过研究在真实骑行环境下自行车的震动,可以更加深入的了解骑行感受的特点和车手的体验。


  VELUS是一个专门研究骑行感受的研究团队,该团队已经对骑行感受这一领域研究了十余年。但是他们依然无法肯定的描述骑行感受究竟是什么,因为他们发现,自行车本身的舒适性和它使用时的舒适性是有着重要区别的。


  比如,自行车是否合适或者在静态状态下的舒适性主要取决于车座和车把的位置,以及每个车手可以适应的程度。但是这和骑行感受和动态的舒适程度完全不同,因为这还要取决于震动/能量如何传递给车手。


  好吧,骑行感受在很大程度上是一种主观印象,所以它仍然可以被描述,我们可以把它描述为车手在自行车上负载骑行时所经历的一些列感觉。


  骑行感受的决定因素都有哪些?


  相信不少车手在对自行车对比的时候(无论是同一辆车还是两辆不同的车),都会注意到轮胎和胎压的变化,因为它会给让你产生比较明显得差别。而且即使是像把带上的微小变化也会带来差别。


  除了自行车上的不同,车手也是重要的部分。因此,鞋子,手套和骑行服的影响都不应该被忽视。不仅如此,车手的影响远不止他们的感知,还包括了车手的身高,体重,功率输出,重量分布和骑行位置等等。即使是看似微小的车把角度变化,也会对骑行的感知产生影响。


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  手对震动非常敏感,因此在车头使用避震装置,对于提高自行车骑乘质量是有意义的。


  首先我们先说一下轮胎


  作为自行车和地面的唯一接触位置,说轮胎对自行车的骑行感受有着深远的影响一点都不为过。大多数的车手已经对这一概念有了非常直观地了解,并且很多人也会通过不同的气压或不同品牌的轮胎来改善自己的骑行感受。


  较高的轮胎压力会降低轮胎的滚动阻力,但是这又会降低舒适性,从而影响到骑行的感受。类似的,不同的轮框宽度和不同宽度的轮胎以及不同材质的内胎(对比丁基橡胶和乳胶内胎)的组合也是很重要的。


  根据一些研究结果,100pis的轮胎胎压下,发生10%的变化的影响甚至会比更换一种车架材质来的效果更加显著。这是因为顺应性的变化相比钢架和碳架的差异更大。当然,除了顺应性之外,还有别的影响因素,但是这反应了轮胎压力对自行车的骑行感受的影响程度。


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  对于公路车选手来说,传统上会更加的倾向于高胎压,以期获得更低的滚动阻力,但是过高的胎压往往又会带来更大的震动,这会反过来影响速度。


  车架材质的影响


  常识上人们都会认为不同的车架材质会具有不同的骑行质量。铝合金较为粗糙,钢和钛以舒适著称,而碳纤维因为其阻尼特性而备受追捧。然而,尽管这些概念可能流传已久,但是并没有真正的硬数据可以支持这种观点。


  这其中更重要的原因就是车架的最终尺寸,形状,结构和质量。比如,使用相对较小管径的老式公路车钢架通常会给人带来平滑,安静的感觉,即使是在颠簸的道路上也是如此。相比之下,具有更大管径的现代复合材料的车架则可能会让人感觉更为笨重,路感更为嘈杂,并且会有一种更加独特的骑行体验。


  不过,这种描述通常都是臆想的,主观标签对你的判断影响很大。真实的情况是,80年代的艾迪莫克斯赛车更加的让人难受,而更大管径的铝合金现代公路车也仍然可以提供平稳舒适的骑行体验。显然,可以通过控制材料来影响车架的骑行感受,但是如果你没有亲身体验过,并对其进行测试,就无法判断车架的骑行感受。


  近年来,关于自行车车架的顺应性考虑程快速增长趋势,而这并不是早期宣传的材料优势,而是反应在车架设计上。比如,让碳纤维材质的车架局部产生弯曲,以提供更多的顺应性,提高舒适性。


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  复合材料以其提供的良好顺应性而著称,但是这不是来自材料本身,而是来自于设计的思路。


  自行车的其他部分


  我们对自行车不同部分对骑行感受的影响的理解都是最基本的。大众观点认为,任何较大的部件,(比如轮圈形状,车把口径,坐管口径)如果越硬,则会越不舒服,但是又没有直接的数据来支持这种观点。


  同样,人们认为碳纤维复合材料可以提高坐管,把立和车把等位置的舒适性,但是正如我们下边要讨论的那样,情况并非如此。实际上,一些部件对骑乘质量的影响微乎其微。


  随着市面上的第三方配件的选择增多,最根本的问题是,我们如何来预测新的部件会不会提高我们的骑行质量?


  虽然并没有肯定的回答,但是我们依然可以通过反复尝试来决定选择。近年来对于骑行感受的研究远未完成,但是在研究中还是出现了一些有趣的概念。


  骑行感受研究


  大多数关于骑行感受的研究主要都集中在使用自行车时传递到车把和车座的震动。这种震动可以通过灵敏的应变仪器和速度计测量,但是如果想在真实环境中进行可重复的实验是非常困难的。


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  在VELUS的实验室,他们通过在跑步机上增加循环出现的障碍物来获得可重复的观测。


  VELUS实验小组近十年来一直都在研究关于公路车的振动,并且是这类研究中的权威。通过在“跑步机”上设置突起作为重复变化的地形来监测传递到车把和车座的震动。


  使用这种方法,VELUS研究了不同的车架,前叉和部件(包括不同的材质)对车座和车把震动的影响,然后再为自行车的不同部分建立影响等级。


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  实验期间获得的传导到手变上的数据:底部代表了垂直力,中间代表了加速度,底部代表了功率。跑步机上设置两处靠近的障碍,重复测试三次,通过手变位置上的仪器获得以上图表。


  上图的原始数据看起来就像地震图,其中波峰和波谷都反应了震动的频率范围。任何减少都可以被看作是对舒适性的改善。其中低频区域(<50Hz)更为重要,因为这个频段通常会给人带来不愉快的感受。而高频段(>100Hz)目前还不清楚对车手会带来怎样的影响。虽然VELUS还没有公布详细的对比资料,但是已经有另一项研究结果说明了这种对比是徒劳的。例如,虽然3T的铝合金Ergonova Pro车把传递的震动比碳纤版本更多,但是FSA的碳纤维K-Wing的表现则更像铝合金的Ergonova,而不是碳纤维版本。


  同类型的研究结果还表明,Cervelo的R5ca车架比R3或者Masi Gran Criterium钢架传递的震动更少,Specialized Roubaix前叉比Easton的EC90SL前叉更舒适,和Fulcrum Racing 7相比,Zipp 202的车轮会更为舒适。另一个有趣的结论是,该研究无法确定三种不同类型的把立之间有什么区别(3T ARX Pro , 3T ARX LTD , FSA OS-99 CSI)。


  在这项研究中,该团队尝试了一各种方式记录结果,并发现在车座和手变上吸收的功率是最大的,一个小的突起会向车手的手和臀部传递1.5-4W的功率,而不同部件之间的差异可以达到0.5W。


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  专门的设计“手变”内部有各种仪器,可以测量传到到车手手上的里和加速度。


  车把和前叉对传递到手变上的震动影响最大,而车轮和车架对于车手在车座上的感受更为重要。在手变位置时,车轮对震动的影响较小,而把立没有影响。对于其他部件,比如车座和坐管,由于内部放置了测量装置,所以并没有参与测试。整个测试过程中,轮胎胎压都保持一致。


  该研究项目的结果也和最近的另一项研究的结果相吻合,研究过程要求224名参与者对影响骑行感受的部件进行排序。车座的设计成为最重要的部分,紧随其后的是车架和车把。车轮则被认为不那么重要,并且和脚踏,变速和前叉排名相当。


  虽然这项研究背后还有很多的工作要做,但是从客观和主观的相关性上已经表明,大多数的车手对每个部件对骑行感受的相对重要性都有一个直观地理解,至少在舒适性上确实如此。不过,他们都忽略了车轮的重要性,包括轮胎和胎压。


  显而易见的差异


  我们在上边的讨论中已经提到,车手的感知对整个骑行感受的影响很重要。事实表明,由于不同个体之间的感知阈值差异,每个人对骑行感受也都会略有不同。阈值在这类表述上被形容为“刚刚可以感受到区别”,他被定义为个可以监测到的最小变化。


  VELUS对7名车手进行了轮胎胎压变化的小测试。每位车都都被要求使用安装在跑步机上的自行车骑行一小时,并在跑步机上设置一个突起。在整个测试中,更换具有不同胎压的前轮,以确定每位车手可以重复识别胎压的胎压数值。


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  测试结果表明,个体之间存在广泛地敏感性差异:该组中的一名车手可以识别出大约10psi的胎压变化,而其他人则在30psi或者更高时才有所察觉。


  之后研究小组又进行了更大标本量的研究,但是不是改变胎压,他们使用带有液压震动器的测试台对骑手进行测试。平均下来,参与者可以可靠的确定震动减少15%的变化,并且证明手部比臀部的感觉更加灵敏。


  另外一个有意思的研究结果是,车手的位置会对震动的传递产生较大的影响。相信有过骑行颠簸路况的人都会有这种感受,把手放在下把位或者手腕角度特别大的时候就会让地面反馈的震动感觉更大,这也正是观察小组获得的结果。此外,由于不同的骑乘位置带来的不同骑乘感受,也会反过来影响到轮组对震动的影响,而做出完全相反的判断。


自行车骑行感受背后的科学依据,颠覆尝试性认识


  上图的夹具专门用于车架的疲劳测试和耐久性,但对却无法提供有关骑乘质量的任何有意义的数据,虽然工作起来似乎有那么一点相关。


  最后,当结合了个体之间的显著差异以后,这和上边的独立个体研究之间是存在冲突的,甚至是矛盾的,因为我们发现,我们可以在任何给定的自行车配置上拥有舒适的体验。虽然这一观点还没有证明自行车的其他特征,比如刚性,操控和相应速度等。但是我觉得这些差异也会适应于其他这些要素。


  更加深奥和难以描述的感觉


  关于上述的研究,他们都主要关注了一件事,那就是自行车对地面突起的反应测试。虽然这种方法非常适合从舒适性方面了解骑乘质量,但是还有其他方面对自行车的骑乘质量有影响吗?


  就目前而言,没有哪位自行车工程师可以建造一辆完全符合要求的自行车,即使未来有了技术突破也同样不可能。只要车手可以感知到不同车架,前叉和其他部件的差异,就不会有完美骑行感受的车出现。


自行车骑行感受背后的科学依据,颠覆尝试性认识


  曾经非常强调刚性的自行车,现在已经开始倾向于骑乘质量的真实感受。


  自行车骨子里的魅力所在就是当具有不同特性的部件组合在一起时,就一定会有某种新的印象产生。这种理解非常难以描述,它来自于一种你熟悉的东西,但是你又不能真正的理解它,并且这种变化还在一次次的颠覆你曾经的认识。


  如果把自行车比作一个大型管弦乐团,每个部件都像乐手一样在其中发挥作用,那么车手则像一个容纳乐队的音乐厅,每个人都有自己的声学系统,可以决定音乐最终传达给你的效果。