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自行车专业骑手 VS 菜鸟骑手,谁的平衡能力更强?
来源 : 科学之家   发布时间 : 2016-03-24 17:20

图片说明:学骑自行车看起来容易做起来难。 图片来源:quanjing.com


自1817年老式脚踏车(最早的自行车)问世以来,自行车一直伴随着人们走过了近200个年头。尽管人们在骑自行车时控制平衡看似毫不费力,但人类究竟如何控制平衡这一机制对科学家而言仍是个谜。此前,研究人员曾利用数学方程成功解释了无人驾驶自行车保持平衡的方式,并确定了自行车为保持平衡所拥有的设计特点。然而,利用数学方法度量和描述人骑车时保持平衡的能力还较为困难,尤其是不同骑手的骑车能力差异显著。为此,美国密歇根大学(University of Michigan)机械工程系的研究人员Stephen Cain及同事以专业骑手和菜鸟骑手为研究对象,研究两者是否使用了不同的平衡技巧。

自行车保持直立的物理原理

保持自行车的平衡在很大一部分上与控制骑手与自行车系统的质心有关。质心是指所有质量(骑手以及自行车)都被认为集中于此的一个假想点,在骑自行车直线行驶时,骑手必须一直把质心集中到轮子上方,即支撑面(连接两个轮胎与地面接触的一个假想多边形)的上方。

自行车骑手主要可利用两种平衡策略:转向,以及与自行车相对应的身体动作。转向对平衡的保持至关重要,这可以让自行车的支撑面移动到质心下方。骑手通过转动车把(转向力矩)就可实现转向,而自行车的自我稳定性也可实现转向,此时由于自行车的转向装置和滚轴联结在一起,所以自行车倾向滚轴一侧时,转向角就会有所改变。与自行车相对应的身体动作所起到的效果则略逊于转向,,比如向左或向右倾斜,但骑手做出相应的身体动作后,可改变与自行车和支撑面相对应的质心,从而保持平衡。

最新研究:菜鸟骑手V.S.专业骑手

Stephen Cain和同事开始进行研究,以便探究出菜鸟骑手和专业骑手控制平衡的通用方式,并找出菜鸟骑手和专业骑手间的不同之处。研究选择的实验对象中,专业骑手非常熟练,他们是自行车社团的成员,定期参加自行车骑行培训,每年参加几次自行车赛,还曾在室内的自行车滚筒骑行台上进行过骑行训练;而菜鸟骑手虽然知道如何骑自行车,但只是偶尔为之,或用于消遣,或将自行车用于代步工具。

研究人员在动作捕捉实验室里展开了实验研究。实验中,骑手在训练滚筒骑行台上驾驶一种典型的山地车。训练滚筒骑行台限制山地车只能在原地前后移动,而山地车的横向(左右)方向则不受到限制。研究人员要求骑行者就像在户外骑车时一样,通过脚蹬、转向和倾斜身体的方式,来保持平衡。

图片说明:实验中,骑手开始在实验室中的训练滚筒骑行台上驾驶安装有测量仪表的自行车。     图片来源:Cain SM, Ashton-Miller JA, Perkins NC (2016) On the Skill of Balancing While Riding a Bicycle. PLoS ONE 11(2): e0149340, CC BY

研究人员还在山地车上安装了传感器,并利用一种动作捕捉系统装置来测量山地车的运动情况,包括其速度、转向角、转向速率、滚转角和滚转速率,以及骑手转向时的转向力矩。利用训练滚筒下方的测力台,研究人员可以计算出与平衡面相对应的质心的横向位置,从而确定骑手身体的倾斜程度。

通过实验,研究人员发现,骑自行车的速度较慢时,菜鸟骑手和专业骑手的平衡能力相似;而当速度较快时,专业骑手的平衡能力略胜一筹,他们的身体动作幅度较小,但效果显著,他们的转向次数较少,幅度也较小。因此,研究人员得出结论:专业骑手运用身体动作的有效性更甚于菜鸟骑手,因此在骑自行车时大幅度转向和大幅度身体动作的次数就会减少。

图片说明:专业骑手知道如何用幅度较小的动作来控制自行车的平衡。 图片来源:dp.pconline.com.cn

这项研究表明,不同水平的骑行者在骑自行车时存在不同之处,这些不同虽可测量出来,但这意味着什么,目前尚未可知。这些不同是否会增加菜鸟骑手撞车的风险?抑或只是反映了控制平衡的不同方式,而通过不断地骑行训练,对平衡的控制就可以提升不少?除此之外,包括此项研究在内的多数研究,针对的只是自行车的直线骑行,而这仅是冰山一角,所以人们仍然需要近一步深入了解骑手是如何保持自行车平衡的。

接下来,研究人员希望确定一些测量方法,以便度量现实生活中自行车骑手的平衡能力、控制策略以及摔倒风险,从而近一步探索出哪种程度的自行车设计可以降低骑手摔倒的风险,增加骑手控制平衡的能力,并制定出用来描述骑手不同骑车水平的数学方程。(科学之家,译审/编辑:YWY)

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