关于踏频

随着自行车运动不断演化，训练方法不断改进，运动器材不断进步，运动员的成绩也得到了提高。但是，自行车运动中有一个因素却相对稳定不变，即训练和比赛时运动员任意选择的蹬踏频率。几乎(没有）教练和训练学家会怀疑顶级的公路车手和铁三运动员选择90±5的踏频，尤其是在平地上。此外，几乎没有任何原因使得教练建议优秀的运动员选择比这高或者低很多的踏频，无论出于科学还是实践原因。因此，本文假设介于85和95 rpm之间的踏频是最佳选择。从科学的角度，有一个很明显的问题摆在我们面前：为什么优秀的运动员会选择这样的踏频，这样的踏频真的是最佳的么？本文的目的是回顾和分析从各种针对最优踏频展开的科研文献，并为最优踏频提供一个可行的跨学科的解释，指出了一些关于自行车手和非自行车手的错误传闻。 　　最通俗的解释认为高踏频的效率更高，即用最低的代价完成同样的任务。不过，Gaesser和Brooks在1975年给出了好几种运动效率的精确定义。他们定义并比较了四种不同的效率度量标准，以便寻找表示人体肌肉效率的最佳方式。      这些效率度量标准分为：一、总效率（gross），人体作功与总能量消耗之间的比率，也就是将化学能转化为机械功的效率；二、净效率(net)，人体作功与运动额外消耗的能量之间的比率，在计算中，消耗的能量中不包含静态情况下人体新陈代谢消耗的能量；三、作功效率（work），即人体作功与无负荷运动消耗的能量之比，此时除了去掉新陈代谢消耗的能量，还需要忽略移动腿消耗的能量；四、增量效率（delta），即功率输出的变化率与能量消耗的变化率之比。 　　Gaesser和Brooks发现，在固定的功率输出情况下，无论采用哪种效率定义，效率都会随着踏频的增加而降低。早期和后续研究都支持这个结论。这些研究的结论表明，仅从效率的角度而言，自行车运动员并不能从高踏频中获益。令人惊讶地是，最高效率的踏频接近50 rpm和60 rpm之间。 　　并非所有的研究都表明当踏频增加时骑行效率降低。例如，Faria等人在1982年发现在低功率输出（140瓦特）时，当踏频从68 rpm升至132 rpm时，总效率由18%降低至14%；但是当输出功率达到290瓦特时，总效率几乎是恒定的，接近22%。因此，在高功率输出时，增加踏频并不会降低骑行效率。为了解释他们的结果与早期研究的不一致性，Faria等人推测这与研究对象的骑行技能有关系。之前的研究通常选择缺乏经验的骑手，这些骑手的肌肉可能尚未适应骑行，当高踏频骑行的时候会消耗额外的氧气。Faria等人选择的是有经验的自行车运动员，他们习惯于高踏频和高功率输出，他们的数据也许对骑行研究更有帮助。很显然，这些研究数据也表明，自行车运动员在高踏频和高功率输出时并不会碍于效率降低。 　　1992年 Sidossis等人重新研究了骑行效率的问题。他们发现在骑行的输出功率占人体最大有氧输出功率的80%（280瓦特）和90%（300瓦特）时，踏频为60、80、100 rpm时总效率基本相同（图一）。但是，当输出功率为50%和60%时，100 rpm的效率远显著地低于60 rpm和80 rpm。这些数据和Faria等人1982年的数据一致，高踏频在高功率输出时和低踏频相比并没有明显的效率差异。不同于1975年Gaesser和 Brooks的数据，Sidossis发现当踏频从60 rpm增加到100 rpm时，增量效率从21%增加到24.5%（图二）。同Faria等人一样，他们认为数据上的区别主要是由于之前的研究使用未经训练的骑手。这些作者认为，增量效率比总效率更适于评价肌肉效率。为了解释踏频增加时增量效率的增加，他们猜测满足指定输出功率的下肢肌肉的收缩速度更接近最大的肌肉效率对应的速度（即，接近肌肉最大收缩速度的1/3）。Faria等人和Sidossis等人都选择了比之前研究更高的输出功率，因此他们的研究数据对于实际的自行车比赛更有代表性。      另一种评价效率的方法是评估在不同踏频时骑行的生理经济性，即考察蹬踏得更快时是否会减少消耗的氧气。生理上最经济的踏频是指消耗氧气最少的频率。事实上也有人认为，尽管外部测量的效率（例如功率）能提供有价值的理论数据，经济性对于车手的表现可能更重要。对缺乏经验或以娱乐为主的车手的研究表明，最经济的踏频介于50 rpm与60 rpm之间，研究一致表明90 rpm 和 100 rpm之间的踏频会导致研究对象消耗更多的氧气。 　　正如Faria（1982）提到，早期对踏频和效率的研究中可能存在潜在的问题，即实验研究没有关注优秀运动员在大功率输出时的表现。因此人们推测有经验的自行车手的表现不同于缺乏训练的车手，即前者在高踏频时更加经济或者说更有效率。1981年Hagberg等人的关键性研究指出这种猜测不切实际，他们选择了有经验的自行车手用自己的车辆在略微倾斜的骑行台上保持20英里的时速进行测试。研究对象按自己偏好的踏频和偏上偏下个两组频率进行骑行。这组对象的平均偏好频率为91 rpm。作者声称当车手在自己的偏好频率附近骑行时，其氧气消耗量、乳酸分泌量及呼吸总量都是最少的。但是，更进一步的分析（也就是计算氧气消耗量和踏频之间的二次方程）揭示了最低氧气消耗量的踏频在70 rpm附近。尽管这比无经验或休闲车手的50 rpm至60 rpm略高，但它还是低于这个组测试人员偏好的踏频，因此无法支持氧气消耗对于踏频选择的重要性。因此，即便是有着多年训练经验的高水平自行车手，也并没能让自己生理结构变得更适应高踏频，以便于节约氧气消耗。 　　最近在Arizona州立大学的研究为上述观点提供了支持。这项研究测试了八个有经验的自行车手在自行车模拟器（Velodyne训练器）上输出功率为200瓦特时的偏好踏频和最经济踏频（Marsh和Martin， 1993）。这组车手的偏好频率为85 rpm，接近Hagberg等人（1981）的研究对象。测量表明最经济的踏频为56 rpm，恰好是过去研究报告结果的中间值。这项研究明确地表明经验丰富的自行车手的偏好频率比消耗氧气最小的频率高不少。 　　过去的研究经常用骑行经验的因素来解释自行车手和非自行车手偏好的踏频之间的区别。Arizona州立大学采集的数据却表明这种观点站不住脚。在他们的研究中，拥有和自行车手相同有氧输出功率的跑步运动员被要求按照自己任意选定的踏频输出200瓦特的恒定功率。出人意料的是，他们选择平均踏频是92 rpm，他们的最经济踏频接近63 rpm，几乎和经验丰富的自行车一样（见图三）。这些数据质疑了多年来关于骑行经验是偏好高踏频的共识。这些数据也揭示了跑步运动员和自行车手之间的存在某些共同点，也许是他们都很强健，也许是因为他们的有氧训练。      虽然跑步是体重耐受的运动（自行车运动是体重得到支撑的），但它与自行车运动有很多相似之处，例如，跑步也是循环重复的，依赖于相同地肌肉提供相对较小但是频繁的力量。这也可以部分地解释两组数据的相似性。但是，在最近的实验室的研究中，增加了未经训练的非自行车手来评估身体素质对踏频的影响，发现身体的强健与否以及是否经过足够的有氧训练的确影响了踏频的选择。研究表明，未经训练的非自行车手选择的踏频比自行车手和经过训练的非自行车手要低一些。并且，未经训练的非自行车手在输出功率增加时，偏好的踏率也降低了，作为对比，自行车手和受过训练的非车手偏好的踏频几乎是不变的。这项研究部分地证实了非自行车手偏好比自行车手低的踏频，同时支持了体质和有氧运动训练对踏频选择的影响。简而言之，骑行经验，就本质上而言，并不是选择高踏频的必要条件，因此应该存在另一个潜在的机理影响所有人对踏频的选择。 　　另一个超出骑行经验的因素是人如何认知目标的难度。有人认为个体对骑行的感觉是选择踏频的重要因素。在选择偏好的频率时，工作的肌肉对外部的感知的影响大于经济性或效率。Ekblom和 Goldbarg在1971年指出，肌肉的张力可能会回馈到中枢神经系统，并影响到对费力程度的认知。简单的说，这个假说认为我们的腿在骑行时的感觉会引导我们选择一个让自己觉得最省力的频率，尽管实际上会消耗更多的氧气。通常使用一个比率来量化个体感觉到的费力程度（Borg，1975）。一些研究用这种方式记录了不同踏频和恒定输出功率情况下人感知到的费力程度，尽管这些研究的重点并不是研究它和踏频之间的关系。Lollgen等人在1975年选择了从40 rpm到100 rpm的踏频和50、100、150、200瓦特的输出功率，并发现感知到的费力程度随着踏频的增加而降低，并在80 rpm和100 rpm之间最小，无论研究对象是经过选练得还是未经训练的。 　　尽管这项研究表明感知到的费力程度可能是踏频选择中的一个重要因素，另一些研究却表明感知到的费力程度并不总在这些踏频出最小化。Stamford和Noble在1974年选择了一组强壮的研究对象在 40、60、80 rpm输出160瓦特的功率。他们发现感知到的费力程度和踏频之间的关系为抛物线关系，并在60 rpm时最小化。Loligen在1980年也发现了两者之间的二次关系，在70%和100% VO2max时对应的最低踏频为65 rpm和73 rpm（图四）。 　　最近Arizona州立大学尚未发表的数据表明，在任意的输出功率下，使感知到的费力程度最小的踏频都在比偏好的踏频低得多，但是比氧气消耗最低的频率略高。这些数据与1986年Coast等人的结论一致。Arizona州立大学的数据还表明感知到的费力程度在 65 rpm与95 rpm之间几乎是不变的，但是在这个区域之外将会急剧增加（例如50 rpm和110 rpm）。因此，中间的踏频对于经验丰富的自行车手和训练充分的非自行车手都是可以接受的，而两端的极端踏频则应该尽量避免。      接下来考虑蹬踏的生理力学，分析骑行时施加到脚踏的力量。一些研究采用了安装在脚踏上的力量传感器来分析踏频和输出功率改变时的蹬踏力量。部分研究表明，当输出功率恒定时，踏频增加时蹬踏的峰值力量会降低。1990年对十一名休闲自行车手的研究中，Patterson和Moreno发现每一圈蹬踏的平均力量在100瓦特和200瓦特时分别在90 rpm和100 rpm时达到最低。有趣的是，研究对象在100瓦特和200瓦特时的偏好踏频分别是94 rpm和98 rpm。这表明当肌肉产生更频繁但较小的力量时不容易疲劳。后面将揭示其中的原理。（译注：这一段莫非是我理解错了？原文用的的确是force，但是必然是踏频越高需要的力气越小啊。） 　　也可以从生物力学的角度来确定最优的踏频。Hull和他的同事选择了生物力学的变量（关节力矩和肌肉应力）而不是生理学变量（例如效率和经济性）。这两个生物力学量是经过精心挑选的。当主动肌和收缩肌群的协同收缩达到最小时（例如，四头肌和掴绳肌腱），关节处力矩的净值对应着完成任务所需肌肉的努力程度。之前的研究认为，在进行竭尽全力的运动中，使肌肉的张力最小化是非常重要的（Crowninshield和Brand，1981）。利用实验数据和下肢的计算机模型，Redfield和Hull在1986年发现当输出功率为 200瓦特时，介于95 rpm和 105 rpm之间的踏频使得臀部和膝盖处的绝对力矩的平均值达到最低。在接下来的研究中，Hull等人于1988年采用了一个更复杂的计算机模型来评估踏频对下肢的十二根肌腱张力的影响。最小化这十二根肌腱张力之和的最佳踏频介于95 rpm和100 rpm之间（图五）。这些研究的重要意义在于揭示了这两个生物力学量的优化与有经验的自行车的偏好频率吻合。这些研究的结论是关节力矩或肌肉张力这两个与肌肉努力程度相关的生物力学量对于偏好踏频的选择可能起着重要的作用。但是，这些模型的有效性是值得怀疑的，数学模型和真实世界的情况毕竟是不同的。无论如何，这些研究很完美地解释了经验丰富的自行车手偏好的踏频，因为在这样的频率下，这两个变量被最小化了（或者说，是最优的）。      为了研究经验丰富的自行车手的偏好较好的踏频，还可以结合生物力学和生理学进行分析，并附带考虑不同踏频下肌肉纤维的信息。简单的说，人体的肌腱中包含数千种肌肉纤维，一些纤维擅长于慢速抽动，而另外一些则适于快速抽动，也有一些介于两个极端之间。慢速抽动的纤维具有较好的有氧忍耐力，而快速抽动的纤维更有力量但容易疲劳。而介于两者之间的纤维比慢速纤维更有力量，同时也不容易疲劳。大块肌腱中的单根腿部神经可以控制 500到一千根同类的肌肉纤维。这些纤维与控制它们的神经被称为一个运动肌单元（motor unit），同一个单元的所有肌肉纤维受到相同的控制，因此会同时收缩。      幸运的是，人体能根据需求自动选择合适的运动肌单元。对于需要较低力量的任务（例如，站立、走动或休闲骑行），人体将主要选择慢速抽动的运动肌单元。当完成任务需要的力量增加时（例如，奔跑，或在公路比赛的终点以四十英里的时速冲刺，或者在山地车上攀登陡坡）时，人体在选择慢速抽动肌单元的同时选择快速抽动的运动肌单元。前面提到过，在恒定输出功率下，蹬踏的力量会随着踏频的增加而降低。按照前面对肌肉纤维的论述，在高踏频时将会有较少的高速抽动运动肌纤维被人体利用。对于自行车骑行，真的是如此么？      以前的研究提到过踏频对运动肌单元利用的影响。一些作者推测高踏频时高速抽动肌纤维很少被选择（例如，Gaesser和Brooks，1975）。许多针对肌肉的研究表明，慢速抽动的肌肉纤维在高踏频下可能无法满足高踏频下的迅速收缩和放松，也就无法提供足够的力量，因此有人据此怀疑高踏频下很少利用高速抽动的肌肉纤维的说法。