Salaperäinen biomekaniikka ratsastus - ja tasapainottaminen - polkupyörä

Anonim

Ihmiset ovat ratsastaneet polkupyörien kaltaisia ​​koneita lähes 200 vuotta, alkaen Draisine tai "velocipede" vuonna 1817.

Polkupyörän ratsastus ja tasapainottaminen voi tuntua yksinkertaiselta ja vaivattomalta, mutta ihmisen ratsastajan käyttämät todentamisprosessit ovat edelleen hieman mysteeri. Matemaattisten yhtälöiden avulla tutkijat ovat selittäneet, miten pyörä ilman ratsastajaa voi tasapainottaa itseään ja tunnistaa polkupyörän suunnittelun ominaisuudet, jotka ovat kriittisiä sen tapahtuessa.

Pyörän vakautta eli kykyä pysyä tasapainossa on kuitenkin vaikeampi mitata ja kuvata matemaattisesti, varsinkin kun ratsastuskyky voi vaihdella suuresti. Kollegani ja minä toimme asiantuntijoita ja aloittelevia ratsastajia laboratorioon tutkimaan, käyttävätkö heitä eri tasapainotustekniikoilla.

Fysiikka pysyä pystyssä polkupyörällä

Suuri osa polkupyörän tasapainottamisesta liittyy ratsastaja-pyöräjärjestelmän massan hallintaan. Massan keskipiste on piste, jossa koko massan (henkilön ja polkupyörän) voidaan katsoa olevan keskittynyt. Suoran ratsastuksen aikana ratsastajan on aina pidettävä se massakulma pyörien yläpuolelle tai mitä kutsutaan tukipohjaksi - kuvitteellinen monikulmio, joka yhdistää kaksi rengasliitäntää maan kanssa.

Polkupyöräilijät voivat käyttää kahta päästrategiastrategiaa: ohjaus- ja kehonliike suhteessa pyöräilyyn. Ohjaus on kriittinen tasapainon säilyttämiseksi ja polkupyörän liikuttaminen tuovan tukipohjan takaisin massan keskelle. Kuvittele, että luistinosturin tasapainottaminen toisaalta - polkupyörän ohjaaminen vastaa käsiosoituksia, jotka ovat välttämättömiä kypärän pitämiseksi tasapainossa. Ohjaustuloa voi antaa ohjaaja suoraan ohjauspyörän avulla (ohjausvääntömomentti) tai polkupyörän itsetestaavuuden kautta, mikä johtuu siitä, että pyörän ohjain ja rulla on kytketty; polkupyörä, joka on taipunut sivulle (tela), muuttaa ohjauskulmaansa.

Vartalon liikkeet suhteessa polkupyörään - kuten vasemmalle ja oikealle - on pienempi vaikutus kuin ohjauksessa, mutta sallivat ratsastaja tehdä tasapainon korjauksia siirtämällä massan puolelta toiselle puolen suhteessa polkupyörään ja tukipohjaan.

Ohjaus on ehdottoman välttämätön tasapainottamaan polkupyörä, kun taas kehon liikkeet eivät ole; näiden kahden välille ei ole erityistä yhdistelmää tasapainon varmistamiseksi. Perusstrategia polkupyörän tasapainottamiseksi, kuten Karl von Drais (draisine) keksijä, on ohjata ei-toivottuun laskuun.

Aloittelijat vs. ammattilaiset

Vaikka ratsastajat on kuvattu matemaattisten yhtälöiden avulla, yhtälöt eivät ole vielä hyödyllisiä ymmärtämään eri kykyjen tasojen ratsastajia tai tietyn polkupyörän tietyn ratsastajan stabiilisuuden ennustamista.

Tästä syystä kollegoideni tarkoitus ja viimeaikainen työni oli tutkia sekä aloittelevien että asiantuntijaryhmien käyttämiä ohjaustyyppejä ja tunnistaa näiden kahden ryhmän väliset erot. Tutkimuksessamme asiantuntijat ratsastajat tunnistivat itsensä ammattitaitoisiksi pyöräilijöiksi, jatkoivat säännöllisiä ratsastuksia, kuulivat pyöräilyklubiin tai tiimiin, kilpailivat useita kertoja vuodessa ja olivat käyttäneet rullia koulutukseen sisätiloissa. Aloittelijat ratsastajat tiesivät polkupyörällä polkupyörällä, mutta tekivät niin vain satunnaisesti virkistys- tai kuljetuskäyttöä ja eivät tunnistaneet itsensä asiantuntijoiksi.

Teimme kokeilumme liikkeentunnistuslaboratoriossa, jossa ratsalaiset ratsastivat tyypillisen maastopyörän rullille. Rullat rajoittavat polkupyörää etummaiseen suuntaan, mutta sallivat vapaan sivuttaisliikkeen (vasen-oikea). Ne vaativat polkupyöräilijää ylläpitämään tasapainoa polkaamalla, ohjaamalla ja kallistelemalla, kuten ulkona.

Asensimme antureita ja käytimme liiketapasiteettia polkupyörän liikkeen (nopeuden, ohjauskulman ja nopeuden, rullan kulman ja nopeuden) mittaamiseen sekä ratsastajan käyttämää ohjausmomenttia. Telojen alapuolella oleva voimaalusta antoi meille mahdollisuuden laskea massan keskipisteen sijainnin suhteessa tukipohjasta; että päädytään siihen, miten ratsastaja nojautui.

Löysimme, että sekä aloittelija että asiantuntija-autoilijat näyttävät vastaavan tasapainotehon hitailla nopeuksilla. Mutta suuremmilla nopeuksilla asiantuntija-ohjaimet saavuttavat erinomaisen tasapainon suorituskyvyn käyttämällä pienempiä mutta tehokkaampia vartaloliikkeitä ja vähemmän ohjausta. Nopeudesta riippumatta asiantuntija-ohjaajat käyttävät pienempiä ja vähemmän vaihtelevia ohjausintuloja ja vähemmän kehon liikkeen vaihtelua.

Päätämme, että asiantuntijoiden ratsastajat pystyvät käyttämään kehon liikkeitä tehokkaammin kuin uutuusturnaajat, mikä vähentää sekä suurien korjaavien ohjausten että kehon liikkeitä.

Mysteerejä on jäljellä

Huolimatta työstämme ja muiden alan toimijoista on vielä paljon tietoa siitä, miten ihmiset ajavat ja tasapainottavat polkupyöriä. Useimmat tutkimukset, mukaan lukien meidän, ovat rajoittuneet suoraviivaiseen ratsastukseen, joka muodostaa vain murto-osan tyypillisestä polkupyörän ratsastuksesta.

Työmme paljastaa mitattavat erot eri taitotasojen ratsastajien välillä. Mutta niiden merkitys on epäselvä. Ovatko erot uuteen alkuun nousevien ratsastajien riskialttiimpia? Vai eroavatko erot yksinkertaisesti erilaisesta ohjaustyyleistä, jotka hienosäätyvät tuntien ja tuntien harjoittelun aikana?

Ihannetapauksessa haluamme tunnistaa mittaukset, jotka ilmaisevat tasapainon suorituskyvyn, valvontastrategian ja rajan vaaraa reaalimaailmassa.

Tällaisten mittausten avulla voimme tunnistaa ratsastajat, joilla on suuri laskuhäiriö, tutkia, missä määrin polkupyörän suunnittelu voi vähentää laskuriskiä ja lisätä tasapainon suorituskykyä sekä kehittää matemaattisia yhtälöitä, jotka kuvaavat eri taitotasojen ratsastajia.

menu
menu