基于摩拜單車蹬踏體驗(yàn)探究其鞍座高度的合理性

（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南市，250000） 付 可

1 引言

共享單車的興起，攜互聯(lián)網(wǎng)分享精神和新經(jīng)濟(jì)潮流席卷全國(guó)，為城市人口解決了“最后一公里”出行問(wèn)題，也解決了很多城市有樁式單車借還車受限，手續(xù)繁瑣等不便；同時(shí)共享單車倡導(dǎo)綠色出行、符合低碳出行的理念。作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的產(chǎn)物，共享單車有著明顯的時(shí)代特征，對(duì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步有著積極的推動(dòng)作用[1]。

共享單車是為了解決城市出行“最后一公里”的難題，因此用戶的蹬踏體驗(yàn)是影響共享單車硬件設(shè)計(jì)的重要因素。共享單車的騎姿是由用戶與自行車的尺寸、把手、鞍座以及腳踏板的相對(duì)位置來(lái)決定的。用戶的手、臀部、腳在車上的相對(duì)位置決定了騎行的舒適度和效率。

以市區(qū)投放的摩拜單車為樣本進(jìn)行探究。摩拜單車因車架小、實(shí)心輪胎等其舒適度有限。因其主要是為了解決短途交通出行，非運(yùn)動(dòng)、休閑騎行；可以調(diào)節(jié)鞍座高度，讓用戶在騎行中身體各部分盡量處于自然狀態(tài)，從而提高騎行效率、降低危險(xiǎn)發(fā)生幾率，更好的解決“最后一公里”的出行問(wèn)題。

本文基于用戶的蹬踏體驗(yàn)，從物理學(xué)的角度出發(fā)、淺析蹬踏運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各部位受力情況，探究鞍座、肢體、曲柄腳踏等因素之間的聯(lián)系，為用戶選擇摩拜單車提供一些建議，助力綠色出行。

2 探討單車蹬踏過(guò)程受力情況

鞍座的高度是指鞍座管延長(zhǎng)線與鞍座上表面的交點(diǎn)到中軸中心的距離（AD）。鞍座高度與立管傾角一起,確定了鞍座相對(duì)于中軸的位置。也確定了騎車人下半身的姿勢(shì),支配著自行車的出力性能。如圖1所示，騎行時(shí)人的上體幾乎靜止，大腿在（B1～B2）范圍內(nèi)擺動(dòng)，腳繞軸心D做圓周運(yùn)動(dòng)、帶動(dòng)小腿（BC）運(yùn)動(dòng)。

圖1

由此，騎行摩拜單車可以簡(jiǎn)化為一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu),車身為機(jī)架,曲柄腳踏板為曲柄（能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)），小腿相當(dāng)于連桿,大腿相當(dāng)于搖桿（擺動(dòng)），是以搖桿為主動(dòng)件的曲柄連桿機(jī)構(gòu)[2]。

在騎行蹬踏中,搖桿AB大腿為主動(dòng)件,曲柄CD腳踏板為從動(dòng)件,當(dāng)連桿BC小腿和腳踏板處于同一直線上,搖桿AB大腿經(jīng)連桿傳給曲柄CD的力F通過(guò)中軸中心D。

假定人的腳掌的蹬踏方向垂直向下，腳蹬所受到的蹬踏力點(diǎn)F分為與曲柄垂直的f2=Fsinθ、和沿曲柄軸線的f2=Fcosθ兩個(gè)分力。當(dāng)人的小腿BC與曲柄DC出于同一直線上時(shí)（圖1中C1和C2點(diǎn)），蹬踏力F通過(guò)中軸軸心，此時(shí)θ=90°，f2=Fcos90°=0，因此力矩M=?2×d也為零，蹬踏力F不做功，因此在設(shè)計(jì)曲柄時(shí)，不能將兩腳的位置同時(shí)處于圖1中C1和C2位置上。此外，通過(guò)腳踏板受力分析可知要提高騎行效率，腳的用力方向應(yīng)盡量與曲柄垂直。

3 實(shí)例分析與探究

蹬踏過(guò)程中在保證各關(guān)節(jié)舒適度的同時(shí)，對(duì)單車曲柄進(jìn)行有效控制，是判斷鞍座高度是否合理的關(guān)鍵因素。

首先我們假設(shè)腳和軀干均為剛性結(jié)構(gòu)，在圖1曲柄連桿機(jī)構(gòu)中,大腿AB，小腿BC，曲柄DC以及鞍座到曲柄軸心距離AD分別為L(zhǎng)1、L2、L3、L4。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，摩拜單車的曲柄長(zhǎng)度：18cm。與自行車騎乘相關(guān)的人體膝關(guān)節(jié)舒適角度β：60°～130°[3]。當(dāng)曲柄DC與小腿BC共線時(shí)，膝關(guān)節(jié)取最小值β=60°，根據(jù)公式:

可求出L4最小值；當(dāng)曲柄DC與AD共線時(shí)，膝關(guān)節(jié)取最大值β=130°，根據(jù)公式:

可以求出L4的最大值。

在濟(jì)南市區(qū)不同的摩拜單車存放點(diǎn)收集騎行者比較有代表性的身高及腿部測(cè)量數(shù)據(jù)的同時(shí)，選取摩拜單車三種代表性的車型進(jìn)行了鞍座到曲柄軸心距離L4的測(cè)量。車型一為57cm；車型二為57cm～63cm；車型三為52cm～62cm。通過(guò)在濟(jì)南市區(qū)摩拜單車不同存放點(diǎn)收集信息，獲取有代表性的身高及腿部數(shù)據(jù)，匯總出五組身高數(shù)據(jù)（每組10人平均值）男士：身高175cm，L4最小值61.56、最大值73.64；身高180cm最小值62.87、最大值76.17;女士：身高160cmL4最小值55.53、最大值61.68；身高165cm L4最小值58.80、最大值68.38；身高170cm L4最小值60.89、最大值72.10。

基于以上理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析對(duì)比結(jié)果顯示、實(shí)際尺寸合理性：車型A女士身高160cm符合；車型B女士身高160～170cm基本符合、于男士175～180cm略短；車型C于男士175cm略短、于女士身高160～170cm基本符合。

據(jù)數(shù)據(jù)分析早期濟(jì)南市區(qū)投放的摩拜單車適用人群范圍較小，高于165cm人群的騎行舒適度會(huì)隨著身高的遞增而降低；后期投放的摩拜單車（車型B）座椅可調(diào)節(jié)范圍大，基本上可以與大部分人的身高匹配；C車型的摩拜單車雖然座椅也可以調(diào)節(jié)，但是相對(duì)于車型A可調(diào)節(jié)范圍比較小，座椅高度的局限性得到改善，但是適用人群范圍仍然有限。以上分析對(duì)比得出車型B設(shè)計(jì)最合理，但是實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，該車調(diào)節(jié)座椅高度過(guò)程中摩擦系數(shù)過(guò)大、調(diào)節(jié)“費(fèi)勁”，希望在以后的單車升級(jí)中改進(jìn)。

4 總結(jié)

本文結(jié)合蹬踏過(guò)程中的人和車的因素，綜合運(yùn)用物理，數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，對(duì)不同型號(hào)摩拜單車的鞍座高度調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行了分析，指出了不同型號(hào)摩拜單車鞍座設(shè)計(jì)的不合理性，初步總結(jié)出鞍座高度與人體身高之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借此為大家以后使用摩拜單車綠色出行提供一些小的幫助，提升騎行的舒適度。