論鎖鞋套的氣動玄學

來自專欄 開元講堂

Note:本文引自我們的公號「LOCOMO耐力運動研究院」：論鎖鞋套的氣動玄學 | 學術派

在小編的印象中，從三四年前開始，自行車界颳起了一陣氣動旋風。人們不單單滿足於追求更加氣動的車架和輪組設計，轉而開始用空氣動力學將全身武裝起來。彷彿一瞬間，頭盔上的坑坑窪窪被填充抹平，變成了氣動頭盔；有的騎行服有了氣動剪裁和氣動面料；有的鎖踏有了更加氣動的造型；牙盤、剎車、輪胎也紛紛為了氣動改變了設計；甚至某家碼錶架也開始號稱自己可以為車手節省功率……

在這一陣氣動狂潮之下，不少廠家推出了有氣動設計的鎖鞋。有很多玩家也開始投身鎖鞋套的懷抱。那麼，不同的鎖鞋對氣動究竟有多大的影響呢？今天，小編為大家帶來一篇《自行車鞋的空氣動力學效果》，文章原名《Cycling Shoes Aerodynamic》，2010年發表於國際體育工程協會。

所周知，在自行車運動中，絕大多數的騎行功率被用於對抗空氣阻力。對於運動員騎行姿態、頭盔、騎行服等相關因素，很多研究都給出了相應的空氣動力學分析。然而對於鎖鞋的研究與上述研究不同，因為在騎行過程中腳部的活動會導致鎖鞋姿態的改變，因此單一姿態的靜態空氣動力學分析並不具備代表性。

在騎行過程中，鎖鞋相對風的運動主要來自兩方面：1）自行車整體的運動方向；2）車手的踩踏方向。因此，最好的測試方法是讓運動員在真實踩踏的情況下進行風洞測試，然而由於因素眾多而鎖鞋對氣動的影響相對較小，這一測試不一定能夠真正反映鎖鞋的空氣動力學效果。因此，作者選擇製作機械結構模擬鎖鞋的運動。

首先，作者對真實的運動員騎行影像進行分析，測定在一個踩踏周期內，腳踝角度、鎖鞋迎風角度和曲柄角度之間的關係。

之後，作者製作了如下的實驗裝置在真實風洞中進行測試：

在測試中，作者選用了三種鎖鞋設置：

1）一雙使用鞋帶的鎖鞋，將鞋帶繫緊；

2）一雙使用卡扣的鎖鞋，將卡扣鎖緊；

3）在2）的基礎上使用鎖鞋套。

之後，作者採用了15m/s（54km/h）的風速以及108rpm的踏頻設置進行測試。關於空氣密度、踩踏角度、氣動阻力等公式和具體計算方法在此略過，讓我們直接來看測試結果。

讓人驚訝的是，達到最佳氣動效果的竟然是鞋帶式的鎖鞋。而鎖鞋套，非但沒有降低阻力，反而顯著增加了氣動阻力。

以下是每隻鎖鞋在前進方向的阻力、在踩踏方向的阻力和總阻力的對比。可以看出來，在各個方面，使用鎖鞋套都會讓功率增加。對於這個結果，作者的解釋是，使用鎖鞋套增加了鎖鞋的整體迎風面積，而迎風面積對於氣動效果至關重要。

在與測試環境相對應（54km/h）的實際比賽中，車手需要的騎行功率約為500w。結合實驗數據，鎖鞋的氣動效果在這一環境下貢獻了8%的總功率，因而不容小覷。而使用鞋套會增加5w的功率，也就是總功率的1%。這會讓運動員在一場10km的個人計時賽中損失2秒的時間。

開元觀點

這篇論文給出了一個讓人十分意外的結果。氣動鞋套非但沒有減少功率輸出，反而會成為一個累贅。這為愛好者們提了一個醒，並沒有必要盲目地迷信氣動效果，一些在氣動方面的投資可能會產生南轅北轍的效果。

不過，喜愛使用鎖鞋套的朋友們也不必緊張，畢竟這篇研究的實驗條件依然不夠完美，例如沒有考慮到側風的影響，也沒有考慮到自行車上其他組件帶來的擾流。

當氣動科學變成了氣動玄學，糾結一點點氣動效果，還不如喜歡怎麼穿就怎麼穿，畢竟做人，最重要的是開心。