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The Biomechanical Question:

Cycling biomechanics: can you improve performance?

By  Dan Feeney     Kate harrison

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要点

• ライディング中のパワーと効率の最大化は正しいタイミングとペダル位置における力をかける方向性によって生まれます。
• 非常に高い出力を維持する必要があるため出力のロスを防ぐように硬くてぴったりとした靴が開発されましたが、これにより長時間のライド中にしびれや知覚異常が生じることがあります。
• バイクとシューズのフィット感をしっかりと微調節することは、何時間も集中して効率を維持するために重要な要素です。

本テーマに関する研究

サイクリストは、空気力学とパワーに深く関心を持っています。これらの2つの要素が実際にあなたの能力の上限を決定するからです。そのパワーは、ケイデンスと、効果的にペダルに伝達する力によって決まります。

自転車に乗車中の力の測定は、R.P. Scottという科学者によって行われた1889年に遡ります。彼は創造性を発揮し、ペダルに力が加えられると紙に描かれる装置を使用しました。図面が大きいほど、力がより大きいことを示します。この初期の技術の欠点は、力の総量を測定することはできましたが、その力がどの方向に加えられたかを知ることができなかったことでした。以降、かなりの年月を経て、今では3次元すべてで力を測定できるようになりました（物理学を思い出してください。力は、力が適用される場所を決定する3つの成分を持つベクトルです）。理想的には、ペダルが動いている方向にできるだけ多くの力を向け、他の方向にはほとんど力をロスにしないようにします。下の図では、Fz方向（ペダルを左右に）に加えられた力は、クランクを動かして自転車を前方に動かすことには伝達されません。

ベクトルとしての力

ほとんどの人は力を運動の感覚と関連付けます。これは確かに真実ですが、このペダルを漕ぐ運動は効率的（力が意図した方向に加えられることを意味します）にもなり、または非効率的にもなります、つまり労力が望まない方向に使われ無駄になります。この場合、Fz方向の力は左右にあり、ペダルの回転には役立ちません。Fyの力は下向きになり、直接ペダルが回転しますが、Fxはペダルの周りを回転し、それもまた有効です。

またほとんどの人は（上画像のような）クリップレスペダルがサイクリングの引き足（アップストローク時にライダーが足を引き上げる動作）に役立つと考えています。これはエリートライダーに当てはまるかもしれませんが、力の大部分はダウンストローク中に生成されます（この記事のプロットを確認してください）。クリップレスペダルがレース中のライダーの疲労感（一定の作業速度でパフォーマンスがどれだけ低下するか）に影響を与えるかどうかを真に調査することはできませんでしたが、ペダルにクリップすることでピーク出力を改善できることはわかっています（詳細は以下を参照）。

力を加えることを考えるとき、力がどの方向に加えられるかだけでなく、それが加えられる場所も考慮する必要があります。ダウンストローク中に臀部、膝、足首が伸びると、シューズの裏とペダルに力がかかります。シューズのこの力の分布は、この力がどれだけ効率的に機能するかに影響を与える可能性があります。力を集中させるのに理想的な位置は、ペダルの正中線、母指球の下です。圧力がつま先またはかかとに向かってシフトすると、この力によって、クランクを回す方向にかかるのではなく、ペダルの周りに回転力が発生します。

生体力学者は人の動きを測定するのが大好きなので、ライディング中の基本的な動きに言及しないなんてことはありません。 走行中にペダルにかかる力は、主に腰、膝、足首の筋肉によって発生します。 ほとんどの場合、自転車に固定されていますが、下肢の関節は、乗車中に矢状面でかなり大きく動きます（つまり、屈曲と伸展）。足首は最大20度、膝は最大75度、臀部で45度です。 ただしこれは経験レベル、ライディングのタイプ（ロードまたはマウンテン）、およびその他の要因によって異なります（この徹底的なレビューをご参照ください）。

ライダーの筋骨格の健常性も、動きのパターンに関して重要な考慮事項です。サイクリングは主にこれらの屈曲/伸展運動に関連付けられていますが、ペダルを踏むたびに発生する膝の左右の運動もあります。この方向への過度の負荷は、最も典型的なサイクリストの膝の負傷を説明するのに役立つ場合があります。シューズはペダルにしっかりと固定する必要がありますが、現代のテクノロジーは、ライダーの関節の不必要な摩耗を制限するために、より「自然な」動きのパターンを通過する足と下腿の自由の必要性に対処し始めています。

最近のサイクリングギア開発

サイクリストはギアが大好きです！ 非対称のチェーンリングや空力ホイールから電動シフトまで、すべての「わずかなゲイン」がパフォーマンスに大きな影響を与えます。他のスポーツと同じように、フィット感がパフォーマンスに与える影響はまだ明確ではありませんが、シューズとペダルのインターフェースがパフォーマンスに大きな影響を与えることはわかっています。

コロラド大学ボルダー校の Rodger Kram教授と彼の学生（Alma Mate）による最近のいくつかの研究は、スポーツの用具的側面に情報を提供するのに役立ちます。まず、 Straw氏とKram氏（2016）は、さまざまなシューズの種類がサイクリングの代謝消費にどのように影響するかを分析しました（特定の出力で乗るのに必要なエネルギー量-耐久性の重要な指標）。サイクリストがフラットペダルにランニングシューズ、つま先クリップ付きのペダル、クリップレスクリートを着用した場合の実験で、消費に違いはありませんでした。しかし、待ってください。落とし穴があります。サイクリストは、50〜150ワットの間に乗ったときにのみテストされました。これは、通勤の設定を決定するのに役立つ情報かもしれませんが、高性能に関心のある人には伝わらないかもしれません。参考までに、ほとんどのエリートサイクリストは、競争力を保つために1時間350ワット以上を維持する必要があります。より多くの科学が必要です！

別の研究では、Burns氏とKram氏（2019）は、より柔軟な靴やつま先クリップと比較して、クリップレスペダルを備えた硬い靴底のサイクリングシューズで最大のスプリントパワーが最大であることを発見しました。これは直感的に理解でき、トライアスリートがランニングシューズでバイクに乗っていない理由を裏付けています（ランニングシューズならトランジションが確実に速くなるですが）。これは、シューズの剛性が耐久性に測定可能な影響を与えない場合でも、最終スプリントにとって重要であることを示唆しています。

その後の研究では、靴底の剛性が異なるサイクリングシューズを比較したため、靴間の剛性の差は、サイクリングシューズとランニングシューズを比較した研究よりもはるかに小さかったことに注意してください。 サイクリングシューズの３つのレベルの剛性の比較で、Hurt氏とKram氏（2020）は、ピーク出力に有意差がないことを発見しました。 ただしこの調査は、ピーク時のパワー出力16ワットの差を検出するために統計的にのみパワーが供給されていました。多くのライダーは、空力ヘルメットの5〜10ワットの空力アドバンテージに数百ドルを支払うのですから、一部のライダーにとっては16ワットはかなり重要です。繰り返しになりますが、これは自転車で行われるほとんどの通勤では問題にならないかもしれませんが、プロレベルでのレースに勝つことの違いかもしれません。これらの研究の結果は、ピークパワーを得るにはシューズの剛性をいくらか高める必要があることを示していますが、ある程度の剛性を超えると収穫逓減のポイントがある可能性があります。

まとめると、ペダルにクリップで留めるサイクリングシューズは、ランニングシューズやつま先のクリップと比較して、より高い出力で利点をもたらす可能性があります。サイクリングシューズのソールの剛性がピーク出力に影響を与えるかどうかは不明ですが、影響を与える場合は、10ワット未満になる可能性があります。現在まで、サイクリングシューズが持久力のパフォーマンスにどのように影響するかを調査した研究は発表されていないので、パフォーマンスフィットラボでこれらのいくつかを計画しています。

サイクリングシューズに含まれる他のテクノロジーの多くは、ウェッジやカスタムインソールなど、パフォーマンスと足の健康のために足全体に圧力を適切に分散させることを目的としています。上で説明したように、力を加える場所（圧力の中心）は、その力がどれほど効果的であるかについて重要な意味を持つ可能性があります。ライダーはしばしば、足の小さな領域に過度に高い圧力がかかることによって引き起こされるしびれ、うずき、痛みを経験します。確かに、高い力を生み出すことは競争の必需品です。したがって、シューズを通してこの均等かつ効果的に 圧力分散するように設計された技術は、現在不可欠であると考えられています。

サイクリングシューズは、ほとんど動きなくフィットするべきです。結果としてサイクリングは私たちのラボにとって真の挑戦です。なぜならあなたの足はライディング中、ぴったり合ったシューズの中でほとんど静止しているからです。これまで、シューズのフィット感の調節可能性が持久力にどのように影響するかに焦点を当ててきました。これはライド中に足が浮腫んだときにフィット感をマイクロレベルで変更できるためです。2021年後半からそれ以降、さらなるパフォーマンス向上につながる。より正式な調査が計画されています。

小売店にとってどのような意味を持つか？

はるか昔、サイクリングショップは、消費者にとって、そして自分たちにとって収益を生み出す機会として、自転車に合うことの重要性を発見しました。高品質のショップは、時間をかけて顧客がどのような乗り方を好むかを理解し、ニーズに合わせて自転車を調整します。バイクのフィット感による乗り心地の向上は信じられないほどです。標準の高さと距離の調整に加えて、専門家によるフィッティングプロセスの一部には、ライダーのフットウェアへの対応が含まれます。これらのショップは、ダウンストローク中に足首と膝を揃えるために、底にシムまたはインソールを追加することでサイクリングシューズをカスタマイズしています。

サイクリングシューズは非常に硬い傾向があるため、フィットシステムはそれほど重要ではないように見えるかもしれません。これは、自分の足に完全に一致するラストの靴を見つけることができるライダーには有効かもしれませんが、私たちのほとんどは、私たちのユニークな足に最も近い靴を見つけようとして立ち往生しています。これは、フィットシステムがすべての違いを生むところです。サイクリングシューズの理想的なフィット感を理解することは私たちにとって重要です。そうすれば、ライダーはペダルを強く漕ぐときに硬いカーボンソールを利用できると同時に、イージーな部分ではフィット感をリラックスできるのです。

アスリートにとって何を意味するか？

外でのライディング中、どのくらいの頻度でダイヤルを締めたり、シューズを緩めたりしますか？多くのグループライドでの観察から、ほとんどのサイクリストは何も考えずにこれら調節を行っているようです。あなたはあなたのシューズがライディングの各瞬間にどのように感じたいかを知っています。長く平らな部分では、緊張を緩めて、タフな登りのためにダイヤルインするまで、より多くの血液循環を可能にすることができます。パフォーマンスに影響を与えるため、ライダーはダイヤルインするでしょうか？　今の段階で明言することは難しいですが、ライダーはより快適で楽しいライディング体験を生み出すことは言うまでもなく、パワー出力と持久力を最適化するためにライド中にフィット感を変えると仮定しています。

最後に

サイクリングシューズは独特の感触を持っています。つまり可能な限り多くのパワーをペダルに伝達するように設計されていることに疑問の余地はありません。多くの最新の発明は、クリップレスペダルからカーボンソールシューズ、空力の改善まで、サイクリングパフォーマンスをサポートします。あなたのシューズのフィットとその調節機能は、持久力のパフォーマンスにとって同じくらい重要かもしれません。
新しいソリューションの設計、開発、テストを継続しながら、結果で世界をアップデートし続けます。

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