運動生理週訊(第284期)
自行車運動的最佳踩踏頻率(January.19.2014)
王順正、林玉瓊
自行車道與公共自行車系統的廣泛設置，讓自行車運動 (腳踏車運動) 變成很容易執行、安全的運動型態；近幾年來，自行車運動已經是國人最喜愛的運動型態之一。一般社會大眾在騎乘腳踏車時，除了坐墊位置高低前後位置、標準坐墊位置的設定、把手及龍頭高低、固定式踏板和鞋扣、踏板前後調整、鞋子、衣著 (黃彥霖，2007；運動生理週訊第241期「
室內腳踏車的使用」) 等問題的確認之外，往往還會有一些騎乘腳踏車運動時的疑問，例如參加自行車或鐵人三項比賽時，自行車的踩踏頻率應該多快呢？
Coast, Cox與Welch (1986)以5名自行車選手 (年齡25.4±1.7歲、體重73.0±2.6公斤、VO
2max 65.8±3.3 ml/min/kg) 為對象，受試者隨機在不同時間，重複進行40、60、80、100、以及120 rpm的五種不同踩踏頻率，以85% VO
2max的固定瓦特負荷 (40 rpm時的阻力負荷是120 rpm時的3倍、60 rpm時的阻力負荷是120 rpm時的2倍) 進行30分鐘的自行車運動。研究結果發現，自行車運動的作功效率會隨著踩踏頻率的增加呈現倒U型曲線變化 (運動10分鐘時效率較高、20分鐘時效率較低，但是120 rpm時則20分鐘時的效率較高)，自覺量表 (RPE)、心跳、血乳酸的變化都呈現U型曲線變化 (運動10分鐘時、運動20分鐘時都有類似的結果)。由此可見，針對自行車運動選手進行踩踏頻率的效率與生理反應來看，以80 rpm的踩踏頻率最佳；自行車選手進行高強度的運動競賽時，踩踏頻率高低的選擇會影響比賽結果。
Coast, Cox與Welch (1986)
Coast與Welch (1985) 的研究，以Coast, Cox與Welch (1986) 研究的相同受試者，進行5個不同固定負荷 (100、150、200、250、300 watts) 下，分別採用5個不同踩踏頻率 (40、60、80、100、120 rpm) 的生理反應實驗，研究發現攝氧量 (右側左圖)、心跳率 (右側右圖) 在不同踩踏頻率時會有U型曲線現象，U型曲線的最低點就是最佳踩踏頻率；而且，隨著踩踏負荷的增加，最佳踩踏頻率也逐漸增加。Foss與Hallen (2004) 則以6名自行車選手為對象，所有受試者皆接受0、200、275、350 watts的4個不同踩踏頻率 (60、80、100、120 rpm) 測驗，只有3名受試者接受50、125 watts的4個不同踩踏頻率測驗，研究結果發現0 watts的最佳踩踏頻率為60 rpm、350 watts的最佳踩踏頻率為80 rpm；這篇研究再度證實運動負荷提高，最佳踩踏頻率也會隨著增加。
除了採用固定負荷下、不同踩踏頻率的運動測驗可以評量最佳踩踏頻率之外，Moseley與Jeukendrup (2001) 採用漸增負荷的測驗方法 (以60 watts開始，每3分鐘增加35 watts的方式、踩踏頻率為80 rpm運動到衰竭) ，進行17名自行車選手的 (踩踏頻率80 rpm) 的運動效率 (GE% = 負荷 (watts)/能量消耗(J/s)) 、運動經濟性 (負荷(KJ)/攝氧量(L)) 研究；左圖即是80 rpm條件下、總效率與負荷的關係圖，由圖中的資料可以看出，80 rpm的最佳效率約在250 watts時出現。Candotti等 (2009) 則採用隨機不同踩踏頻率 (60、75、90、105 rpm) 的測驗、每個踩踏頻率接近5分鐘的運動測驗，透過攝氧量監控在約低於無氧閾值5%的生理反應，進行自行車選手 (8名受試者) 與鐵人三項選手 (9名受試者) 不同踩踏頻率運動經濟性 (Ecoomy, P/VO
2) 的比較，研究結果顯示自行車選手比鐵人三項選手有更高的自行車運動效率 (下表)。這種僅運動5分鐘左右的最佳踩踏頻率評量方式，顯示自行車選手以60 rpm的運動效率最高、鐵人三項選手則是除了105 rpm以外，其他踩踏頻率 (60、75、90 rpm) 的運動效率幾乎相同 (沒有最佳踩踏頻率) 。由此可見，運動時間的長短可能是影響腳踏車選手最佳踩踏頻率的重要條件。
自行車與鐵人三項選手的運動經濟性比較 (Candotti等, 2009)
Brisswalter, Hausswirth, Smith, Vercruyssen與Vallier (2000) 以10名鐵人三項選手為對象，進行80% 最大作功負荷 (maximal power with VO
2max, Pmax) 的6次不同踩踏頻率 (50、65、80、95、110 rpm) 測驗30分鐘，紀錄第3-6分鐘、第25-28分鐘的攝氧量，進行兩個不同運動階段的最佳踩踏頻率 (能量消耗最低) 評量，研究結果發現在運動的初期 (第3-6分鐘) 最佳踩踏頻率為70±4.5 rpm，運動的後期 (第25-28分鐘) 最佳踩踏頻率為86±6.2 rpm。也就是說，儘管採用固定的運動負荷 (80% Pmax) 進行自行車運動，在運動的初期 (5分鐘左右) 最佳踩踏頻率較低 (約70 rpm左右)，在運動的後期 (25-30分鐘左右) 最佳踩踏頻率較高 (約85 rpm左右)。
Sarre與Lepers (2005) 則以11名至少訓練4年以上的自行車與鐵人三項選手為對象，受試者進行最大作功負荷 (Pmax = 382±43 Watts) 測驗之後，分別以3個不同踩踏頻率 (50、110、自選頻率(87.9±11) rpm) 進行65% Pmax的負荷運動各60分鐘，分析運動過程的第5分鐘、第60分鐘的攝氧量以及股外側肌 (vastus lateralis, VL)、股直肌 (rectus femoris, RF)、腓腸肌外側 (gastrocnemius lateralis, GL)、以及肱二頭肌 (biceps femoris, BF)的肌電反應變化；研究結果發現運動時間增加會改變肌電的均方根值 (root-mean square, RMS)、平均功率頻率 (mean power frequency, MPF)，也會造成長時間運動時的攝氧量產生變化，第5分鐘 (圖中的實心點曲線) 時以50 rpm的攝氧量最低，第60分鐘 (圖中的空心點曲線) 則以自選踩踏頻率 (87.9 rpm) 的攝氧量最低。
Vercruyssen與Brisswalter (2010) 整合文獻的研究結果發現，自行車選手與鐵人三項選手在不同時間 (30、75、120分鐘) 的自行車運動時，運動員自選的踩踏頻率有隨著運動持續時間增加，逐漸降低踩踏頻率的狀況 (下面左圖)。根據Stebbins, Moore與Casazza (2014) 針對8名男性自行車運動選手，以50、65、80% VO
2max強度，分別進行80、100 rpm的踩踏頻率的自行車運動180分鐘；研究結果顯示80 rpm踩踏頻率的運動效率顯著優於100 rpm，以80 rpm踩踏頻率進行最大動力測驗的結果，顯著大於100 rpm踩踏頻率測驗結果9.7% (下面右圖)。由此可見，自行車選手往往會以較高 (高於85 rpm) 的踩踏頻率進行比賽，可是實際由能量消耗所評量的最佳踩踏頻率往往會較低一些。
Vercruyssen與Brisswalter (2010)、Stebbins, Moore與Casazza (2014)
有關自行車運動的最佳踩踏頻率評量方面，不管是以固定作功負荷、進行不同踩踏頻率的最佳效率評估，或者是以幾個固定踩踏頻率的漸增負荷測驗，都可以獲得最佳踩踏頻率的評量結果；但是，如果是相同的一批受試者，進行兩種最佳踩踏頻率的評量結果是否會有差異？仍然需要進一步的釐清。一般來說，當自行車運動的負荷增加時，最佳踩踏頻率 (以能量消耗為基準) 會提高；自行車運動初期 (15分鐘以內) 的最佳踩踏頻率 (55-65 rpm)，會顯著低於30-60分鐘時的最佳踩踏頻率 (80 rpm，運動時間較長時最佳踩踏頻率會增加)，也會顯著低於自行車運動選手自選的踩踏頻率 (80-100 rpm) (Vercruyssen & Brisswalter, 2010)。
為了能夠在運動競賽中透過踩踏頻率的調整，獲得更好的運動競賽成績，每一位自行車或鐵人三項的優秀選手，都應該接受最佳踩踏頻率的實驗室評量，進而透過理論與實際的交互調整，進一步獲得最佳的運動競賽表現。
引用文獻
黃彥霖 (2007)。室內腳踏車的使用。運動生理週訊，241，網址http://www.epsport.net/epsport/ week/show.asp?repno=241
Brisswalter, J., Hausswirth, C., Smith, D., Vercruyssen, F., & Vallier, J. M. (2000). Energetically optimal cadence vs Freely-chosen cadence during cycling: effect of exercise duration. International Journal of Sports Medicine, 21(1), 60-64.
Candotti, C. T., Loss, J. F., Bagatini, D., Soares, D. P., da Rocha, E. K., & de Oliveira, A. R. (2009). Cocontraction and economy of triathletes and cyclists at different cadences during cycling motion. Journal of Electromyography and Kinesiology, 19, 915-921.
Coast, J. R., Cox, R. H., & Welch, H. G. (1986). Optimal pedalling rate in prolonged bouts of cycle ergometry. Medicine and Science in Sports and Exercise, 18(2), 225-230.
Coast, J. R., & Welch, H. G. (1985). Linear increase in optimal pedal rate with increased power output in cycle ergometery. European Journal of Applied Physiology, 53, 339-342.
Foss, O., & Hallen, J. (2004). The most economical cadence increases with increasing workload. European Journal of Applied Physiology, 92, 443-451.
Moseley, L., & Jeukendrup, A. E. (2001). The reliability of cycling efficiency. Medicine and Science in Sports and Exercise, 33(4), 621-627.
Sarre, G., & Lepers, R. (2005). Neuromuscular function during prolonged pedalling exercise at different cadences. Acta Physiology Scand, 185, 321-328.
Stebbins, C. L., Moore, J. L., & Casazza, G. A. (2014). Effects of cadence on aerobic capacity following a prolonged, varied intensity cycling trial. Journal of Sports Science and Medicine, 14,
http://www.jssm.org/inpres/2920/2920pdf.pdf
Vercruyssen, F., & Brisswalter, J. (2010). Which factors determine the freely chosen cadence during submaximal cycling? Journal of Science and Medicine in Sport, 13, 225-231.
