Новое в системе спортивной подготовки велосипедистов-шоссейников: отечественный и зарубежный опыт (стр. 17 )

B Происхождение неизвестно. Вероятно, была включена в систему привода велосипеда в 1860 г.

C Применялась в качестве эталона при сравнении с некруглыми звездами

D Увеличение расстояния между осью педали и центром педали на 1,8 см. Уменьшение высоты от оси педали до поверхности педали на 2 см. 

Из представленных в таблице данных можно видеть, что различные конструкции передних звезд некруглой формы и модификации узла соединения педали с шатуном были предназначены для оптимизации различных переменных (напр., крутящего момента) на основе изменения соотношения между большой и малой осями передней звезды или расстояния между педалью и кареткой (с помощью узлов соединения педали с шатуном). Угол шатуна относительно большой оси также может оказывать влияние на крутящий момент, создаваемый силой сопротивления, как показано на рисунках 1 и 2. Сила сопротивления представляет собой сумму силы лобового сопротивления, несущей способности, силы качения и инерционной силы, которые действуют на велосипед и передаются на шатун через систему передач и цепь.

Рисунок 2 - Изображение некруглой передней звезды Biopace, разработанной в целях увеличения момента плеча в положении близком к расположению стрелки на циферблате в 3 часа (3-часовое или крайнее правое положение). Ma – плечо силы, действующей на некруглую переднюю звезду, RF – сила сопротивления, PF – сила, прилагаемая к педали

На рисунке 2 можно видеть, что главные оси передней звезды находятся ближе к крайнему правому и крайнему левому положениям (3- и 9- часовым положениям) в отличие от конструкции, представленной на рисунке 1, на котором главные оси находятся в непосредственной близости от 12- и 6- часового положения, то есть крайней верхней и крайней нижней позиции при одном и том же положении шатуна. В зависимости от профиля прилагаемой к педали силы, как показано на рисунке 3, когда максимальное толкающее усилие прилагается к педали при угле шатуна около 90° (3-часовое положение шатуна), обе эти овальные передние звезды могут приводить к получению разных результатов. Более высокая величина плеча силы для овальной звезды, показанной на рисунке 1, может потребовать приложения большей силы к педали для сохранения аналогичного крутящего момента, чем для овальной звезды, изображенной на рисунке 2. 

В теории эффективность каждой системы передних звезд можно оценить в зависимости от того, насколько положение главных осей будет способствовать увеличению плеча силы сопротивления в момент нахождения педали в положении, близком к углу шатуна, при котором достигается пиковая сила, прилагаемая к педали (3-часовое положение). Таким образом, увеличение плеча силы сопротивления может приводить к увеличению крутящего момента, создаваемого силой сопротивления, и потребовать приложения большей пиковой силы к педали при установленном уровне рабочей нагрузки. 

При применении круглой передней звезды мгновенная скорость шатуна варьирует в пределах ±22% при средней частоте педалирования 90 об/мин, что объясняется бoльшим количеством внутренней работы. Следовательно, увеличение оси передней звезды в областях с более низкой скоростью вращения педали (напр., в 3-часовом положении) приводит к более плавному изменению  мгновенной скорости шатуна и к меньшей величине внутренней работы. Поэтому некоторые звезды некруглой формы конструировались таким образом, чтобы способствовать увеличению равномерности крутящего момента, что становится причиной создания более низкого пикового крутящего момента (как на модели, показанной на рисунке 1). В центре внимания разработчиков других передних звезд находилось сокращение времени прохождения через верхнюю и нижнюю мертвые точки (в 12- и 6-часовом положении, соответственно) (напр., система Rotor), поскольку в данных областях вращения педали к ней прилагается малая сила. Система Rotor включает круглую переднюю звезду, снабженную расцепляющим механизмом, который разъединяет шатуны в 12- и 6-часовом положении путем выдвижения ведущего шатуна вперед относительно противоположного шатуна. Таким образом, одни системы разрабатывались так, чтобы уменьшить оси в верхней и нижней мертвых точках, другие предусматривали механическое разъединение шатунов в этих областях вращения педали. Целью создания еще одной системы (Pro-Race) послужило увеличение оси в 3-часовом положении и уменьшение оси в 9-часовом положении. Эта последняя система предназначена для снижения тормозного момента, который создается прилагаемой к педали силой во время фазы возврата (от 6- до 12-часового положения шатуна), однако, до сих пор еще не было получено данных, подтверждающих эту гипотезу. В связи с тем, что данные системы предусматривали оптимизацию разных переменных (напр., сокращение внутренней работы или снижение крутящего момента шатуна), не было выяснено, какое влияние они могут оказывать на биомеханические и физиологические характеристики и показатели результативности. Остается неясным, следует ли при разработке передней звезды некруглой формы стремиться к увеличению плеча силы сопротивления в 12-часовом положении шатуна в целях улучшения крутящего момента силы сопротивления (как в образце звезды на рисунке 1) или же следует снизить плечо силы сопротивления в 3-часовой позиции в целях уменьшения внутренней работы и пикового крутящего момента шатуна (как показано на рисунке 2).

Рисунок 3 - Результирующая сила, прилагаемая к правой и левой педалям как функция угла шатуна. Неопубликованные данные 4-километрового контрольного теста на время, выполняемого конкурентоспособным велосипедистом на стационарном велоэргометре с круглыми передними звездами

При разработке конструкций, основанных на модификации длины шатуна и узлов соединения педали с шатуном, следует иметь в виду, что увеличение длины шатуна в его 3-часовом положении и сокращение длины шатуна в 9-часовом положении может приводить к увеличению выходной мощности.  Именно эта цель преследовалась при разработке новых конструкций узлов соединения педали с шатуном Zamparo et al. и Koninckx et al. и системы, оценка которой выполнялась  Shan, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - Иллюстрация более короткого (Ma1) и более длинного (Ma2) плеча силы на шатуне в результате применения нового узла соединения педали с шатуном (PF2) по сравнению со стандартным узлом (PF1)

В результате применения систем, разработанных Zamparo et al. (2%) и Koninckx et al. (8%), удалось повысить экономичность/КПД (отношение между механической работой и энергозатратами), что позволяет предположить положительный эффект сокращения длины шатуна в 9-часовой позиции благодаря снижению момента сопротивления на шатуне. 

Таким образом, изменения в характеристиках передних звезд варьируют во вновь разработанных конструкциях от изменения в длине шатуна в 3- и 9-часовых позициях до изменений в плечах силы сопротивления. Предполагается, что конструкции передних звезд некруглой формы должны способствовать снижению плеча силы сопротивления в крайней правой (3-часовой) позиции, которое, в свою очередь, приведет к уменьшению величины внутренней работы и пикового крутящего момента шатуна (напр.,  образец на рисунке 2). 

Влияние модификаций узла соединения педали с шатуном или применения передних звезд некруглой формы на биомеханические переменные. 

Как можно предположить на основе теоретической конструкции овальной звезды, представленной на рисунке 1, увеличение длины оси в 12-часовом положении шатуна может привести к увеличению плеча силы сопротивления при нахождении педали в 3-часовой позиции, что потребует приложения к педали большей силы при заданном уровне рабочей нагрузки. Более высокое плечо силы может также достигаться за счет снижения мгновенной скорости педали в данном положении шатуна, что может оказывать влияние на кинетические и кинематические характеристики суставов и активацию мышц нижних конечностей. Другой способ, основанный на увеличении длины шатуна, который применялся при разработке опытного образца Zamparo et al., способствует увеличению плеча силы, прилагаемой к педали при ее нахождении в 3-часовой позиции. C другой стороны, согласно наблюдениям Shan система “Bike saver” приводила к  проявлению более короткой длины шатуна между его 12- и 3-часовой позициями вопреки преследуемой производителем цели. Следовательно, конструкция данной системы обеспечивает уменьшение длины шатуна в его 9-часовом положении и/или увеличение длины шатуна в 3-часовом положении. Еще одна возможность повышения эффективности педалирования заключается в сокращении осей передних звезд в 12- и 6-часовых положениях, в то время как шатун находится в 3-часовом положении, как показано на рисунке 2. Эти изменения могут приводить к уменьшению момента сопротивления на шатуне в его 9-часовом положении, сокращению колебаний угловой скорости шатуна и снижению действующей на велосипедиста силы сопротивления. 

В центре внимания ряда исследований находилось влияние передних звезд некруглой формы или различных узлов соединения педали с шатуном на кинематические характеристики суставов. При применении модифицированного узла соединения педали с шатуном Shan наблюдал повышение амплитуды движения в голеностопном суставе по сравнению с применением обычного узла. Данное увеличение амплитуды движения в голеностопном суставе может быть объяснено сокращением длины шатуна между его 12- и 3-часовой позициями.

В результате использования системы Rotor, которая была разработана в целях сокращения времени, затрачиваемого при 12-часовом положении шатуна, у пяти велосипедистов, выполнявших педалирование при рабочей нагрузке 300 Вт, было зарегистрировано увеличение амплитуды движений в голеностопном (10%), коленном (21%) и тазобедренном (14%) суставах. В ходе проведения еще одного исследования, в котором принимали участие 15 профессиональных велосипедистов, выполнявших тест на педалирование с применением системы Rotor при рабочей нагрузке на 10% ниже анаэробного порога, было выявлено увеличение амплитуды движений на 30% в голеностопном суставе и на 5% в коленном суставе. Эти результаты объяснялись возможным увеличением эффективной длины шатуна благодаря применению системы Rotor без предоставления дополнительной информации о механизме данного увеличения. При применении некруглой передней звезды с главной осью в 12-часовом положении (как на рисунке 1) у не занимающихся велоспортом субъектов исследования, выполнявших педалирование при постоянной рабочей нагрузке, не было обнаружено различий в углах тазобедренного, коленного и голеностопного суставов по сравнению с применением круглой передней звезды.