楊 斌

兒童青少年運動健身器材調節(jié)尺寸分析
——健身車、跑步機

楊 斌

本研究以兒童青少年身體形態(tài)特征及人體工程學理論為基礎，通過對兒童青少年身體形態(tài)進行測量，分析兒童青少年運動健身器材結構大小調節(jié)尺寸參數標準，使健身器材在結構尺寸上達到兼顧不同年齡段兒童青少年適用。根據實驗分析得出：兒童青少年健身器材與成年人相比，健身車主要體現在曲柄長短、座位和車把的前后與上下尺寸的大小上，跑步機主要體現在手扶高度高低上。兒童青少年健身車曲柄長度約在10.9cm～18.3cm之間，可調節(jié)長度約為7.4cm；座位到曲柄中心軸的直線距離約在44.1cm～82.2cm之間，可調節(jié)長度為38.1cm；座位與車把的距離約在24.5cm～65.3cm之間，座位與車把可調節(jié)距離應相等，約為20.4cm。跑步機的扶手距離跑步帶的高度約在65.6cm～109.9cm之間，扶手可調節(jié)高度約為44.3cm。

青少年；健身器材；調節(jié)尺寸

由于兒童青少年在人體身體形態(tài)上與成年人有所不同，所以在對運動健身器材的結構、大小要求上也就有一定的區(qū)別。本文通過對健身車、跑步機等運動健身器材的結構尺寸特征進行分析，結合兒童青少年身體形態(tài)特點，探討適合兒童青少年運動健身的器材的結構尺寸特征，為兒童青少年運動健身器材的開發(fā)提供參考。

人——健身器材系統

組成運動健身器材的功能是供人騎行，就發(fā)揮健身車和跑步機的功能而言，把人看作健身器材的組成部分也是完全合理的。因此，人在健身車和跑步機上運動時組成了人——健身器材系統，該系統中的人——健身器材界面關系可由下圖表示：

人——健身器材界面關系圖

1 兒童青少年身體形態(tài)測量值

運動健身器材的設計應符合人體尺寸，最大限度地挖掘人的潛能，綜合平衡地使用人的肌能，保護人體健康，從而提高生產率。人體身體形態(tài)結構參數對于確定器材尺度、比例關系以及合理設計器械具有重要意義。本研究主要分析兒童青少年階段運動健身器材的調節(jié)尺度范圍，研究中所選取的形態(tài)指標主要是根據人——健身器材系統而確定。表1為我國7～18歲兒童青少年身體形態(tài)部分指標的最大值和最小值，在設計中可以依照這些參數來確定兒童青少年健身器械的基本尺寸及調節(jié)幅度范圍。

表1 兒童青少年身體形態(tài)指標7歲最小值與18歲最大值測量值

2 基于兒童青少年身體形態(tài)的運動健身器材調節(jié)尺寸分析

2.1 健身車

兒童青少年健身車與成年人使用的健身車相比，一般體現在曲柄的長短上及座位與車把的高低和前后距離上。身材較小的兒童青少年使用的健身車在曲柄長短上、座位與車把的高低和前后距離上都略小于成年人。

2.1.1 曲柄長度范圍 曲柄的長度一般按人的身高或下肢來考慮，以達到能使人省力和舒適。通常曲柄的長度基準取人體身高的1/10，相當于大腿骨長約1/2[1]。如果健身車的曲柄過長，就需要加長傳動輪和阻力輪之間的距離。這樣就必須加長車架，影響正確的騎車姿勢，使人感到臀部痛。在通過對7～18歲兒童青少年身高進行了測量，從中可知，兒童青少年身高7歲時最小值大約為109.3cm，18歲時最大值約大為183.2cm。所以兒童青少年健身車曲柄長度設計的最小值應為10.9cm，最大值為18.3cm。因此曲柄的調節(jié)尺寸應約為7.4cm。

2.1.2 座位與車把上下、前后調節(jié)尺寸分析

（1）座位與車把上下調節(jié)尺寸分析

當健身車座位高度調節(jié)尺寸為0cm時，此時座位高度應至少要適合7歲下肢長較小的兒童使用，從表1中可知，7歲兒童下肢長最小值為55.0cm，所以座位到曲柄中心軸的直線距離約為55.0cm－10.9cm（最短曲柄長度）＝44.1cm。

當健身車座位高度調節(jié)最大時，此時座位高度應要適合18歲下肢較長的青少年使用，從表1中可以看出，18歲青少年下肢長最大值為100.5cm，所以座位到曲柄中心軸的直線距離應為100.5cm－18.3cm（最長曲柄長度）＝82.2cm

由于健身車座位高度的調節(jié)范圍為：當健身車座位高度調節(jié)尺寸為0cm時與當座位高度調節(jié)尺寸最大時，兩次健身車的座位到曲柄中心軸的直線距離之差。所以健身車的座位高度調節(jié)值應約為38.1cm。而車把的高度一般高于座位約5cm左右[1]，因此，可利用車座的高度為參考，設計車把的高度及調節(jié)尺寸。

（2）座位與車把前后調節(jié)尺寸分析

健身車騎乘肩關節(jié)的舒適角度約在35°～90°之間[2]，腰部角度范圍一般習慣在40～80°之間。對于同一位訓練者來說，當肩關節(jié)為35°時，腰部角度在80°時，手把與座位的距離最近；當肩關節(jié)為90°時，腰部角度為40°時，手把與座位的距離最遠。

當座位向后調節(jié)和車把向前調節(jié)的距離都為0時，應至少要適合身材較小的7歲兒童使用。通過抽樣測量，7歲身材較小的兒童上肢長約為42cm， 當騎行時肩關節(jié)為35°，腰部角度在80°時，此時，座位和車把的距離最近，座位與車把的距離為

當座位向后調節(jié)和車把向前調節(jié)的幅度最大時，應適合身材較大的18歲青少年使用。18歲身材較大的青少年上肢長約為83cm。當騎行時肩關節(jié)為90°，腰部角度在40°時，此時，座位和車把的距離最遠。座位與車把的距離為

兒童青少年健身車座位與車把調節(jié)的最大距離之和大約可為65.3cm－24.5cm＝40.8cm。由于在騎乘的過程中肩關節(jié)舒適角度約在35°～90°，之間，腰部角度范圍一般在40～80°之間。為保持舒適的騎乘姿勢，可使座位向后調節(jié)與車把向前調節(jié)的最大距離相等，所以座位與車把調節(jié)最大距離都應約為20.4cm。

2.2 跑步機

由于兒童青少年與成年人相比身高在高低上的不同，所以兒童青少年使用的跑步機與成年人使用的跑步機主要體現在扶手的高底上，其它結構和成年人器材相同。

扶手的作用主要有兩個：（1）在跑步時，用手扶在上面，防止身體不穩(wěn)定晃動而出現意外；（2）不跑步時作雙臂曲撐運動,鍛煉上肢肌體。扶手的高度必須與運動者的身高相適應，扶手太高，作雙臂曲撐運動時，感覺不安全；扶手太低，作雙臂曲撐運動時必須縮著小腿。扶手的高度一般參照肘高進行設計[3]。在本次測量中，正常7歲兒童肘高最小值約為65.6cm，18歲青少年肘高最大值約為109.9cm。所以7～18歲兒童青少年使用的跑步機手扶高度（手扶距跑步帶的高度）一般應約為65.6cm～109.9cm。因此兒童青少年跑步機調節(jié)幅度44.3cm。

3 討論分析

3.1 影響運動健身器材性能的人體因素

本研究主要是針對目前所應用的運動健身器材根據不同人群的需求調節(jié)出適合兒童青少年的運動健身器材尺度。

3.1.1 人的體格因素 以身高 H 為基本因素，其他身體的能力與 H 成比例，如手臂、腿、氣管等的長度與身高成比例，從而以骨關節(jié)為中心所產生的力矩、步幅等，都取決于H的大小。

3.1.2 人的下肢肌力 健身車和跑步機的原動力主要是運動者的下肢肌力。如人騎健身車時，骨骼肌肉內部的化學能轉換為肌肉收縮的機械能。健身車腳蹬的轉動就是通過腿肌收縮出力而完成的，一般說腿肌長的人比腿肌短的人有利。肌肉收縮時產生的力，一般與肌肉的截面積成比例，約為（cm2）40—50N ，通過一定訓練的人可提高到65N 。

3.1.3 人的輸出功率 人輸出的功率隨著騎車人的體格、體力、騎車姿勢、持續(xù)時間和速比等的變化而變化。一般成年男人的最大輸出功率約為 0.7 馬力 ，能持續(xù) 10s左右。兒童青少年的最大輸出功率約為0.5馬力能持續(xù)6s，如果持續(xù)時間長，其值要小得多，持續(xù) 0.5h ，大約只有1.0-0.5馬力（0.07-0.15kw）。

3.1.4 人的腳踏速度 健身車和跑步機都是很有節(jié)奏的運動健身器材，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關系。人的心率與年齡成一定的關系，健康兒童青少年的心率往往比健康成年人的心臟跳動要快，為75 次／min 。兒童青少年在健身車上一般腳踏以 55r/min 節(jié)奏轉動較為合適。所以在調節(jié)兒童青少年運動健身器材時以這一常用速度來確定相關設計參數。

3.1.5 人的平衡機能 不管是在健身車上還是跑步機上，人本身的平衡機能是影響運動健身器材的重要因素，如果缺少平衡機能，哪怕是運動性能很好的健身車也不能達到理想的健身目的；若練習者有很好的平衡機能，卻可掩蓋運動健身器材在設計上的某些缺陷。

3.2 運動健身器材設計結構要素分析

3.2.1 速 比 以健身車為例，大小鏈輪的齒數比與鏈輪直徑比相一致，一般控制在2.0-3.6的范圍內。利用速比關系可取得騎行時所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉速，所以就得不到大的輸出功率。也由于速比小，在限定的曲柄轉速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉速）。速比過大時，要求的踏力也大，容易使人疲勞。為了保持不疲倦的持續(xù)騎行，希望肌肉負擔約為最大肌力的10% ，兒童青少年健身車按此選擇速比和曲柄轉速，可得到比較好的效果。

3.2.2 曲柄長度 傳統的健身車設計，一般從自行車原理考慮比較多，對人研究少，認為曲柄越長越有力。曲柄過長后，為了不使腳蹬碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。這樣勢必加長車架，影響了正確的坐車姿勢，使人感到臀部痛。若能按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長度的基準，取人體身長的 1／10 ，也相當于大腿骨長的 1／2 。

3.2.3 鞍座位置 鞍座裝得過低，騎行時雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時間長了就會感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。騎車時適當的用力部位是腳掌。

通過對不同年齡組的兒童青少年進行測試，設計或校正鞍座位置高低最常用的方法是使手臂的腋窩部位中心緊靠鞍座中部，使手的中指能觸到裝配鏈輪的中軸心為宜。人體各部尺寸都有一定的聯系，只要腋窩中心至中指的長度確定下來，鞍座高度便可大致確定。反復測試得出：行駛較快的健身車，鞍座位置要向前移動，行駛較慢的健身車，鞍座位置要向后移動，否則都不利于騎行。

4 結論與建議

（1）兒童青少年健身器材與成年人相比，健身車主要體現在曲柄長短、座位和車把的前后與上下尺寸的大小上，跑步機主要體現在手扶高度高低上。兒童青少年健身車曲柄長度約在10.9cm～18.3cm之間，可調節(jié)長度約為7.4cm；座位到曲柄中心軸的直線距離約在44.1cm～82.2cm之間，可調節(jié)長度為38.1cm；座位與車把的距離約在24.5cm～65.3cm之間，座位與車把可調節(jié)距離應相等，約為20.4cm。跑步機的扶手距離跑步帶的高度約在65.6cm～109.9cm之間，扶手可調節(jié)高度約為44.3cm。

（2）今后在設計適合不同兒童青少年的運動健身器材時，應對此類人體結構特征和機能特征進行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關系和可測范圍等人體結構特征參數；還應提供人體各部分的出力范圍、以及動作時的習慣等人體機能特征參數，并分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性。

[1] 劉慧喜，等.人機工程學在家用健身車設計中的應用[J].包裝工程, 2011(10): .47～50.

[2] 胡祖武,江耀順,吳志銘.自行車騎姿電腦動態(tài)模型之研究[J].大葉學報,1997.6(1): 119～125.

[3] 徐華文,李文峰.電動跑步機的人機工程設計[J].機械, 2004(31): 17～19.

Analysis of Size Justification to Sports and Fitness Equipments of Children and Adolescents

YANG Bin

On the basis of physical characteristics of children and adolescents and ergonomics theory, By measuring the body shape character for children and adolescents, and analyzing the exercise and fitness equipment structure size adjusting size parameters standard, The exercise and fitness equipment in structure size is applicable for children and adolescents of different ages. According to the experimental analysis, The following results are obtained: Compared with adults exercise and fitness equipment, The exercise bike is mainly reflected in crank length, Seat and the handlebar’s front and rear as well as the size of up and down. The treadmill is mainly reflected in the height of hand. The crank length of exercise bike for children and adolescents is between 10.9cm-18.3cm, And the adjustable length is about 7.4cm. The straight-line between seat and crank central axis is between 44.1cm-82.2cm, And the adjustable length is about 38.1cm. The distance between seat and handlebar is between 24.5cm-65.3cm, And the adjustable distance between them can be adjusted to be equal, That is about 20.4cm. The height between handrail and running belt of the treadmill is between 65.6cm-109.9cm, And the adjustable height for handrail is about 44.3cm.

Adolescents; Fitness eguipmentl; Adjusting the size

G812.45

A

1007―6891（2013）01―0111―03

2012-06-12

商洛學院體育教學部，陜西 商洛，726000。Department of Physical Education of Shangluo University，Shangluo Shaanxi, 726000, China.