單車功率計大解析!從物理公式與應變規原理,拆解爪式、曲柄式、踏板式的省瓦優缺點
大約 30 年前,SRM 推出了第一支可攜式功率計,成功將自行車的功率量測技術從實驗室帶入戶外現實環境。時至今日,功率計的售價已變得相當親民,不僅是職業選手,也有越來越多市民業餘選手選用功率計來輔助日常的騎乘與科學化訓練。 對於剛入門的車友來說,市面上的功率計種類堪稱五花八門,常見的包含大盤式(爪式)、踏板式與曲柄式。雖然市面上還存在氣嘴式與鏈條式等特殊類型,但非主流設計,且花鼓功率計(如早期 PowerTap 推出的 G3)因與輪組深度綁定、方便性低,目前已基本被市場淘汰。因此,現今成熟的功率計市場主要由爪式、曲柄式、踏板式三分天下。以下將從物理原理出發,為大家拆解功率計的運作方式,並逐一分析三大主流功率計的優缺點。
一、功率計是如何測量你的力量?在物理學中,單車踩踏的功率(Power)可以透過以下公式來計算:
$$\text{功率} = \text{力矩} \times \text{踏頻}$$ 而力矩(Torque)又可以進一步拆解為:$$\text{力矩} = \text{力臂} \times \text{力}$$ 對於功率計而言,「力臂」通常是固定的已知數值(例如曲柄長度或應變規設計的特定長度),「踏頻」也能輕易透過感測器偵測,因此核心難題在於如何測量「力」的大小。 目前的功率計內部都會嵌入數個微小的應變規(Strain Gauge)晶片。當騎士發力踩踏時,金屬結構會產生極其微小的伸縮,應變規便會偵測這個微小形變並將其轉化為電信號,進而計算出踩踏力量。
二、關鍵的「溫度補償」與歸零校準
由於應變規屬於電子材料,其電阻與電導率極易受到熱漲冷縮的影響。當氣溫升高或降低時,即使不踩踏,應變規也會因溫度膨脹或收縮。因此,目前的功率計都具備「溫度補償」功能。儘管如此,為了確保數據精準,建議車友在每次騎乘前還是要進行手動歸零;現在主流的自行車錶也大多會在騎乘前自動跳出提醒,詢問是否進行歸零校準。
三、三大主流功率計優缺點拆解
一、 爪式功率計(Spider Power Meter)
爪式功率計是將應變規配置在盤組(蜘蛛網結構)內部,並與齒片、曲柄做連接。爪式功率計的結構具備極高的對稱性,量測時的誤差來源非常少。即便產生些微誤差,在系統上也比較容易被修正、消除。也因為其高精準度與穩定性,世界巡迴賽等大環賽的職業選手,至今仍以選用爪式功率計為大宗,常見品牌如 SRM、Quarq 與 SRAM。此外,由於其量測位置的力臂長度是固定的,使用者不需要特別去錶頭設定力臂長。但是在拆裝與更換時相對繁瑣(多數職業車隊是因為有專職技師協助處理此類雜務)。另外,它本質上屬於「單邊量測」,雙邊數據(如左右出力比)通常是透過演算法模擬出來的,而非真正的雙邊獨立測量。
二、 曲柄功率計(Crank Arm Power Meter)
曲柄功率計通常是在原本的左側或兩側曲柄上,黏貼一個功率感測器來進行量測。由於不需要更換整個大盤或踏板,通常只需要單獨購買感測器,因此價格最為便宜。早期知名品牌如 Stages、Pioneer(目前已分別被 Giant 與 Shimano 收購)皆以此類產品聞名。不過這種功率計容易受到曲柄本身形變的干擾(雖然晶片內會透過多個應變規來努力消除誤差)。此外,雖然有些品牌(如 Shimano)有推出雙邊曲柄功率計,但因為傳統大盤的左右側結構天生不對稱,導致曲柄式的雙邊量測誤差通常會稍微偏大,因此市面上仍以單邊曲柄功率計較為流行。 安裝建議: 雖然曲柄式只要黏貼上去即可,但黏貼的角度與平整度會嚴重影響量測精準度,因此強烈建議不要自己動手黏,最好送回原廠或專業店家,讓專人安裝並順便寫入精確的曲柄長度。
三、 踏板功率計(Pedal Power Meter)
踏板功率計是直接將感測晶片與應變規封裝在踏板的軸心裡面。由於左右踏板完全獨立,它可以做到真正的雙邊測量(真雙邊),為騎士帶來最豐富的進階數據(如左右腳出力平衡、扭矩效率等)。在安裝上也極為方便,絕大多數就像換普通踏板一樣,只需一支扳手轉緊鎖上即可(唯獨 Garmin 的功率踏板通常需要用到扭力萬能扳手校對,安裝要求較高,在市場上相對少見)。對於預算有限的車友,也可以選擇先購買單邊版本(例如 Favero 推出的 Assioma Uno),未來再視需求升級。但它的外殼與卡踏系統(Look、Shimano、Speedplay)是高度綁定的。不過像 Favero Assioma 的設計較靈活,將感測模組做在軸心上,只要將軸心拆下即可抽換插到 Look 或 Shimano 系統的踏板本體上,但目前 Speedplay 系統尚無法這樣改裝。
現在「短曲柄」風氣盛行,如果你更換了不同長度的曲柄,務必記得在碼錶或專屬 App 內手動更改力臂長度(曲柄長),並將設定同步至踏板中,否則算出來的瓦數數據將會完全失真。 總結:我該如何選擇?每種功率計都有其特定的受眾。如果你追求極致的精準與職業賽場級的穩定度,且不常更換器材,爪式功率計會是首選;若預算十分有限,想以最低成本跨入功率訓練的門檻,單邊曲柄式功率計是高性價比的敲門磚;而如果你渴望獲得最完整的踩踏數據(例如透過「左右平衡」檢視雙腳出力,或是利用「扭矩效率」觀察哪一隻腳在回拉時沒有做好提拉、導致對側腳做白工),那麼雙邊踏板功率計能為你帶來最全面的數據回饋。
四、 花鼓功率計(Hub Power Meter)
過去市場上還有一種相當獨特的「花鼓功率計」,最具代表性的產品便是由 PowerTap 所推出的 G3 花鼓功率計。 特點與缺點: 它是直接將量測結構做在後輪的花鼓中心。這種設計最大的致命傷在於它與「輪組」深度綁定。這意味著如果你今天想換一組輪組(例如平路換高框板輪、爬坡換低框輕量輪),你就必須重新編輪,或者另外購買一套功率計,在器材替換的方便性上遠遠不及其他種類。 現況: 隨著 PowerTap 公司被收購,花鼓功率計目前在市面上已經基本看不到了,屬於已經被市場淘汰的功率計種類。