Top Banner
From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles Alberto E. Minetti 1* , John Pinkerton 2 and Paola Zamparo 1,3 1 Biomechanics Research Group, Department of Exercise and Sport Science, Manchester Metropolitan University, Hassall Road, Alsager ST7 2HL, UK 2 Cycle Historian, 522 Holly Lane, Erdington, Birmingham B24 9LY, UK 3 Physiology Group, Dipartimento di Scienze eTecnologie Biomediche, Universita¨ degli Studi di Udine, Piazzale Kolbe 4, 33100 Udine, Italy We measured the metabolic cost ( C) and mechanical work of riding historic bicycles at di¡erent speeds: these bicycles included the Hobby Horse (1820s), the Boneshaker (1860s), the High Wheeler (1870s), the Rover (1880s), the Safety (1890s) and a modern bicycle (1980s) as a mean of comparison. The rolling resistance and air resistance of each vehicle were assessed. The mechanical internal work ( W INT ) was measured from three-dimensional motion analysis of the Hobby Horse and modern bicycle moving on a treadmill at di¡erent speeds. The equation obtained from the modern bicycle data was applied to the other vehicles. We found the following results. (i) Apart from the Rover, which was introduced for safety reasons, every newly invented bicycle improved metabolic economy. (ii) The rolling resistance decreased with subsequent designs while the frontal area and, hence, aerodynamic drag was fairly constant (except for the HighWheeler). (iii) The saddle-assisted body weight relief (which was inaugurated by the Hobby Horse) was responsible for most of the reduction in metabolic cost compared with walking or running. Further reductions in C were due to decreases in stride/pedalling frequency and, hence, W INT at the same speeds. (iv) The introduction of gear ratios allowed the use of pedalling frequencies that optimize the power/contraction velocity properties of the propulsive muscles. As a consequence, net mechanical e¤- ciency (the ratio between the total mechanical work and C) was almost constant (0.273 0.015 s.d.) for all bicycle designs, despite the increase in cruising speed. In the period from 1820 to 1890, improved design of bicycles increased the metabolically equivalent speed by threefold compared with walking at an average pace of ca. + 0.5 m s 71 . The speed gain was the result of concurrent technological advancements in wheeled, human-powered vehicles and of `smart' adaptation of the same actuator (the muscle) to di¡erent operational conditions. Keywords: cycling history; energetics; mechanics; e¤ciency 1. INTRODUCTION The struggle for mobility and communication, which is particularly apparent nowadays, has constituted a major evolutionary push for all terrestrial species. In most cases, the adopted solution for a change favoured a higher progression speed and economy. These two variables are in a way linked because, for the same engine or muscle power, the lower the cost of locomotion the better the performance. Notable examples have been the develop- ment of di¡erent gaits (walk, trot and gallop) within a single species and a wealth of diverse locomotion strate- gies across species, from the snake crawling to the cricket jumping. A novelty was introduced whenever the twofold problem of how to cope with the increased resistance of the medium and how to maintain the e¤ciency of the same actuator (muscle) at higher speeds was solved. The same process can also be observed when humans, aware of the irreducible mismatch between `slow' bio- logical evolution and `fast' socio-technological progress, rely on the mechanical appendages of their bodies, active (e.g. human-powered vehicles) or passive (automobiles), for increasing their mobility speed. Among all such stories (and we have to remember that cross-country skiing started as a means of transport more than 4000 years ago), the evolution of cycling represents a milestone in the application of ingenuity for overcoming the limiting constraints to speed on land imposed by bipedal- ism. During the whole of the nineteenth century, the combination of the need for individual mobility at an a¡ordable price in urban/industrial settlements and the current technological advances produced a rapidly £our- ishing `evolution'of the bicycle towards higher speeds and better riding economy and comfort (the last two concepts are somewhat related). The aim of this paper is to quantify the improvements in the performance and economy of cycling evolution by studying the energetics and biomechanics of riding the most relevant historic bicycles, from the very beginning to the modern bicycle. The analysis of the ¢rst model, the Hobby Horse (1817), where the rider still pushed their feet against the ground, will help in understanding the tran- sition from purely biological locomotion to modern technology-assisted progression. A case will also make the point of `evolutionary' choice contradicting the energy- saving criterion in favour of a higher safety factor. 2. MATERIAL AND METHODS (a) Subjects The experiments were carried out using ¢ve recreational cyclists (mean s.d., age 56.2 11.6 years, stature 1.72 0.39 m Proc. R. Soc. Lond. B (2001) 268, 1351^1360 1351 & 2001 The Royal Society Received 20 October 2000 Accepted 13 March 2001 doi 10.1098/rspb.2001.1662 * Author for correspondence ([email protected]).
10

From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

Apr 25, 2023

Download

Documents

Alfredo Rizza
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

���� �������� � ���������� ����� ��� �������� ��� � ����������� �� ��� ���� ��������������� � �������� ���� ���������� ��� ����� ����������

����������� ������� ����� ��������� �� ������� �� ����� ������� �������� ����������� �������������� ����� ������ � ! "�#� �$�%���� �������� &"" ����� #��� �������� ��������� �"' (#)� �$�*�������� ����� ����������� �� ����+� � �������� ����������� ��������, ����� ����� �� ����� *��++��� $��-� '�../00 ����� 1����

�� ����� ��� �������� ��� �%� � �������� ���� �� �� ��� ������� ������� � ������� ��� ����� ������� ����� � ��� ���� ��� ��!�"�� ��� #������� ��!$"�� ��� ��� ������� ��!%"�� ���&�'�� ��!!"�� ��� (���� ��!)"� � �� ��� ������� ��)!"� ��� �� ��������* +�� �������������� � �� ������� �� ��� '������ ���� �� * +�� �������� ������� ���� �2,-+� ������ ���� �����. �������� ������ ���� �� ��� ���� ��� � �� ��� ������� ��'��� �� ��� ���� � ������� ��� * +�� �/����� ������ ���� ��� �� ��� ������� � � ����� �� �������� '������* �� ���� ��� ��������� �����* ��� 0��� ���� ��� &�'��� ����� � ����� ��� ��� ��������� �'��� ����� ��'���� ������� �����'� �������� �������* ���� +�� ������� ������� ����� ���� ���/���� ���� ����� ��� ������ �� � � ������ ��� ����� �� � ����� ������ ��1������� ��� �����������* ����� +�� ��.��� �� � ������ ������ ������ � �������� �� ��� ���� ���� � ��������� ��� ��� �� ��� �� ������ �� �������� ��� ������ ���� ������ �� �������*2������ �� ������ �� % ���� �� �� ����� �� ��� �3�� ����� ���/����� � � ������2,-+ � ��� ����� * ��'� +�� ����� ������ �� ��� ���� ����� ��� �� �� �� ����� ���/������ ��� ������4� ��������3���������� '������� ��������� �� ��� �������'� �����* 0 ����/������ ��� �������� �5.������ ���� ���� ������� ��� ���� �������� ���� � %� � ���� ������ �"*�%�� "*"�6 * *� ��� ��������� ����� ����� ��� ������ �� ������� ��� * ,� ��� ����� ���� �!�" �� �!)"� �����'� ������ ������� ������ ��� ����������� �/��'���� ��� �� �������� ������ ���� ������ � �'���� ��� �� ��* 7 "*6� ��* +�� ��� ��� � ��� ����� �� ���������� ������������ '��������� ������ � ����.������ '������ � �� 8���9 ������ �� ��� �� ������ ���� ������ �� ������� ��������� ��� �����*

�������� ������� ������: ���������: �������: �5������

�� ����������

+�� ������� ��� �������� � ������������� ����� ����������� ������ ��� �� � ��������� �;���'��������� ��� ��� �� ��������� �����* ,� ��� ������ ���� ������� ��� ����� �'���� ��������������� ��� � �������* +��� ��� '����� ���� �� ����� ������ ��� ��� �� ������ �� ����������� ��� ����� ��� ��� �� ���������� ��� ������ �������������* -����� �1���� �'� ���� ��� �'����.���� �� ������� ��� ����� ���� � ������ ������ ����� ����� � ����� �� �'��� ���������� ����.��� ��� ������ ���� ��� ��� ������� �� ��� �������;������* 0 ��'���� � ����� ��� �����'�� ��� ������ ������� �� ��� �� ���� ���� ��� ������ ������� ����� �� ��� � ��� �� ������ ��� �5������ �� ����� ������ ������� � ������ ��� � ��'� *+�� �� ����� �� �� �� ����'� ���� �����

��� �� ��� ���� ������ ������ ������� 8���9 ���.������ �'������� � 8��9 ����.������������ ����������� �� ��� �������� ���� �� �� ����� �� ��� ���'���*�* ����.������ '������� �� ��'� ��������������� �������� ����� �������� ��� * 0���� �� �������� �� �� �'� �� �������� ��� ���.������������ ���� ��� �� ������� ���� ��� <"""

��� ���� ��� �'������� �� ������� �������� ���������� ��� ��������� �� ��������� ��� �'�������� ����������� �������� �� ��� �� �� ����� �� ���� �.��* =����� ��� ����� �� ��� ���������� �������� ������������� �� ��� ��� ��� �� �'� �� �������� � ���� ��� ����� �� ����3�� ����� ��������� � ���������� ������������ '��� ��� ��� ��� �� >���.����� 8�'�������9 �� ��� ������� ���� ������ ��� � ������ �� ��� ������� � ������� ���� �� ��� ��������� ������ ����� �*+�� �� �� ��� ���� � �� /������ ��� �����'�����

�� ��� ���������� � ������� �� ������� �'������� ���� ���� ��� ��������� � ���������� �� �� ��� ������ ����'�� ������� �������� ���� ��� '��� ����������� ��� �� ��� �������* +�� ���� �� ��� ?�� �� ��� ��� ���� ��� ��!�%�� ����� ��� �� �� ���� ���� ����� �������� ��� ����� � ���� ���� �� �� ���� ��� ��� ���.����� ���� ������ ��������� ���������� �� �� �������������.��� ���������* 0 �� ���� �� ��� �������� �� 8�'���������9 ������ ����� ������ ��� ������.'��� ��������� �� �'��� �� ������ ���� �����*

�� � ���� � �� �������

�� ��������+�� �1�������� ���� ����� ��� ���� ?'� ����������

������ ����� * *� �� 6$*����*$ ���� ����� �*%�� "*�)�

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""�� ��� ��6�@��$" ��6� � �""� +�� &��� (�������������� �" A������ �""" �������� �� B��� �""�

��� �"*�")!3���*�""�*�$$�

�0����� ��� �������� ���� �*�*�������C���*�*���*

Page 2: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

� �� � � $!*"� �*6 ���* 0�� ��;��� ���� �1�������� �� �� �� ������� ������� ����� �������� ������� ���� ������� ���� ��� ����� � �� �� ��� �� � � �'� ����� ������������� �� ��� �1��������� ����� ���*

�� � ����� ��� ������� ��� ������� ����+�� ������� �� �� ��� �� � ���� ������� ����� ���� ���

�1������� �� ��� ���� ���� ����� � '��� ������ �����. ������* +���� �������� ����������� �� ������� �� ���� �*2�� ������� ���� �� ���� � ����� ������� �������� ����� �� � ������� �� ��� ���� �� (��� ��!)$�� ����� D �������)%<� � =� �� ��))$�*

��� �� ��--� ����0�� ���� 8 �����9� �� � ��� �� �� ������� ���� � ����

��� �� ��� �!�"* ,� ������ ����� �� ��� ��� �� ������������� �� ��� �� ��� �� ����� ��� �� � ���������� � �� ���� ���� ?1� * ,� � �� ���� 8������� ������9 ����� ����� ��������� � ������ ��� ������� ��� �� ��� ����� �� ��� ����� ����� ����������� ������ �� �������* ���'��� ������ ������ � ����������� ���� ��� ������� ��� �� ��� ��;���9 ������ ������� ��� � ��� ��� � ������� ������ '���* +�� ���� ��� ��������� � ����� ��� ��� ��� '��� ���� � � ��'�� �� ���� ��� �� �����������*

���� �� �����4��0�� ���� 8'������� �9� ��� � �'����� �� ��� �!$"* +��

��� �������� ������������ �����'����� ���� ������ �� ��� ���� ��� � ��� ����� �� �� � � ���� �� ��� ����������* +�� #������� � ��� #����� ��� ��� ���� '�����.�� � ���� ��� �� ����� � ������� ��� ����� ��� ��� �� ����� �� �� �� �������� ���� ���� ���� �� �� �/����� ���� ������ ���� ?����� �'�� ��� ������� �� * +�� #������� � ����� �������'� ������� �������� � �� ��� �� �� ��� ������

��� ������ �� �� ��� ���� ��/���� ���� ����� ������� � �����* #� �!$!� ��� #������� �� �� ����� ��� ���������� �� �� ;��� �� ��� ��� �� ��9 ��� ������*

����� �� ����2������0�� ���� 8���� �������9� 8�� ����9 � 8�����.�������9�

��� ��� ������� � �'����� �� ��� ���� �!%" ���� ������������� �� ��� '������� � ���� �� ������ ��� ���������� � �� ������ � ������� ������* +�� ������� ��� ����'��������� ��� � ��� ��� �� � ��'������� ������ ���� ������ ����� �� ����� ��'�����* 0 ��.��� ���� ������� ����� ���'� � >������ ����� � � ���� ������ �����'������ �� �������� ����� ��� �������� �� �� ���� ��������� �� �� ����� ��� ;������ ��� �� ��� ����� �� * +�� ��� ������� � � � ���������� �� ����� � ������ ������� ��� ��� � �� '������� � � � ����� ���� ��� ������ ����* ����� ����� � � �����'����� �� ��� �5.������ � ���� �� '������� �� ���� ���� �5���� ������ ���� �� ��/������ ���� ������ � ��� ������ ��� �����*,����'� '����� �� ��� ��� ������� ����� ��� ��� �� ����� �� �� ������� � ;����� ��� ������ 1��� ����� � � ��� ����* ,� �� �� �� ���� � ���� � ��� �� � �� �� ��� �������� ������ �� �������� ���� ���� '����� ����� ��� ������� ��*�* ��� 81���� ����9 � ��� 8������9����� �� �/����� ���� ��'�� � ������*

��'� �� ������5����� ������ �������+�� &�'�� ����� �� ��� �!!" � ������ ����.

��'�� ��� �����* +�� '���� �� ��� ��� ��'� � ���������� ���� ��� �� �� ������� ��������3 ��������� � ���������� �� ���. ��'��� �����* ,� � ��� ?�� �� ��� '����� ���� ����� ��� �� ����� ���/����� � ������� ���� ��� ����� �����* ����� ��� ���� .����� ���. ��'�� ������� ����� ���� �� �� � ��� ��� ���������� ������ �� ����� ������� ������ � � '�������� ��� �� �� �� ���� ���

��6� 0* E* B������ � ����� �������� �� -��������� �� ������ ������

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

Hobby Horse Boneshaker High Wheeler Rover (DFS) Safety (PTS) modern bicycle

abbreviation HH BS HW RO SA MB yearb 1820s 1860s 1870s 1880s 1890s 1980s mass (kg) 23.7 24.5 15 20 16.5 12.1 handlebar height (m) 1.26 1.22 1.40 1.20 1.30 0.95 saddle height (m) 0.86 0.99 1.31 0.95 1.01 0.90 front wheel diameter (m) 0.725 0.89 1.27 0.75 0.71 0.64 rear wheel diameter (m) 0.725 0.74 0.44 0.75 0.71 0.64 distance travelled per pedal revolution (m) — 2.80 3.99 4.45 5.50 5.02c tyre thickness (mm) 20 20 20 20 40 45 rim or spokes wood wood metal metal metal metal tyres metal metal solid rubber solid rubber pneumatica pneumatica brakes no rear front front front front or rear bike + subject frontal area (m2) 0.46 ± 0.02

0.44 ± 0.02 0.55 ± 0.01 0.48 ± 0.01 0.49 ± 0.03 0.46 ± 0.01

rolling resistance, Cr 0.0268 ± 0.0018 0.0284 ± 0.0026 0.0158 ± 0.0020 0.0200 ± 0.0029 0.0083 ± 0.0037 0.0084 ± 0.0037 air den

aFront and rear wheel pressure during the experiments: 4 bar (405 kPa).bPeriod of production/introduction of the model. For details see Dodge (1996).cThis distance corresponded to the chainwheel/cog choice of the subjects at all the investigated speeds.

sity, ρ (kg.m−3) 1.193 1.192 1.186 1.200 1.195 1.201

Table 1. The bicycles, technical data

(Abbreviations: DFS, diamond-frame safety; PTS, pneumatic-tyre safety.)

Page 3: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

�� ��� ������ �� ��� �� .������ ���� � ��� ��������� ����� ����* ,� �� �� �� ������� ��� �������� ���������� ���� '����� �� ����� ������� ���� �� ��� �������� ������ ����� � �'�� �� ��� ���� �����* ���'������ &�'�� ���� �� ��� �� � � ��� ���� � �� ��������� ���� �� ��� ���*

�'� �� ��������5����� ������ ��������0���� ��� ���� .���� (���� ��� �'���� ���� �� ���

������� ���� ��� �������� ����� ��� ����� �����./������� �������� ��� ���� ��� ����� ������ �� �������� ���� ����� �!)"* +�� ��� �� ������� �'������� ��������� �;�������'������ ���� ���� ���� ����� �� ���������������� ������'��� ��� �����* &����� �������� ���� � � ���(���� ������� � ���� ���������� '������ �� �� �� ����� �������� �� ��* +�� (���� ���� �� ��� �� � � �� ��������� ���� �� ��� ���� � ;����� �� � ���. ��'�� ��������* +�� (���� � ��� ?�� '������ �� ���������� '����� �� ������ ������� ��� ��� ����� ����� � ����� �� ������ �� ����� ����� ��� ��* 6*" �� �� �1���*

�'�� � ����� -������0 ��� �� �������� ���� ��� ������� �������� �� ��

�������� ��� ��������� ����� ��� �� ������ �������* +���� ��� ������� ���� �� ��� �� � �0������ � F+: (�� 0��G0� H(0� � ���� ����� �� ������� ���� ��� ����������� ���� � 8���� �������9�* B������ ����� ����� ���� �'����� �� ��� �)!" ����� �� ��� ���� �� �� � ��.�� ��������� )6I �� ��� ������� ��������� �� �� ��� H(0�=� �� �))$�* ����� ����� �/����� ���� �< ������� �������3��������� ����������� ����� �� ����� ��� ������ ���� �� � ���� �� ������� � ��� � ��� ��;��� �� ;�� ��� ������ ��� �� �� �� ���� ��� ������'� �1������ �� �� ��� �������� ������� ��������*=� ��������� �� �� ��� ����� ������� �G����� �� ��* �))!�

�� �� ������� �� ��� �� �*

�� ����������� ���������+�� �1�������� ���� �������� �� ����� �������� �����

����� ��� ��;��� ���� �� �� ����� ���� ��� �%"� ����� �������� ������� ���1��� ��� * 0�� ��� ��� �������� �� � ���� ��� ��� * +�� ������� ���� �/����� ����������� �������� �B(G �=J� G����: A�� K��� �� �� ���� ���� ��� ��;��� �� ������ ��� ��/���� ��� * +�������� ��� � ����� � ������ ���� ��� �� ��� ������� �� ������ � ���� �����*���� �*%!� ��*+�� ��� � ������ ��"*6$� �� �'��� $���� ���� �1���� ��� ������ ���� �*���� 6*6$� ��* +�� ���� �� ��'�� ��� �� � ����� � � ���'���� ��� � ������� ���� �������������*

��� ����������� ���������+�� ��;��� ���� �/����� ���� ������� ���������

�G��� L<��: &���� ,���� ��� ����� ����� ��������'��������� �ME� ��������� ���� ��� � &� ������ ����� ��1� � ������ �6GA�� �����

��� � �1���� ����� �6A���������� �� �����.��.����� ��* A1���� ����� � ���� ����� ����� ��� ��;��� ���� ������ /������ �� ����������� ������ ��� �1��������� ����* +�� ME� & � 6A� '��� �������� ����� ��� �� ���� �� ��� ��� ������� ��� ���� '���� � �� ��� ������� ����*+�� ������ ��� �� �� ��� ��� ������� �%� � K���� ������

���A� � �/��'���� �� �"*) K� � ������ ���� ��� ����

������� �� �.��� �1���� ����� ����� ������� ��'��� '���� ��� *

���� ������������ ���������+�� ���� �������� ���� �� �� ��� ������� �� �� �'� �

���� ��� ���������� ��� �1����� ����� �� �� �'����������� ����� �� � ������� ������� � ��� ������� ����� �� �� ��� ����� � ����� ���������� �� ��� ���� ���������� ������ �� ��� �� � ������ �� �*+�� ���� ������� ������� ��� ������ �� ������ �� ���

��'�� ���� � ��� �� �� ��� ������� ������� ���� �� �� ��������� ��� ����� ���� ���� ��� �� � ��� �� ���������� �� ��� �*�* ����� 7� ��*�* =� N������ �� ��* �)%)��* ,������

� � "�6� �� �� % � �� ���

�� � %� �� � �� ���

����� � � ��� �� ����� �������� � � ��� ������ �� ����� %� ��� �� ������� ���5����� ������ � ���������� ���� ��� �� �����. �������� ����� � � ��� '���� ��� �� ���� %� � ��� ������� ������� ���5����� � ������������� ��� ���� � ��� ��� ��;��� ��� ��� �������� ���� � � � ������������� �� �� ��'��� �)*!�� ���*

��� � � ������� �� ����� ��� %��*� �=� N��������)!$�� ���� ��� ������ �� �� ��� ������ �� ��� ����������* +�� ����� ��� ��'��'� ����� �����������G������� =(G.26"6� (���: +����� K���� ���������1�� �������� �� ������ ������ ������� � ���������� ���'����� �� ���� ��������� ��� �� ����� �4��-, ,��� �*$�� H(0: �����33��*����*���*��'3���.�����*=����� ��� �������� ���� ��������� ������ �*���� �� � �� ���������� � � �L� ���� ����� � ������ ��;��� � ��� ������� ���� * +�� �� ����� ���������� ������� ���� ���� ��������� ���� ����� �� �"�*� � ����� *� %$"�� �� � ��%L � �"� ��� ����� �� �� �� � �� � ���������� � ���.��� =&O �(+N=� �*�)� ������*

���� +�� ���� �� � ������� �� ��� �� �����?� ���������� ����� ����� 8������ ���9 �1���������������� �� ��� �� ����� ����� ��� �� ��� ����������� ���* 0� ��� ��� �� ���������� ��� � ����� ����������* ����� ��� ����� ������� ������ ���� �� ���'� ���� 7�� �3 ���%������ ������ ������������ � ��'� �� �"�%������ ����� �" � ��� ������'������� � � � ���� ��* +�� ��;��� ���� ����������� �� �� � ��� ������� � ��� �� ��* �� ��

��*!��"*%� �� �� '������ ���� �� ��� �� ����� � ����'� ����� ���� ���� ��� �� �* +�� ������� ��� � ���� ����� � � � 4 �� ��� �� ������� ���������N���� G������� (&B: K�P ����� F������� ��� � ��������� ���� ���� � ���� NG* +�� ��� �� ��� �?��� �� ����� �������� �� ��� ���� �� �7 -��� �������� ���� � ��� ���������� � �3 �� �� �� ������� ���.����* +��� ��������� ���� ������ �'��� ����� ��� '���� ���� ������ �������� � �� ��� ��� ����%���� � �'� � �� � �� �� �� �� ���� %� *

����� ,� �� �� �� ����� ��� ������� ���� �� �������� �����. �������� ������ ������ � �������� �� ��� ��;�������� �� ��� �� ��� ������� �� ��� ���� ���� ��E���QF: ���� 0� &����� F������* E������� ��>����'�

�������� �� -��������� �� ������ ������ 0* E* B������ � ����� ��6�

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

Page 4: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

����� ���� ��� �� ����'�� ;���� �� ���� � � �� �����;���� ��� � �� �� �� � ��������� � ��������� �� � 6� ��� � � �'��� ���/������* 2�� ����� ���� ���� �� '� �� ������ ��"" 4� ����� 6 � �1����� �� ����.���� ������ ���� �����EQ,+E� #+(: B���� ,����* +�� �����. �������� ����. ���� � �� � ������������� ���� ������ ����� ��������� �� ��� ������� �� ��� �� � ������ ��� � ��� ����� � ����� ��� �� ��� �� �������* 0 ������ ����� ����� �� ��� ������������ ������� ��� ������� �������� ���� �2,-+ ��K �������� �B������ �))!-�� ����� � �?�� ������� ��� � �� �� �� �� �������� ��� ���� ���� �������� ��� �� � ������ �� � �G'�� D L���� �)%%�*

+�� �� ����� ��� � ����� �� ��� '� �� ������ � �� ��;��� �� ��� ���� ��� �� ��� ��� ���� � ���������� ����� �� �@�� ���*,� �� �� �� ������ ��� �� �����2,-+ ��� ��� ����� �������

��'������ �� ��� � �� �� �/����� ��� � ����� ����� ������ �'�� �� �� ��� 3���/����� ���� ���� ������ ����� �� ��� �������* 2�� ��� ������ ��� ��������� ������� ��� * +�� ������� ���� �� ����� ��'������� � �1����� �� ����� �� ���� ��� ������ ?�� ����1������� ��� �� ������� �� � � ����� �� ��'� ����� � ������ ��� ���� �����'� ����� ��� �� ��� ���� ���� ���� �����/����� �����* #���� ������� ����� �� ��� ����� �� �������� ������� ������ �� �� � ������� �� ���� �1���� ���� ���� �� ��� /��� ���/�����* +���

2 �,-+ � 8� �� � �� ���

�����2�,-+ � �1���� �� ;���� ��� ��'�������� 8 � �����

�� ��� ������ ������� �� ��� ��'��� �� � ������� � � ���

�� � � ���� � � � ��� �� ����� ���/����� � 4�* ,� �� ���� �1��� ��� �������� ������� ���� �� ������� �����2,-+ �� ;���� ��� ������� �� �� � � � ��� �������'���� �� ��� ��'� �/����� � �� �� �� �?� ��

2,-+ �2 �,-+��� � � � 8� � ��� �<�

����� � ��� �� ���* +��� �� �� �������� ���������������� ��� ��� �������� ������� ���� ����� ���� 8 � ���� ������ �(��� 6� (N(( ,��*� G������ ,Q�*+�� �� �� �/����� ���'� � �� ��� ���'��� ������� ����

��� �� �� �� ?� ��� �1��������� � ���� ������ ���2,-+ ����� �� �� ��� ��� ���� ��� � �� �� ������ �� ��� ��������� �B������ �))!�� ��� ������ � ������� ��������� ���� � �� ��� �������� ����� �� ��� ��� �� ����� ���������� ������� ��� ���� � ��� ���� ����* ,� ������ ���� ��'�� ��� � ���/����� � ����� � ������ �� ��� �� �1������� ����� ��� ��'������ ����������� ��� ��� ��������� ��� �� ��� ���� ���� �����.��'� ������ ��� �� ��� �/����� � �� �� ?� ��� �1����.����� �*+�� ��� �������� �5������ �� �� ��� ��� ������� �

������� � �� ��'�� ��� � ��� �� ��'�� ��;��� � ������� ���� ��� ���� �� ��� ���� �������� ���� �2+A+ �2 72� 72,-+� �K�

��� �� ��� ������ ��� �%� �K����*

�� ������

�� ������������ ���� ��+�� ������ ��� �� �� ��� ��� ������� ��'������ ��

������� �� ?���� � �������� �� ��� ������������ * 2�� ��� ������ �� ��������� ��� ������ �����/���� ��� ��'����� ���� �� ����� �� �� �������

��6< 0* E* B������ � ����� �������� �� -��������� �� ������ ������

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

300

running

Boneshaker (1860)

500 Wm

1500 Wm

350 Wm

200 Wm

modern bikeracing bike

250

150

200

0108642

speed (m s–1)

met

abol

ic c

ost (

Jm

–1)

(Jkg

–1m

–1)

0

100

50

4

3

1

2

0

Safety (1890)

walking

Hobby Horse (1820)

Rover (1880)High Wheeler (1870)

2����� �* B������� ��� '��� ��������� ��� ��� �� �� ��� ������� ���� * 2�� ��� �� �� ��������� � ��� �������������� �B������ �))!-� � �� ��� �� ��� ����� ������� �G����� �� ��* �))!� �� �� ����* +�� ���� ��� �� ���'��������� ���������� ����� �������� ������� ���� ��� � ��� �������� �������� ����� ����� ��� ����� ����� �� ����.� ������ � �<.� �������� ����� ����'� �� �!%"@�!%$@�!)� �#�������@ ��� �������@(����� � �!%$@�!)< � ����������@(������ �������'���* +���� '������ �������� �� ��� ���� ��>��� ��� �1��������� �� ��� �������� ���� . �������������� � ��� ��� ����� ����� ���'��* +�� �������� ��� �� ���� �� ��� �����.�� � � �� ���� � �1���� ���������� �� �� � �*

Page 5: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

��� ������� ������� �B������ �))!-� � �� ��� ������������ �� � ��� ��� '��� ���� �G����� �� ��* �))!�*+�� ��� �� �� ��� ��� ���� ��� �%� ��*6<���

���*%��7�$�*)<� � �) � �� "*<)�� � ���� �� �� ���1����'� ��� ���� ������ � �������� ���� ���'�.����� ���������� ������� % � � � �� �������* 0���� ������� ��� ���* �� ��� ��� ������ �1��� ����� ���� ��� ��� ���� ��� � ��� ��� �� ������ ���������* +�� ������ ��� ����� ���� ��� #��������%��$*%6���!<*"6�7��6*��� � �� � �� "*<"�� ��� '���� �6I ����� ��� ���� ��� ���� ����������� �*$% � �*��� ���* +�� ������� ������������'� ���� ��� ��� ������� �%� 6*%�����"*%$�7�"6*��� � �) � �� "*!�<�� ��� '���� ��� ������� � ��� ��� �� ��� #������� �� ��� ��������� �*�� � �*!)� ���* ����� ��� &�'�� ����������������� � �����'����� �� ����� �� ������� ������ ��� ��� �� ��� ���������� �%� 6*%�����!*$%�7��%*"�� ��� � �� "*!"%�* -�'�������� �� ��� ��� &�'��� �"I �� �1����'� ��� ��� #������� �� ��� ��������� �*�� � �*!) � ���* 2������ ��� ����� ������ ���������� ���� ���� (���� � �� ��� �������� ������� ����� ��� ������ ��� �� �������� � ��� �������1��� � �� �� ��� (���� �%��*))���$*���7<"*$"���6 � �� "*!�%� � '��� ����� �� ��� ��� � ����� ��� �� ��� ������� �%� �*$%����"*!)�7%�*�)�� �% � �� "*%!$�*

�� ����������� ���� ��0��� ���� ��� &�'��� ��� ������� ������� �����

���� ��� ���/���� ������� ���� ��� %� �� ���� ��* ,�������� ��� ������ �� � ���� ������ ���� ���������� � � �1������� ����� �� ��� ����� ������4��* +��� ��� ���������� ������� ��� ���� ��� � ���'������ �� ������� �2� � K���� � ��� �

�������� ��� �� ��� �� �������* +�� ��� �3�� ��������/����� � ������ �� ?���� � �������� �� ������������ ��� ��� �� ��� '������ ��'������ � ���� ������ � ������� �� ����� � ��� ���������*+�� �������� ������� ���� ����� �� ����� �� �� ��� ������� � ?��� ��

2,-+ � "��6�� � �� �6�

���" � �� "*)!)�� ����� ��� ��� ���� ��� ����1��������� � � ?��� ��

2,-+ � "�"6!� "�"�� �$�

�� % � �� "*)�<�* 2����� � ������ ���2,-+ ����� ��� ��� �� ��� ������� � ��� ���� ���� ������������ ��� ������ 2,-+ ��� ��� ����� '������ ������ �� ���������� ��� �������.����?� ��� � ���/���������� �/����� �6�*+�� ����������� �� ��� ���� �������� ���� ���� ��

��������� �������� � �1������ ���� 7 ������� ���.����� � ����������� �/��'���� ��� � ������� ������ ������� �� ?���� <*

�� �������� ��������+�� ����� �� 2+A+ ���� ��� ���� ��� �� ���

�� ��� ������� � ����� �� ����������� ������� % � ��� ��� �5������ ������ ����� ������ ������� �!�" �� �� ��� ���� �'���� �� * *� ��� '���"*�%�� "*"�6�* 0 ���� �� ?���� 6�� ��� ����������������� �������� �5������ � ��������� ��� ������ ��� ������� � ����� ������ ����4����������� �� ��� �����.�� � �� ���� ��� �1���� '��� ������1������ ��� �� �� �� ��� ��� ���� ��'������ *A��� ���� '������ ���� &�'��� (���� � �� ���

�������� �� -��������� �� ������ ������ 0* E* B������ � ����� ��66

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

1.6

1.2

0.4

0.8

0.0

864

R

W

HH

BS

SA

2speed (m s–1)

stri

de/p

edal

ling

freq

uenc

y (H

z)

0

HW

RO MB

2����� �* (��� � �������� ������� � ���� ���� � �� ����� ���/������ �������� �� ��� ��� �� �� ���'������ ���� * +�� ��� ���� ������ �������� ��� ������'������ �� ��� ������ �� �* +�� � ��� ��� ���� ��� ����� ������� �� ���� ���� �� � �'�����*

0.7

0.5

0.1

0.3

0.0

864

R

W

HHBS

SA

2speed (m s–1)

mec

hani

cal i

nter

nal w

ork

(Jkg

–1m

–1)

0

0.6

0.4

0.2

HWRO MB

2����� �* +�� �������� ������� ���� ����� ������������� ��� ����� ���� �������� ������� � ���� ���� � �� �� ����� �������� �� ��� ������ ����� �� ��� '������ ���� * +�� ��� ���� ������ ����������� ���� ��'������ �� ��� ������ �� �* +�� � ������ ���� ��� ����� �������� ����� ���� ������ ����� ��;���� �'� ���� ?��� �� ����� ��������*

Page 6: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

�������� ������ ���'�� ������� ������� ����� �5���������'�*

�� ��������

(��� �������� � ����� ������� ���� �� ��������� ��������� �� ���� �� 0���� ��� 0@2�� �� �� �� '�� �'���� ��� ��� ������*A�� �� � ��� ��� ��� ����� ������ �� ����� ���

������ �� ���� ���� ���� �����'� ������������������� �������* ���� ��� ���� ���� ��� ��������� ��* $6I �� ��� �� � ������ ����� ������������������� �� '������ ����� ������� ������ � � ������ ����� ��� ����������� �/��'���� ��� ������ ���� ������* ,� ������ ��� ����� �� �������� � �������'��� �� ����� ��� ��������������� ���� �� ������� �'������� ���� ���� ��� ���������� ?���� � � 0���� �1 0�* ,� ���� ����� ��� ���.����� ���� ������ � �������� ��� ���� ���� ���������� �� ����� ��� ���� ���* +�� � ��� �� ��� ��������� �� ��� ��� ����� ���� ������� �� ������ � � ����� ��� ���� � �� ������ ���� ��� ����� ����� ��� ��� � ���/������ ����� � ����� �� ����������� ��� ������ ��� ;�� �� ��� �����* +�� ����� �� ������ �� ��� � ���/����� ��� ?���� �� �� ��������� ��� ����� �� ������� ���� �B������ �))!��* +����'������ �� ��� #������� ��������� ������ ����.

���� �� ������� ������ ���� �� � ����4� ���� �� �� ���� ������ ��������� ��� � ��� ���� ��� ��� �� �� ����� ������ ���� ��� ����� * +�� �� � � ��� ;��������� ����� ��� ��'������� ���/������ ����� �������'����� �� ���������� �� ������4��� ��� �����'���� ����� ����� ������ �� ��� �� � ������ �� �� ����� ����� ���� ������ � �� ������� �� ����� ����������� ������� ���� �?���� ��* +�� ��� ������������� �1��� � ��� ������� �� �������� ��� ��'�������� ����� � �� �����'��� ��� ��������� ���������� ?���� �� �� �������� ��� ������� ������� ��� ����� � 0���� �1 # ��� �����* +�� � ��� ������� ����� �� ��� ������ ���� � ����� ����� ����* +��

��6$ 0* E* B������ � ����� �������� �� -��������� �� ������ ������

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

1.00

0.75

0.25

0.50

0.00

6

4

2

0

gait or bicycle

mec

hani

cal w

ork

part

ition

ing

spee

d (m

s–1)

W HH BS RO HW SA MB

internaldrag

externalrolling

2����� <* B������� ���� ����������� ��� ��� ��� ��'������ ��'��� � ����������� �/��'���� ��6" �� ��� ����� �������* 2�� ������ ���� ��� ����� �� ����� �� ����1����� ���� ������ ��� ���������� � ������� ��� �� ������� �� �* +�� ������������ �� �� � ���� ��'��� ������ &�'�� � ��� ������� ���� �� �� �� �� �����'� ��������� �� �������* +�� ������� �� �� �� ������� �� ��� ����������� �� ��� �������� ���� �� �� ��� �������������� � ���� ��'����� �������� ����� ������ ���� ����� ��'���� * 0.1

0.3

0.0

1.51.0

W

HH

BSSA

0.5stride/pedalling frequency (Hz)

effi

cien

cy 0.2

HW

ROMB

0.1

0.3

0.0

632

WHH BS

SA

1speed (m s–1)

effi

cien

cy

0

0.2

4 5

HW

ROMB

(a)

(b)

2����� 6* +�� �5������ �� ���������� ���� ���� ���������� ���� �������� ���� � ��� �������� ������ ���� �������� �� ��� ��������� ��� � �-� ��� �3�� ��������/�����* +���� ���'� �������� '������ ����� �������� �'��� ����� �� ���� � �������� ���������� ���� � ��� �����* +�� �������� ���� �� ��������� ������ �5������ ��� � ������ �� ��������������� ������ ������ ������� �� � ������*

Page 7: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

���� �� �������� ��� ����� ����� ���� �'� ���� �� ���� ���� ����� �� ��� ���'����� ������� ���������� ��� ������ ���� ����* ,�;���� ������� �� �������� ���� ��� ������ �� ��� ��� ���� �����������'���� �� � ������ �� ��� ���������� ����� ����������� � ������� ��� ��'������ �� ���.����� ���� �'�� � ��� ��� �� ������� �� ��� ���&�'�� �� ?���� ��* ���'��� �� �� �� ��� �� ��'� �� ������ ����'� � �� �� ��������� ��� �� � ��'��������� ��� ������� �� ����� ����� � ��'���� * -�'��.������ ��� ��������� �� ��� ������ ���� � ��� ����.����� �� ���� ��� ��� ������� ������� ��� ���� ���� ���� ��� ���� ���� �5������ � � ��� &�'�� ����� ������������� �1����'� ������� �� �� �* +�� ���� ���������� �� �� �'��������� ����� ���� �� 8����9������� ��� ��������� ��� ���� ���� �� �� ����������� ;�� ������ ������4���� �� ����� �1���4�����0��1� �� �))$�* +�� ��1� �������� �� ������� ���������� (���� � �� ��� �������� ���� ;�� ��� ������'� ������� ������� ���>���� ���� � ������� � ������� �������� �� �� ����� ���/����� ���� �� ��������� ��� ���� ��� �1����� �� �������� ��� �������� ������� ���� ��� ?���� ��*,� �� �� �� ����� ������ ���� ��� �'������� �� �������

������� � ������� ��� � �� ��� �� ���� �� ����������� ����� ��/���� * ,� ��� ������� ���� �� �� ���� �� �������� ����� ��/���� ��� ������ � ����� ���* �6"� � �*%6� ��� ��� ��� �������� �� ?������� ��� ������ ��� ���� ���� �*$$ ���� ���� ���� �� 6*��� �� ���� (���� � �� ��� ����������������� �� ���� ��� �������� ������* +������������� �/��'���� ��� �� ������� �� ?���� <��������� ���� ��� ����������� �� ��� ���� �������'���� ���� ��� ������� �������� ���� �����������1�������� ��7 ������� ������� ���������� �.��� �� ��� ������ �� �* ,� � ������ ��� ��� ���. ����� ��� ���� �� ������� ���� ��� ������������ ��� 0���� �1 G�� ����� ��� �������� ����������� � ���� ����������� ������� ���� ���

������� � &�'�� �� ��'��� �� ��� �������������� �� �� ��� ��� �� �� �� �� �����4� �����������������*A�� �� ��� /������ �� ���� �������� �� � ��� �����.

���� �� ��� �� � � ��� ��� �5������ �� ������� ���� � �� ������������ ������� � �� ������.������ ���� ������*�� �1����� �� ����'� ������'������� ���� ��� �������� �1��������� �� ��������� ��'��'� � �*�* ��� �����* ,��� � �� ���� �������� ��� ���� ����� �������� ���� ��� 0���� �1=� � �'� � �� ��� �������� ������ �1��� ������ ����5������ '��� ���� ����� �� ��� ���������� �1����� ���� ������� �� ���� ��� ��� ?���� 6� � 0���� �1 E�* N����� ���� �1��� �� �� ����� ���.���� �� ������ � �� ����� ��� ���������� ����� ��������� �5������� ����� ��� ������ �� ������������ * ,� � ���������� �� ���� ���� ��� ��� '������� ����1���� �5������ �"*�%�� "*"�6� ������� � �� .��� ���� ������ �� ��� ���� ��'������ ���� ��� ��������'� �� 0���� �1 2�* +�� ���'���� � �������� ������� ��� �5������3��'������� ��� ������ ���������� ��������� ��������� ������ �-����� �� ��* �)!�� ���� ����� ��� � �� * +�� ����� ������� �'�������� ���� �� ��� ������� ������� �������� ���� �� �� ��� � ������ �� �� ��� �� ������ �� �������'����������� ��� � � ��� ������ �� �������� ��� ���������'� ���?��� ��� ��� ����� �� �� �������������* +��� ��� ���� �� ��� �������� ������������� �� ��� '������ �� �� R ,� � ����� �� �������������� ��� �1���� �5������ ���� ���� �� ����� � ��'�� ���������� '������� ��*�* ���� �� �� ��* �)!6�*����� �� � ��� ������� ����� ��� ���������� ��� �� ��� ����� ���� �1����� ����� ��� ��� �������� �� �������� �� ��� ��� ��� �� ����� ���/������ ��������� �� ��� ����������� �� � �� ��� ���� � �������� ����� ���� ��* ���� ��� �������� �5.������ � ������ ���� ��� �� ����� ���/������ ��?���� 6-� �� ��� ���'� �� ������� ���� �*" 4��1���� �5������ � "*)%�"*"! 4 ��� �� ���������

�������� �� -��������� �� ������ ������ 0* E* B������ � ����� ��6%

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

C Wint Wext Wext muscleefficiency

main novelty

walking and running

body mass suspension

lower limb position, lessspeed oscillation, gear ratio

gear ratio, rubber tyre

safety, uphill/downhill

gear ratio, pneumatic tyre

(multiple gear ratio)

rolling resistance and drag

1820s Hobby Horse

1860s Boneshaker

1870s High Wheeler

1880s Rover

1890s Safety

race bicycle

ca. frequency,limb posture

ca. body,suspension

ca. drag androlling resistance

ca. gear ratio

1980s modern bicycle

horizontalvertical

↓ ↓↓ ↓↓ = =

↓ ↓↓ ↓ ↓

↓ ↓ = ↓

↓ = =

↓↓ ↓ = ↓

↓ ↓

= = = =

↓ ↓ = ↓↓

Table 2. Summary of the results

(Each symbol (upward arrow, increase; equals sign, no change; downward arrow, decrease) the comparison with respect to the preceding bicycle or gait. Metabolic changes are boxed todiscriminate them from mechanical results.)

represents

Page 8: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

����� � �� ��� ������� �� ��� ������� ���/����� ���� ��� ������� ���� ��'��� �� ����� �� � N�������"""�* ,� ������ �� ��� ���'� ��1���� ��� ������ � ��� ���� ���� ����� ��� ��'� ������� �� ������ � ���� �� ������ �� ��� �� �'���� �������� ���.�������� ��� �5������3'������� ���������� �� �1���������� ������� � ���@�� ����� ������ ��*" 4 ����� ������ ��� ������� ���/����� ��� ���� , ?����� �������� �(����� D K��� �))6�* 2��� ������ ���.�����'� �� �� �� � ��� ��� ����� ����� ��� ������� ����� ��� �'���� ������� �� ��������� � ����� � �� �������� ��� ����� �5������ � ��� ������ �� ��� ��� �����* #� �������� ��� �������� � �������� ����������� �� ��� ��� ������� ���������� �� �� ��� ������ ���� � �����4� ��� ��'� ������ ���� ��� ��������� �� ������� �'�������*A�� ���� ��� ��� ��� ���� ��� �� ������� �'�������

��!�"@�!)"� ����� �� �'� �� �� ������ ����� ���.��� �������� � �������� �� ���� �� ��* "*6� ��

��� �� �* 0��� ���� ��� �� ���� �� �� ��� �����.���� ������� ���* �)���� ����� ������4� ����� �5�������'�� ��� ����� ��� ����� ���������.������� ���������� ����.������ ��������� ���������� �� ����� ������ ��� ���� � �1����� �� ������ �� ������� ���.����� ��� ����� �� � �'���� � �L��� �))6�* ���'��� ���� ���� �� '������ �� ��� ��� '����� ��������� �����������*

+�� ����� ��� �� ���� =���� N��������� &�� (��� B�����E'� � ='� ������ ��� ����� '�������� ����� ����1�������� � ��� ����� ��'����� '��� �� ������� �������*,� ������ ��� ������ � ��� �� =� N����� -�� �&�����F���� ,� -���� (���� ���� ����� +���� (����.��.+�����HL� ��� ��� ��� � ��� ��������� G��� L<*

�������

2,-+ ��������� ���� ������ ������ ������ �� ���5����� ��� �/����� 6� ��� � 6"I ������ ������'����� ��'������ � � N������ �� ��* �)%)-� �� ����������� ����* ,� � ������ ��� ��� �������� ���������� ��������� � ������ ��� � �� ��������� � � ����������� ���� ������� �� ��� ������ ����� �� � ������ �� � ������ � ��� �� �� ?1� �� ��� ������� ����� � �� ��� ����� ���'�� ���� ����� ��� �� �����*,� ���� �� ��� ������� ������� ������ �� ��;��� ����

������ �� ��� ���� ������ �� ������� �� ��� ���������'������ � �� ������ 2,-+ ���� ��� �� ��� ������� � �� ����� ���/����� �� ������� �/����� �6��� �� �� ����� ��� ���5����� �� ����� �8� "*�6� K � ������ ������ ���� �����. �������� ���� �� �������� ���� ������� �� ��� �� ��� ������� ����* (��� ������ � ���� �� �� �� �� '�� ��;��� �������� ��� ������� ������� �� ��� ��� ����* ���'��� ������� ���� ������ � ��� ����� ����?����� �� ��� ����.��� ������� ���* "*�%��� ��� ����1������ �������� ���� ���� � �������*

������� �

=������� ����� ��*�* =� F���� �� ��* �))6: G� ��� ��* �)))� �'� ���� ������ ��� �������� ��� ��.�5����� �� ������� ������� �%�� �� ��� �� ������ ��� �1��������* 2����� $ ��� ������ ������ ����� �1��������� ��������* �� ���� ������ ������.����� ����� ��� � ��� ��'��'� ��� ��� ����� �� ���������� ����� �� ��� ��� ��� ����� ������� ������� ��'������ �� ��� ������ �� �* ,� �� �� ���������� ��� �'����� ������ �� ����� ��� �����.���� ���� ������ ���� ��� ��� ��� �������� ����� ������� ��������� ����� ������ � ��� '����'��� �� %� ���� ������� �'�� � �'�� ������ ������*0 ������ ��� �� L��� ��)!$�� ��� ������� ������� ��

����� ���� � ����� ��� �� ���� ���� ����� ���.�������� �� ��� ���� �� �� ��� ���� � ����� �� ���'������ �������� ��������� � ��� ������ ����� ������� �����* +��� �� ���� �� ������ �� �������� �������� ������� ��� ����9 ������� � ��� ��>���������� � 3�� �� ������� ��� ����9 ������� �� ����� �������.���.��;��� ��* &������ ������� ������ ������ ��� ������ ��� ������� � � ��� �������� ������ �� ��� '������3����� �������� ���� ��������� ���� � ��� �� ������ �� �1����� ����� �������L��� �)!$�* +�� � ������� �� ��� �� � �� ���������� ���� ���� ���������* ,� �� � 2� � ���� �� �� ���� ��� �� ��� ���� � � �� ��� ���������� ��� �����3����� �� � ������ �� ��� ���� ���� #������� ���� �� ����� ���� ���� ���� ����� ��� &�'��� ��� ������� ����� ���� ��� ������������ (���� � �� ��� ������� ����� ���� �������������* 2������ ��� ������� ������� �� ��� ����������� ���� �� �� ����� ��� ��� �� ��� &�'�� �� ���� ������ � ���� �� ����� �� �� �� ������ ����� ������*+�� %� '��� ��� ��� (���� � ��� �� ��� �������

����� �� ��� ������ �� � ���� ������ ��� ����

��6! 0* E* B������ � ����� �������� �� -��������� �� ������ ������

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

1

3

0 502010

time (s)

spee

d (m

s–1)

2

4

4030 60

2����� $* 0 ������ ������ ��� �1�������� ����� ����������� �������9 ������� �������* M������ ��� ������� �������� �� ����� ���� �'��� ���� �������� ��� (&B �F������ � � 4* +�� ���� ��� ��� � ����?��� �� ����� �������� ��� ��� ��1��*

Page 9: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

������� �� ��� ��������� ��� ���'������� ������� �'��������� ����� ��*�* F�� �� ��* �)!�: � N�������)!$�* ���'��� ����� �� ��� �������� ������� ��������� ���� �� �� �<" � <6��� �������'���� � ������������� ������ �< ��� ���� ������ �� ��� ������������� ������ %� '��� ��� /���� �������* +�� ������ �������� ������� ������� D ����� ��)%<� ��� ����������� ��� � �������� ���� � ���?��� �� ��� %�'��� ������� �� ��� �� �� ���� ��� ���������� � &�'�� ������� ��� '��� ��� ��� (���� � �� ����������*

�������

+�� �������� ���� ���� ��� ������� �������� ���� ����� �� ������ �� � �� ������ ����� �� ���5����� �%� �� �*� ��� �� �������� '��� �������� �� ������� ������� ���� �� ���� ���� � ������� ���� �� ������ ������� ���� ��� �� ���� ��� ������� ������� � � N������ �)!$�*+�� '��� �� ������ �� ������� �� ��� �� � ����

�������� ���� ���� ������� �� ��� ��������� ��� �� ��� ������� �F�� �� ��* �)!�: � N������ �)!$�� ������� ������� �(��� �!)$�* +�� ����� '��� ����� �� ��� ������� �� �� �������� �� ��� �������������� ������ ���� �� ��� �� �� ������ �� �������� ������ �� �� �� ����� � �� ��� ������� ������������� ����� � ���� 8����9 �� ��� �� �� ������� ���� ��� ����� ������� �� ��� �� ���� ������ ��������� ��� �� �� �� �� �����'� ����� ������* ���'��� ��� �������� �� ������ �� ���� ��� ���

������ �� �� �� �������� �������� �� ��� ����.��� � ��� �� ��� ���� �� ��� ������� ��'������ �2� "*�"$ ��"*"����� K���� ���� ��� �1������� �� ��� ��� ������� �2� "*�$��� K ����� ��� ���� '��� ������� � �� �������� ���� ��� ������ ��� ��������1�������� �� ��� A� ����9 �� �� ���� �� �'����.���� �� ��� �!%"* 2��� ��� �!)" ���� � ����� �� ���� � ������� ������� �� ����� ���� ���� ��� ��� ������ �� �� ����� ��� ��������L��� �))6�* +�� ���� �������� '������ �� ��� ����� �)�" �'�� ������ ���������� ������� ������������� ��������� ��� ����� ������ � �������'����� ������ �(��� �!)$�*

������� �

,� ��� ����� ���� �������� ���� � ��������� ���� ������� ����� ����4���� �1����� ���� � '�������1����� ���� ��� ���� ��* ,� ������ �� ����� ����.������� ����� �� � �� ��� ���� ������� �1����� � ������� ���� �'� �� �� ������� ������� � ���� ������ �� ������ ������ ������� ��� ������ ;������ ������� �� ���� ���� ������� �� ������������ ������� �� ���� �� ��� ���� ������ ���� ����������* (���� ��� �� ��� '������ �����.���� �� ��� �� � ������ �� � � �������� �� �������� ������ �� ��� �� � ��� �� ��� ����4������� ��������� ������ �� ��� ������� ����� ��� ������� ���� ���� ����� ������ ��� �������������� ������ ������ � �� ������ � ��� �������������� �� �� ���� � �� ���� ���* ,� �� �� ����� ������ �5������ �������� ���� ��� �������

��'������ � �� �������� ���� � ������� ���� .��� �� �������� ������ ������ ������� �1����� � ������� ����*

������� �

0� �� ���� ��� ��� ��� �5������ �� ��� ���� ��� �� �� �1����� �� ������ �������� ��� �� ����� ��.���������� ��/���� ��� �������* ,� ���� �����;��� ������� ������� ������� � �������� ������ ������� � ��� ����� ��� � ����� � ����� ������ ��� �'���� ���� ��� ���'��� ���* 2�� ��� ����'������� ��� ��� ��� �� ��� ���� � ������ �� ����������� �� ��� ����� ����� ����� ��� ����* 0������� ���� ��� ��� ������ �� �������� ��� �� ����� �� ������� � ���� ���� #������� � &�'��� ���� ��� ��� ���� � ��� ������ �������� �������� �� �� '�������* ����� D ����� ��)%<� �������� ��� '������� �� ������ ������������� ���� ��� � � ���� ��� �� (��� ��!)$�� ����?��� ��� �� �� ��9 ����� � ��� �� '������� ����� ���� �� ��� ������� ���� ��� ������ ����*

������� �

����� ��� �� ��� �������� ��������� ������������ � �� ��� �������� ������ �� �� �� ��� ���.����� �� � ���� ��� �� � �� ��� ��'�� ����� ������ &�'��� (���� � �� ��� �������� � ��� /����?� *+�� � �� ������ �� ��� �'���� ����� �5���������'� �� ��� ���� '������ ������ ���� �� ?���� 6� ���� �� ���������� �� ��� �������� �1����� ����* +�����. ��'�� (���� � ��� �� ��� ������� ���� ������ ��� ����1������ ��� ����� � �� ����� ����� ���� ���������� ������ �� ��@�I� ����� ������� �������� ������ �L� �� ��* �))$�* &����� ���&�'�� �� ���� � � ������� 8 ����� ����� ����9������ � ����� ������� ������� ������� ������ ��� ����* +�� ���� ��� ��� ����� �5������ ��� ��� ��� ��� ����������� � ������ �� ��� ����� � ����� �������� ���� ����� �� ��� ��������� � ��� ��� � ���� ������ ��������� ������ �� ��� ��� �� ��� ����� ��� ����� �� ������ ���� ��� �����* +�� ������� ���'� �� �����'� ������� �� �������� ��� ���������� ���� ���� ��� 8������ ����9 �(��� �!)$� �� ��������� ������ ���� ������ ���� ��� ��'�� ��� � ������� ���� �� �� �� �� �� ��� �������� ���� ��� �����*

���������

0��1� ��� &* B�-* �))$ 9����� ��� �����* N��������H��'����� N��*

G� �� &* #*� F����� 2*� B��� � B*� #������ #*� B������F* O*� ����� B* =*� #����� 0* &* D &�������� K* =* �)))(�����?� ���������� ����� ��� ����� �� �����'������ �� �������*���3 ���3 ����� ����3 ��� �<<�@�<<%*

G������ G*� (����� 2*� S����� N*� =� B����� 0*� 2��� B*D =� N������� N* E* �))! E�������� �� ��� ���������� ������ �������*���3 ���3 ����� ����3 ��� $�<@$�<*

G'��� F* 0* D L����� B* �)%% B������� ���� � �5.������ �� ��'�� ������ � �������* :3 *�����3 ��� <$%@<!�*

=� F����� F*� (������ 0* D F����� K* �))6 0�� �������� � ������� ������� ����� �������* ���3 ���3 ����� ����3 ���")"@�")6*

�������� �� -��������� �� ������ ������ 0* E* B������ � ����� ��6)

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��

Page 10: From bipedalism to bicyclism: evolution in energetics and biomechanics of historic bicycles

� N������� N* E* �)!$ +�� ������ ��� �� ���� ������������ �� � �� ����* 1�3 :3 ����� ���3 �� 66@%�*

� N������� N* E* �""" G������ �� E���� �� ���� �� ���B���* ���3 :3 ����3 *�����3 � � �<6@�$"*

� N������� N* E*� G������� F*� B������� N* D (������ 2* �)%)�E/����� �� ������ �� ������* :3 ����3 *�����3 ��� �"�@�"$*

� N������� N* E*� B������� N* D (������ 2* �)%)- ,����������� �� �������* ���������� ��� )�6*

=� ��� N* �))$ �� -������* N��� 2�������*F��� 0* G*� L���� G* &* D B�������� =* K* �)!� +�� ��� �.���� �� ����.������ �� '������* ���3 ��* ��� ��<@��<*

L� � B* =*� Q���� -* E* D &������ &* Q* �))$ #������ �����5������* ,� �� �������� �� ���� �� * (* ���� ��* ��%@��"* &����� ��+�� -������� � #����*

L���� G* �)!$ B������� ����� ������� ��� ��� �� �����*,� ������ �� ������ �� * E* &* #������ ��* ���@��$*G������� ,Q� ��� L������*

L���� G* �))6 0 ������ �� ���� ������ '������ � �����.������* ,� ���� ��;���� ������� �� * 0* M* 0����� D =* F*������� ��* )6@���* G������� ,Q� ��� L������*

B������� 0* E* �))!� 0 �� �� �/����� ��� ��� ��� ������ ��

�������� ������� ���� �� ��������� ����������* :3 �������3��� <$�@<$!*

B������� 0* E* �))!- +�� ���������� �� ������� ���� ���� ��������� �� ���R *���3 �3 ���3 #��3 # ������%@���6*

-������ L*� (��� � �* D F������ +* L* �)!� �� ����� �������*Q�� ��� #����������*

(������ 0* K* D K���� =* 0* �))6 +�� ����?���� �� ��������� '�������� �� ������� �������� ������ �� �����* ,�<����� �� ����������� ����� �� ����� ������� �� * (* F� �'��&* B* E���� 0* K* B�G��� =* F* (���� D G* L*+����� ��* ���@��!* -��O���� N����� N��*

(���� 0* �!)$ ������� �� ��������* Q�� ��� Q����� DF����* �&������� �� �)%%* G���� ��� B0� B,+ N��*�

������ 2* &* D ������ =* F* �)%< �������� �����* G���� ���B0� B,+ N��*

���� ��� &* G*� G������ -* 0* D ������ E* �)!6 ������������� �� ����� ���������* Q�� ��� 0� ���� N��*

0 ��� ���� �1��� ��� �1���� ������ ������� �������� ���� ����� �'� ���� �� ���������� �� ��� ������ ���*

��$" 0* E* B������ � ����� �������� �� -��������� �� ������ ������

*���3 �3 ���3 #��3 # ��""��