網(wǎng)球鞋鞋底結(jié)構(gòu)與功能的生物力學(xué)研究

摘 要：本研究運(yùn)用PK-227A止滑試驗(yàn)機(jī)測(cè)試三種不同鞋底花紋設(shè)計(jì)的止滑性；并試圖通過稱取鞋底磨耗質(zhì)量以判定三種網(wǎng)球鞋鞋底的耐磨性；運(yùn)用Mega ME6000 8通道肌電儀，分別對(duì)6名男性穿三種不同網(wǎng)球鞋時(shí)的下肢主要肌肉做功測(cè)量和分析，試圖通過實(shí)驗(yàn)研究并結(jié)合理論分析，對(duì)網(wǎng)球鞋的能量回歸實(shí)際功效給予評(píng)價(jià)，并探討網(wǎng)球鞋能量回歸的影響因素，從而為網(wǎng)球鞋的能量回歸設(shè)計(jì)提供生物力學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)球鞋鞋底 止滑性 能量回歸 肌電

中圖分類號(hào)：G804.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（b）-0241-03

1 網(wǎng)球鞋鞋底的研發(fā)要點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)鞋鞋底結(jié)構(gòu)一般包括外底和中底，外底的功能一是保護(hù)腳底，使其不受地面利物的損傷；二是起到制動(dòng)、防滑等多種作用來滿足不同項(xiàng)目的特定要求。常用的運(yùn)動(dòng)鞋外底材料有全（橡）膠、全塑（料）、橡塑并用及聚氨酯等。中底主要的作用是減震、存儲(chǔ)能量以及能量的返還。

網(wǎng)球鞋鞋底除了具有一般運(yùn)動(dòng)鞋底的功能外，還應(yīng)有自己的獨(dú)特性能，主要表現(xiàn)在底部件的設(shè)計(jì)上。從網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)特性可知，網(wǎng)球鞋外底前掌是主要受力部位，應(yīng)有很好的制動(dòng)效果，其外底花紋在左右和前后方向要有較強(qiáng)的抗滑移能力，后跟部位也要有必要的防滑效果，以避免運(yùn)動(dòng)中的重心不穩(wěn)，影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)，達(dá)不到運(yùn)動(dòng)保護(hù)的目的。另外，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)過程中有較多的迅速止滑運(yùn)動(dòng)，鞋外底花紋與地面摩擦后，紋峰易磨損，摩擦系數(shù)降低，止滑性減弱。因此，耐磨也就成了防滑的前提。要求鞋底前掌外側(cè)和后跟部位耐磨性好。另外，在側(cè)身擊球時(shí)，要求鞋具有良好的翻轉(zhuǎn)控制功能。

從功能方面，由于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地大，運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)距離長(zhǎng)，在一場(chǎng)比賽中需要3～400次的能量釋放，特別是運(yùn)動(dòng)員從靜止?fàn)顟B(tài)或制動(dòng)后的爆發(fā)式啟動(dòng)，更需要運(yùn)動(dòng)員滿負(fù)荷的能量釋放。所以，專業(yè)網(wǎng)球鞋的彈性、即能量回歸的功能顯得尤為重要，運(yùn)動(dòng)鞋釋放出的反作用力能為穿用者節(jié)省更多的體力。另外，高強(qiáng)度的步法移動(dòng)和跳躍勢(shì)必給運(yùn)動(dòng)員膝、踝關(guān)節(jié)帶來沖擊，要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。因此，網(wǎng)球鞋的減震功能也是設(shè)計(jì)者必須考慮的。

鞋的質(zhì)量大小亦對(duì)運(yùn)動(dòng)成績(jī)產(chǎn)生影響。鞋是人體本身以外的附加體，鞋的質(zhì)量越大，在運(yùn)動(dòng)全過程中消耗的能量累積效應(yīng)也越大。假設(shè)跑動(dòng)的距離為s，每只鞋的質(zhì)量為m，則人體在每只跑鞋上所消耗的能量約為1.5 mgs（J）。這表明隨著距離的增大，其能量積累效應(yīng)也將越來越明顯[1]。鞋子每增加0.1 kg質(zhì)量，人體需要多消耗約1%的能量[2]。由于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)動(dòng)員體能消耗較大，要求盡量減少體重外的負(fù)荷，鞋成了主要考慮因素，要在確保牢固的前提下減小鞋底及整鞋的重量。

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中足部有一定的屈撓和彎曲，是網(wǎng)球鞋的底部件易達(dá)到疲勞極限，易在外表層產(chǎn)生細(xì)小裂紋，最終導(dǎo)致底部斷裂，所以網(wǎng)球鞋的耐屈撓性很重要。網(wǎng)球鞋前蹺較低的設(shè)計(jì)，可使人體具有較好的穩(wěn)定性。

網(wǎng)球鞋鞋底的總體設(shè)計(jì)要求是耐磨、耐屈撓、止滑性、減震性、彈性好，穩(wěn)定性好，質(zhì)輕。而防滑性和彈性（能量回歸）是對(duì)專業(yè)網(wǎng)球鞋鞋底最重要、最基本的性能要求，也是本研究從生物力學(xué)角度所要探討的問題。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 大底止滑性實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

運(yùn)動(dòng)鞋的止滑性能是指在人運(yùn)動(dòng)過程中鞋底的防滑性，其值可以用鞋底與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地面的動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)的大小來表示，摩擦系數(shù)越大，止滑性能越好。因此在研究鞋底止滑性能的大小時(shí)，采取的方法一般都是利用各種摩擦力測(cè)試儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)鞋底在定的垂直壓力下，以一定的速度在實(shí)驗(yàn)路面上滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力，用測(cè)得的摩擦力除以垂直壓力就是摩擦系數(shù)值。如前所述，鞋底止滑性能的影響因素非常多，并且各因素之間的關(guān)系復(fù)雜，這不僅影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，還增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的難度。為了盡量減少實(shí)驗(yàn)誤差和不同因素的干擾，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的置信度，本實(shí)驗(yàn)固定了其它的實(shí)驗(yàn)條件和因素（止滑測(cè)試儀的行程，滑動(dòng)速度，法向載荷等，如下所述）。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

止滑性能是網(wǎng)球鞋的重要指標(biāo)，而耐磨性是止滑性的前提。本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)試三雙實(shí)驗(yàn)用鞋的靜摩擦力、動(dòng)摩擦力及相同條件下的鞋底磨損情況，從而評(píng)價(jià)采用不同花紋和材料組合對(duì)鞋底的止滑性及耐磨性的影響。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

運(yùn)用電腦式鞋子止滑試驗(yàn)機(jī)兩次對(duì)鴻星爾克“靈足”網(wǎng)球鞋、NIKE AIR COURT網(wǎng)球鞋、ADIDAS BARRICADE網(wǎng)球鞋進(jìn)行止滑性試驗(yàn)。并通過鞋底磨耗質(zhì)量，判定鞋底耐磨性（如表1）。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

PK-227A電腦式鞋子止滑試驗(yàn)機(jī)、電子天平。

2.1.5 實(shí)驗(yàn)過程

測(cè)試實(shí)驗(yàn)用鞋在表面光滑的干態(tài)混凝土表面上的靜摩擦力和動(dòng)摩擦力。在測(cè)試前后分別稱單只鞋重，取平均值。

2.1.6 法向載荷的選定

同樣，在已經(jīng)選定的速度和行程兩個(gè)水平的基礎(chǔ)上，選取負(fù)載為10 kg、20 kg、30 kg三個(gè)水平進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，法向載荷為30 kg時(shí)，摩擦系數(shù)折線的曲率最平穩(wěn)，因此選定30 kg為本實(shí)驗(yàn)的法向載荷。

2.1.7 滑動(dòng)速度和摩擦行程的選定

本實(shí)驗(yàn)所用止滑儀的最大速度為290 mm/min，為了使實(shí)驗(yàn)外其他方面因素的影響程度降低，選取了幾個(gè)速度進(jìn)行測(cè)試，選擇測(cè)試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好的速度值作為正式實(shí)驗(yàn)條件。與行程的測(cè)定方法相同，在已經(jīng)選定的行程（250 mm）和相同的負(fù)載（30 kg）下，選取290 mm/min，280 mm/min，260 mm/min，195 mm/min，135 mm/min五個(gè)水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析。滑行速度為290 mm/min時(shí)摩擦系數(shù)折線的曲率最平穩(wěn)，因此本實(shí)驗(yàn)最后選取的速度為290 mm/min。

室溫條件下，選取以速度290 mm/min，負(fù)載30kg的鞋底在干態(tài)混凝土表面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，行程分為100 mm、150 mrn、200 mm、250 mm四個(gè)水平，每個(gè)水平進(jìn)行3次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和圖形，選擇數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好和摩擦系數(shù)曲率比較平穩(wěn)的行程水平作為正式實(shí)驗(yàn)的行程。實(shí)驗(yàn)行程為100 mrn和250 mm時(shí)，折線曲率比較平穩(wěn)。但因行程為100 mm時(shí)摩擦力仍然在增大，沒有達(dá)到穩(wěn)定平穩(wěn)的狀態(tài)，因此本次實(shí)驗(yàn)行程選擇了250 mrn。

2.1.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2顯示，三雙網(wǎng)球鞋中蹬伸效果最好的是鴻星爾克，其次是阿迪，耐克最差；鞋底止滑性最好的是阿迪、鴻星爾克次之、耐克最差。但三種網(wǎng)球鞋鞋底蹬伸效果和止滑性均不存在顯著差異。

表3顯示，耐克網(wǎng)球鞋底耐磨性最好，阿迪次之，鴻星爾克最差；且耐克和阿迪之間不存在顯著差異。

2.2 中底能量回歸之實(shí)驗(yàn)肌電實(shí)驗(yàn)（肌肉工作狀態(tài)）

2.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

網(wǎng)球鞋能量回歸的目的是減少身體能量消耗，而肌電能夠通過對(duì)肌肉活動(dòng)的監(jiān)測(cè)來評(píng)價(jià)肌肉做功和能量消耗，因而本研究希望通過表面肌電來研究和分析穿不同鞋時(shí)的肌肉做功，進(jìn)而研究運(yùn)動(dòng)鞋的能量回歸功效，為網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計(jì)提供參考。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

運(yùn)用芬蘭Mega ME6000 8通道肌電儀，對(duì)6名青少年男性大學(xué)生分別穿著鴻星爾克“靈足”網(wǎng)球鞋、NIKE AIR COURT網(wǎng)球鞋、ADIDAS BARRICADE 網(wǎng)球鞋，在網(wǎng)球場(chǎng)底線中點(diǎn)處開始，交替以交叉步跑向兩個(gè)單打場(chǎng)地底角，并迅速將各點(diǎn)的球拿回底線中點(diǎn)處，同時(shí)采集左右下肢各4塊不同肌肉做功的平均數(shù)據(jù)。對(duì)平均數(shù)據(jù)的各通道做功與負(fù)荷以及下肢肌肉總做功進(jìn)行分析，比較3款不同網(wǎng)球鞋之間的差異。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

（1）實(shí)驗(yàn)受試者。

體育學(xué)院男生6名，身體健康，無臨床病史，足部形態(tài)功能正常，無足病和運(yùn)動(dòng)性障礙，經(jīng)過技術(shù)培訓(xùn)并經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)作穩(wěn)定性好、測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性高。

（2）實(shí)驗(yàn)用鞋購(gòu)置于大型百貨商店品牌特許零售商專柜（如表4）。

2.2.4 測(cè)試肌肉篩選及其依據(jù)

測(cè)試肌肉為下肢左右各4塊肌肉，分別為：腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、脛骨前肌、股四頭肌和股二頭肌。測(cè)試肌肉的選擇基于一定的標(biāo)準(zhǔn)。首先這4塊肌肉連接了下肢髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)，是文獻(xiàn)中廣為采用的，這些肌肉也是下肢運(yùn)動(dòng)中主要做功肌肉。其次腓腸肌能屈踝關(guān)節(jié)和屈膝關(guān)節(jié)，在站立時(shí)，能固定踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，以防止身體向前傾斜；脛骨前肌可使足內(nèi)翻；股四頭肌是全身體積最大的肌肉，是膝關(guān)節(jié)強(qiáng)有力的伸肌，還有屈大腿的作用；股二頭肌可以屈膝關(guān)節(jié)，伸大腿（如表5）。

2.2.5 實(shí)驗(yàn)過程

在受試者測(cè)試肌肉表面貼上電極片，連接肌電儀，隨機(jī)著三款不同的網(wǎng)球鞋在在網(wǎng)球場(chǎng)底線中點(diǎn)處開始，交替以交叉步跑向單打場(chǎng)地兩個(gè)底角，并迅速將拿回底線中點(diǎn)處，每次拿一球，并以節(jié)拍器控制時(shí)間，5秒內(nèi)完成一次往返跑。每次實(shí)驗(yàn)間隔15分鐘，讓被試充分休息。

2.2.6 表面肌電信號(hào)的采集

利用芬蘭Mega ME6000 8通道肌電采集盒，用記錄模式分別采集穿3款不同網(wǎng)球鞋時(shí)的SEMG信號(hào)，信號(hào)的采樣頻率為1000 Hz，采樣時(shí)間35秒，肌電信號(hào)采集采用雙電極引導(dǎo)法。

2.2.7 肌電圖的分析處理

取運(yùn)動(dòng)開始穩(wěn)定后連續(xù)一分鐘的肌電圖進(jìn)行分析處理。取平均數(shù)據(jù)的各通道做功、總做功兩項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)合SPSS 12.0統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析。顯著性水平P <0.05（*），P <0.01（**）。

2.2.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）下肢各通道肌肉做功分析。

表6顯示：T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的雙尾概率P >0.05，說明差異不顯著。

（2）下肢肌肉總做功分析。

表7顯示：在穩(wěn)定慢跑連續(xù)一分鐘的肌肉總做功上，穿鴻星爾克網(wǎng)球鞋時(shí)的平均做功為364 035.4（uVs），穿耐克網(wǎng)球鞋時(shí)平均做功為345 337.0（uVs），穿阿迪達(dá)斯網(wǎng)球鞋時(shí)的平均做功為342 409.0（uVs）。

穿耐克和阿迪達(dá)斯網(wǎng)球鞋時(shí)下肢肌肉總做功有顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.975，且概率P <0.01。

T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的雙尾概率P >0.05，認(rèn)為穿三雙網(wǎng)球鞋時(shí)下肢總做功不存在顯著差異。

3 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

3.1 鞋底止滑性實(shí)驗(yàn)

3.1.1 鞋底止滑性

前掌靜摩擦力從大到小依次為鴻星爾克、阿迪、耐克，動(dòng)摩擦力從大到小依次為阿迪、鴻星爾克、耐克。雖無顯著差異，卻據(jù)因此判定鴻星爾克的獨(dú)特底紋設(shè)計(jì)具備良好的止滑性。

3.1.2 鞋底耐磨性

鴻星爾克網(wǎng)球鞋鞋底磨耗質(zhì)量遠(yuǎn)大于其他兩雙網(wǎng)球鞋，原因與特殊底紋增大了與地面的摩擦接觸面以及大底材料選擇有關(guān)。

3.2 肌肉工作狀態(tài)

3.2.1 下肢肌肉總做功

其平均值從小到大依次為阿迪、耐克、鴻星爾克。從肌肉做功指標(biāo)分析，阿迪能量網(wǎng)球鞋可以更好地減少能耗，可以認(rèn)為有一定的能量回歸功效，但比較其它兩款運(yùn)動(dòng)鞋而言，這種差異并不顯著。

3.2.2 下肢肌肉總做功的相關(guān)系數(shù)及檢驗(yàn)

阿迪和耐克相關(guān)系數(shù)較高。結(jié)合平均值，說明在肌肉做功上阿迪和耐克相近。因此阿迪達(dá)斯和耐克在減少能量消耗的功能上比鴻星爾克稍好，但差異不顯著。

3.2.3 下肢各通道肌肉做功

穿耐克網(wǎng)球鞋時(shí)通道1做功差異顯著，其它各通道做功差異不顯著。說明下肢各通道肌肉做功差異不顯著。

4 網(wǎng)球鞋設(shè)計(jì)的生物力學(xué)建議

4.1 提高鞋與足系統(tǒng)的整合性

鞋足系統(tǒng)的整合性對(duì)能量回歸率有很大的影響，在網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合鞋楦和鞋底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使鞋足系統(tǒng)達(dá)到高度整合，提高運(yùn)動(dòng)鞋能量回歸率。

4.2 能量存儲(chǔ)釋放周期與步態(tài)的一致性

網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計(jì)時(shí)，把能量回歸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能量存儲(chǔ)與釋放周期與不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的步頻和步態(tài)周期相結(jié)合，使得能量回歸與步態(tài)協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)真正意義上的能量回歸。

4.3 減輕運(yùn)動(dòng)鞋自身重量

網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計(jì)時(shí)，在不改變能量回歸結(jié)構(gòu)性能的前提條件下，盡量使用輕質(zhì)材料，去除多余設(shè)計(jì)以減輕運(yùn)動(dòng)鞋質(zhì)量。

4.4 鞋底設(shè)計(jì)建議（如圖1）

（1）1和5硬度小，耐磨，減震性好。

（2）2彈性好，防滑移性能好。

（3）3翻轉(zhuǎn)控制性能好。

參考文獻(xiàn)

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