不同材質籃球鞋底結構對運動員下肢減震的作用研究

尹娜 張增光

摘 要：籃球鞋的鞋底結構以及鞋底所使用的加工材料，是影響籃球鞋減震性能的最關鍵因素。利用減震試驗機對不同材質和機構的籃球鞋進行撞擊測試，對國內外較為知名的三大籃球鞋生產品牌所生產的某型號籃球鞋進行鞋底結構、使用材料以及鞋底對運動員下肢減震作用展開研究。最終結果表明：實驗Ⅰ組在固定撞擊能力（5J 和7J）條件下，能夠獲得低于實驗Ⅱ、Ⅲ組的撞擊力峰值和G值;實驗Ⅱ組的整體減震性能居中;實驗Ⅲ組在面對固定撞擊能力時表現出了最差的撞擊力峰值和G值，整體減震效果最差。

關鍵詞：復合材料;籃球鞋底;撞擊力峰值;G值;減震作用

中圖分類號：TS943.1;TU352.1 ??????文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0162-05

Study on the effect of basketball sole structure with different materials on lower limb shock absorption of athletes

YIN Na，ZHANG Zengguang

（Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：

The structure as well as the materials of the sole of basketball shoes are the most important factors affecting the bumping-absorption performance of basketball shoes.In this paper，the impact tests of basketball shoes with different materials and brands are carried out by using the bumping-absorption testing machine.The author also studies on the structure of the sole，the use of materials and the effect of the sole on the lower limb bumping absorption of a certain type of basketball shoes from three well-known local and international brands.The final results show that under the condition of fixed bumping level（5 J and 7 J），the experimental group Ⅰ could obtain the lower bumping force peak value and G value compared with the experimental groupⅡand Ⅲ.The overall damping performance of experiment group Ⅱ was in the middle，while the experiment group Ⅲ performed the worst peak impact force and G value，and the overall shock absorption effect was the worst.

Key words：

composite materials;basketball sole;peak impact force;G value;cushioning effect

籃球鞋能夠為參與籃球運動的運動員或愛好者提供充分的抗扭轉能力、減震能力以及摩擦能力等。其中，減震能力是考量鞋底材料吸收或降低震蕩波能力的主要表征，減震能力并不等同于鞋底的柔軟度。因為，籃球運動員在拼搶籃板、投籃等動作以后，往往還需要立刻進行極速的跑動，鞋底過于柔軟往往會影響球員的啟動能力[1]。因此，恰當、合理的減震結構設計和材料選擇，是考量籃球鞋制造商籃球鞋生產工藝的重要指標之一。本文在開展籃球鞋減震實驗時，將減震試驗機的撞擊水平固定在5 J 和7 J條件下，對國內外不同品牌的3種籃球鞋的減震性能進行實驗分析，分別檢測3種籃球鞋的撞擊力峰值和G值得到3種品牌籃球鞋中的最佳減震結構和減震材料。本文的主要實驗目標，是得到實驗Ⅰ至Ⅲ籃球鞋在排除人為因素條件下面對相同的沖擊表現出的不同減震性能，從而針對該籃球鞋的鞋底結構和鞋底材料進行針對性分析[2]。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

當前籃球鞋領域所采用的主要減震方法主要有氣墊減震和材料減震兩類，其中氣墊減震是利用特殊的鞋底結構通過惰性氣體實現籃球鞋的減震;而材料減震則是利用特種橡膠、非牛頓流體等新型高分子材料代替一部分鞋底材料，利用高分子材料的特殊力學性能實現籃球鞋的減震。

1.1.1 氣墊減震

Sole結構氣墊是籃球鞋領域最早開發的氣墊種類。Sole氣墊在緩震、性能和平衡方面較為均衡，但是比較中庸。Sole氣墊最早用在AJ球鞋系列上，現在則一般應用于空軍一號、DUNK以及一些比較低端的AJ團隊實戰鞋上[3]。Sole氣墊結構偏硬、緩震效果一般，對于大體重的籃球運動員而言，并不能在激烈的籃球運動中提供充分的抗震性能。

Zoom結構氣墊目前屬于最優秀的籃球鞋組成氣墊結構[4]。Zoom結構氣墊主要放置在籃球鞋的前掌，具有不錯的減震和優秀的回彈以及很不錯的場地感，更是提供了加速的性能。在部分高端球鞋上更是放置了雙Zoom氣墊來達到更加優秀的減震效果。某些球星款的籃球鞋如MELO8和MELO9等，其采用的Zoom結構氣墊創新性使用了Cage zoom，也就是最大容量Zoom氣墊。鞋體的穿著感極為良好，柔軟度極高。但是由于鞋體過于看重減振性能，最終導致該籃球鞋的穩定性欠佳，在非木質地板場地如水泥地等場地進行劇烈對抗時容易扭轉過度而引發扭腳等。但是該結構的氣墊減震腳感毋庸置疑。

Airmax結構氣墊堪稱是中鋒和大體重籃球愛好者的一大最愛。大面積的氣柱結構能夠為運動員提供極為優秀的抗震能力。氣柱內部的惰性氣體在受到運動員腳部擠壓時，很容易發生性變，此時氣墊內的惰性氣體受到刺激會促使氣體產生流動最終形成氣體對運動員足部的回彈和緩沖，從而為運動員提供減震[5]。但是，由于Air max結構氣墊整體厚、重，需要一定體重的運動員材料對氣柱內的惰性氣體產生足夠的擠壓，往往更適合大體重籃球運動員。同時，外露的氣墊結構也較容易因為劃傷而產生惰性氣體泄露，最終影響球鞋的減震性能。

Total air結構氣墊通常也被稱為巨無霸氣墊，也可以看成是Max air的加強版，氣墊的容量和分布面積更大，遍布全掌，性能和Max air無異[6]。多用于內線籃球鞋，適合大體重人群或者一些后腳跟有傷彈跳又比較好的人，可以提供優秀的吸收震動的效果。

1.1.2 材料減震

Phylon材料減震其實就是EVA演變而來經過二次發泡的鞋底[7]。與一般的EVA材料相比，Phylon 材料更輕便、更有彈性，能夠為運動員提供更好的緩震性能，一般用來組合氣墊使用。單純使用Phylon 材料制備的籃球鞋腳感偏硬，雖然能夠提供足夠的減震性能，但舒適度方面不如氣墊球鞋或者采用Sole材料制備的籃球鞋。

Cushlon材料減震有點類似Phylon升級以后的版本，可單獨使用[8]。Cushlon 材料減震性能優于Phylon，但是與其他的高分子材料如非牛頓流體材料相比，Cushlon 材料減震性能一般，舒適度也不佳。僅有部分籃球運動鞋如KOBE系列使用這種材料進行籃球鞋底制備，一般多用于跑鞋、登山鞋等。

非牛頓流體材料，主要指的是利用某些材料具備的非牛頓流體效應制備籃球鞋或鞋墊，從而為籃球運動員提供極為優異的非沖擊狀態下的支撐性和沖擊時的減震性能等[9]。無論是直接用在球鞋鞋底還是拿來當做鞋墊，非牛頓流體均能夠為運動員提供良好的使用性能。實際上非牛頓流體材料也是由EVA演變而來，其應用原則并沒有改變。即利用一種輕軟有彈性的材料，在運動員足部面臨沖擊時提供足夠的緩沖等。但是，由非牛頓流體材料制備而成的籃球鞋一旦被劃傷，往往容易導致鞋體整個報廢，使用時需要格外注意。另外，非牛頓流體材料強調即踩即走，不需要磨合，

發泡材料，籃球鞋中底緩震材料常用的發泡材料主要兩種：E-tpu發泡材料;Pebax發泡材料[10]。E-tpu發泡材料是在熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）的基礎上形成的，主要通過改變TPU結構重組得到的高回彈泡沫顆粒的新型TPU發泡材料，即熱塑性聚氨酯（E-tpu）是由無數個彈性十足、質量很輕的TPU發泡小球集結在一起形成的一種新型高分子材料。Pebax發泡材料鞋底則是利用一種由剛性聚酰胺嵌段和軟聚醚嵌段組成的，具有極高性能熱塑性的嵌段共聚物制備而成的籃球鞋底。該材料保持延續了傳統概念中將聚酰胺相關的韌性和聚醚的彈性相結合。在反復彎曲過程中，Pebax彈性體可以提供極其高效能量回收。穿著Pebax發泡材料中底技術鞋款可以將能量損耗系數降到更低，且擁有極強的抗冷沖擊性。

本文所采納的實驗材料均來自于市場銷售的籃球鞋，研究不同材質籃球鞋底結構對運動員下肢減震能力的作用。本次實驗共采用國內外3家不同籃球鞋制造商出品的相同價格區間的鞋子，分別命名為實驗Ⅰ（結構設計搭配EVA鞋墊）、Ⅱ（人造化工材料/橡膠）和Ⅲ（橡膠材料）。3種不同結構型號的鞋子，所特有的減震技術分別為芯技術、氣墊、緩震膠。其中，芯技術主要是將熱塑性彈性體（TPE）顆粒等吸震材料加工成吸震球分別安裝于鞋子的前掌和腳后跟部位，再添加其他的輔助材料加以鞏固，使其具有更好的減震作用，同時在鞋子的上層還配有EVA鞋墊;氣墊，其外底為人造化工材料/橡膠，中底有部分EVA 材質，在前掌部位設置有氣墊;緩震膠，使用橡膠與部分EVA 組成的避震結構，通過結構性減震的方式來提供減震性。以上鞋款均來自特許零售商專柜，選擇尺碼為42 碼，鞋子均為全新鞋，不將大底與中底分開，將全鞋視為一體。

1.2 實驗儀器

減震試驗機GT-KA04（泉州市杰斯特儀器設備有限公司）為該試驗的主要實驗儀器。選擇實驗物體的質量約為8.5 kg，在控制器輸入能量（5 J、7 J）的情況下，將其從不同的高度進行下落來撞擊籃球鞋的底部和后跟部位。由固定在鉛球上的加速規，測量撞擊過程中的撞擊力峰值和G值兩個不同參數，以此來評估其減震性能。

1.3 實驗方法與步驟

本實驗的測試主要以材料為基準，根據國際上慣用的英國SATRA標準來進行操作，選擇質量約為8.5 kg的重物來進行下落撞擊實驗。將重物從不同的高度拋出，使其下落撞擊籃球鞋后跟部位，對不同材質的籃球鞋進行多次試驗，并計算出其最大撞擊力峰值及G值。分析出減震作用較弱的一雙籃球鞋，以其作為基準來計算不同撞擊能量下，其他材質籃球鞋的各類數值及減震效果。

（1）實驗步驟一：使用GT-KA04撞擊各材質籃球鞋鞋底，并不斷變換撞擊能量（5 J、7 J）。此時，保持GT-KA04與鞋底之間的高度是相對靜止狀態下產生的沖擊，因此需要將GT-KA04的撞擊高度設定為0 mm。

（2）實驗步驟二：利用減震試驗機的裝機器在不同能量條件下對鞋底進行撞擊，按照撞擊能量由低到高的排序對各個撞擊能量參數條件下鞋底所受到的有效撞擊數據進行收集，收集次數設定為3的整數倍;撞擊與撞擊之間的時間間隔設定為120 s;在完成撞擊實驗的數據獲取以后，更換下一組實驗材料。

（3）實驗步驟三：對實驗獲取的數據進行處理并進行對比分析，選擇合適的指標體系用于進行實驗Ⅰ至Ⅲ材料減振性能的表示（見圖1）。在圖1中，橫坐標為實驗Ⅰ至Ⅲ材料面對相同沖擊參數時產生的變形位移，左右側縱坐標分別為力值、能量值。由圖1中各材料的變化曲線可知，在籃球鞋底與撞擊頭進行接觸時，鞋底受到的沖擊力均是逐漸增大的態勢，隨著沖擊力的增大，鞋底因受到外力作用而產生的變形位移也越來越大;當沖擊力達到最大時，這一變形位移逐漸也達到最大。隨著撞擊頭逐漸脫離與鞋底的接觸，鞋底的變形位移、所受沖擊能量等逐漸開始減小至為零。

2 結果與分析

2.1 減震性能的差異性分析

實驗將不同材質的籃球鞋采用撞擊力峰值及G值機對運動員下肢減震作用研究。根據相關研究可知，在相同撞擊力的條件下，撞擊力峰值及G值越小，表明籃球鞋底結構對運動員下肢的減震作用越好。該實驗在撞擊能量與籃球鞋的變化下，來比較撞擊力峰值及G值的變化，結果如表1和表2所示。

由表可知，隨著撞擊能量的增加，最大撞擊力峰值及G值也呈遞增模式。由此可知，籃球鞋所產生的撞擊力隨撞擊能量的增加而增加。在撞擊能量為5 J和7 J的情況下，籃球鞋的減震性排序為材質Ⅰ>材質Ⅱ>材質Ⅲ。

2.2 減震性能的衰減率分析

該實驗中，撞擊力峰值及G值最大的為材質Ⅲ。以材質Ⅲ作為基準，根據相同撞擊力下的最大峰值和G值來計算材質Ⅰ和材質Ⅱ最大撞擊力峰值和G值的降低比例，如表3和表4所示。在撞擊能量為5 J的情況下，檢測出材質Ⅰ和材質Ⅱ的最大撞擊力峰值及G值均比材質Ⅲ小，分別小13.83%、15.69%和1.56%、7.83%。由此可知，在不同材質Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組的籃球鞋中，對運動員下肢減震效果上材質Ⅰ和材質Ⅱ優于材質Ⅲ組。當撞擊能量為7 J時，材質Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組的籃球鞋最大撞擊力峰值及G值的減小率不同，但趨勢相同。因此，在撞擊能量不同的時，材質Ⅰ和材質Ⅱ組的最大撞擊力峰值及G值隨撞擊能量的增加而增加，但是與Ⅲ相比，材質Ⅰ和材質Ⅱ的最大撞擊力峰值機G值呈降低趨勢。

由下表可知，當比較最大撞擊力峰值時，無論撞擊能量為5 J還是7 J，材質Ⅰ和材質Ⅱ的最大撞擊力峰值均低于材質Ⅲ。與材質Ⅲ相比，在實驗中材質Ⅰ和材質Ⅱ的最大撞擊力峰值隨撞擊能量的變大而呈遞減模式，說明其撞擊能量越高;與材質Ⅲ相比，材質Ⅰ和材質Ⅱ的籃球鞋對運動員下肢減震的作用最佳。綜合上表數據分析可知，材質Ⅰ的籃球鞋屬于該實驗中最能降低撞擊力的籃球鞋，在撞擊能量分別為5 J和7 J時，材質Ⅱ的籃球鞋在實驗數據上與材質Ⅰ的籃球鞋存在差距，由此可知材質Ⅱ的籃球鞋在后跟部位的減震作用比材質Ⅰ的籃球鞋低;而材質Ⅲ的籃球鞋減震作用小于材質Ⅱ的籃球鞋。因此不同材質籃球鞋底結構對運動員下肢減震作用大小排序依次為材質Ⅰ、材質Ⅱ、材質Ⅲ。

從籃球鞋的結構來分析，材質Ⅲ的籃球鞋鞋底是由橡膠材質所構成，而在減震材料中，橡膠材料的減震效果較差，因此材質Ⅲ的籃球鞋減震效果不佳;材質Ⅱ的籃球鞋多由人造化工材料/橡膠構成，其主要目的是為了抗摩擦，中底設計了避震結構（EVA配合部分中空設計），因此可以起到一定的減震效果，較材質Ⅲ的籃球鞋減震效果較好;材質Ⅰ的籃球鞋通過結構設計和EVA鞋墊來配合減震，同時在鞋子的前掌和腳后跟設計了吸震材料做成吸震球，上層再EVA鞋墊，因此材質Ⅰ的籃球鞋對運動員下肢減震作用上效果最佳。

3 結語

（1）通過對不同材質的籃球鞋進行撞擊實驗得出最大撞擊力峰值及G值的變化數據，根據數據分析可知，不同材質籃球鞋底結構對運動員下肢減震效果大小依次排序為：材質Ⅰ、材質Ⅱ、材質Ⅲ。

（2）隨撞擊能量的增加，材質Ⅰ、材質Ⅱ和材質Ⅲ的籃球鞋其最大撞擊力峰值及G值也呈遞增趨勢。當進行不同材質間的籃球鞋比較時，在后跟部位的最大撞擊力峰值及G值比較中，籃球鞋大小排序依次為材質Ⅲ、材質Ⅱ、材質Ⅰ。以材質Ⅲ為基準，材質Ⅱ的最大撞擊力峰值減小率為1.56%～4.41%，材質Ⅰ最大撞擊力峰值減小率為9.08%～13.83%;材質ⅡG值減小率為5.82%～7.83%，材質ⅠG值減小率為11.67%～15.69%。因此，材質Ⅰ的芯技術在籃球鞋后根部設計中有較高的避震能力，能減輕運動員下肢的震感，降低運動傷害的產生。

【參考文獻】

[1] 孫明偉.不同硬度籃球鞋底及下落高度對下肢運動生物力學特征的影響研究[D].武漢：武漢體育學院，2020.

[2] 崔昌水.天然橡膠復合材料的新型高性能籃球鞋研發[J].粘接，2020，41（3）：62-65.

[3] 徐思丹.天然橡膠復合材料籃球鞋用料制備及性能研究[J].粘接，2021，45（3）：72-75.

[4] 胡朝洋.結構設計對運動鞋減震及抗扭轉功能的影響[J].中外鞋業，2017（11）：28-30.

[5] 牛春歡.籃球鞋構造對足部力學影響的研究分析[J].當代體育科技，2021，11（1）：236-238.

[6] 宋羽，曲峰，蔣量.綜述籃球鞋對籃球運動損傷的生物力學影響[J].當代體育科技，2018，8（7）：16-20.

[7] 胡朝洋.結構設計對運動鞋減震及抗扭轉功能的影響[J].中外鞋業，2017（11）：28-30.

[8] 湯運啟，王幽幽，秦蕾，等.測試方法對評價運動鞋底減震性能的對比研究[J].中國皮革，2016，45（1）：34-36.

[9] 張瑞萍，祁珊珊，高漫，等.一種新型超彈吸能鞋墊的設計與應用方法[J].中國皮革，2020，49（4）：27-31，36.

[10]? 陸毅琛.籃球鞋在縱跳中功效性與舒適性的動力學研究[J].廣州體育學院學報，2014，34（2）：92-94.