足球運動腳踝內(nèi)、外側(cè)觸球方式力學(xué)特性

卜彥麗,王建民,李佳,常金龍,任武

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院,鄭州 450046;2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)工程學(xué)院;河南省神經(jīng)傳感與控制工程技術(shù)研究中心;新鄉(xiāng)市智能康復(fù)設(shè)備工程技術(shù)研究中心,河南 新鄉(xiāng) 453003)

2019年教育部在《全國青少年校園足球五年來發(fā)展情況及2020年工作部署發(fā)布會》中談到,我國已認(rèn)定的校園足球特色校為27 000多所.2021年教育部認(rèn)定的全國足球特色幼兒園為2 030所.《全面開啟全國青少年校園足球改革發(fā)展新征程》會議強調(diào):校園足球的發(fā)展要抓住3～6歲幼兒的運動習(xí)慣延伸至幼兒園.這便意味著未來我國參與足球訓(xùn)練和比賽的人群越來越廣,足球愛好者一生參與足球鍛煉和競賽的時間越來越多.由于足球運動是高對抗、高技巧、高協(xié)作的運動,多數(shù)學(xué)校日常教學(xué)、訓(xùn)練中缺乏專業(yè)醫(yī)護人員跟蹤,參加足球運動的學(xué)生在訓(xùn)練以及比賽中受傷情況時有發(fā)生.因此在足球教學(xué)、訓(xùn)練、比賽中如何保障學(xué)生身體健康,避免和減少運動損傷,顯得尤為重要.

本課題組成員通過與268名足球教師和教練員溝通交流,發(fā)現(xiàn)賽場和訓(xùn)練場發(fā)生過的傷病主要包括:腳踝扭傷、小腿骨折、肌肉拉傷、痙攣、半月板損傷、跟腱拉傷、鎖骨骨折、眼部視力損傷、腳趾骨折等.課題組分析了眾多傷病類型和程度,發(fā)現(xiàn)業(yè)余足球練習(xí)者傷病發(fā)生的一個重要原因是擊球部位不準(zhǔn)確.本文擬通過對學(xué)生們的受傷機制以及足部受力情況分析,研究不同觸球部位影響足部應(yīng)力的生物力學(xué)特性.

腳踝受傷在足球運動損傷中很常見,有研究者提出,其在所有急性損傷中占11%～25%,ANDERSEN等［1］通過分析比賽的錄像和受傷信息得出,撞擊受傷球員的踝關(guān)節(jié)受傷概率較大.通過研究腳踝內(nèi)、外側(cè)在觸球時的生物力學(xué)特性,便于發(fā)現(xiàn)腳踝受傷規(guī)律,提前預(yù)防損傷發(fā)生.不同性別足球練習(xí)者其腳踝觸球生物力學(xué)會不會存在差異,SAKAMOTO等［2］針對不同男、女足球練習(xí)者腳踢球生物力學(xué)特點,提出女性練習(xí)者用足部齒輪附近去撞擊球時,是提高腳背和內(nèi)線的球腳速度比的一種有效技術(shù),對預(yù)防足部損傷有重要意義.SAKAMOTO等［3］在研究男女足球運動員腳背和側(cè)足踢球的動力學(xué)中提出,兩者側(cè)踢時,髖關(guān)節(jié)內(nèi)收、外展力矩方面存在顯著差異.在足球現(xiàn)實運動中,無論用腳踝內(nèi)側(cè)踢球還是腳踝外側(cè)踢球,整個踢球技術(shù)包含多個階段,每個階段參與運動的各關(guān)節(jié)的角度,肌群放電幅度強烈程度也不盡相同.為了做到踢擊有效,同時又減少損傷,單純分析腳骨的運動生物力學(xué)特點顯然還不夠.于雪梅［4］等分析了不同級別男子足球運動員腳背內(nèi)、外側(cè)踢定位球技術(shù)中在蹬伸階段、后擺階段前擺階段的髖、膝、踝、大腿、小腿等不同部位的關(guān)節(jié)角度,擺動時間、肌肉放電幅度等運動生物力學(xué)特性,為全面了解腳內(nèi)、外側(cè)踢球技術(shù)的運動規(guī)律并合理選擇踢球部位提供數(shù)據(jù)支持.

現(xiàn)階段關(guān)于足部生物力學(xué)在足球運動中的研究主要集中在運動員整體協(xié)調(diào)性和足球運動一些傷病的影響,對于足部不同觸球方式中的骨骼生物力學(xué)特性的研究還不足.本文利用正常人足部生物力學(xué)模型,研究腳內(nèi)側(cè)和腳外側(cè)兩種常見足球觸球方式在模擬足球不同力度的情況下足部受力大小,旨在為校園足球運動員訓(xùn)練、康復(fù)提供參考,為運動醫(yī)學(xué)、體育學(xué)的同行提供數(shù)據(jù)支持.

1 足部三維模型構(gòu)建

人體足部主要由26塊骨骼以及韌帶、肌肉、肌腱等組成,具有承重、減振的作用.根據(jù)人體足部CT斷層掃描圖,利用Mimics軟件對足部骨骼模型進行三維重建,提取不同組織和部位的幾何形狀,根據(jù)骨閾值進行分割生成足部3D模型.為提高有限元分析效率,根據(jù)前續(xù)操作將足部骨骼STL文件導(dǎo)入Geomagic Studio中,本文采用單層足部骨骼,經(jīng)網(wǎng)格醫(yī)生處理后對模型進一步優(yōu)化,生成曲面多邊形網(wǎng)格模型,精確曲面后就可以轉(zhuǎn)化成IGS格式文件.

2 足部有限元模型建立

根據(jù)分析需要設(shè)置材料屬性、網(wǎng)格、載荷和邊界條件,采用各向同性均勻的材料,骨骼的彈性模量為7 300 MPa,泊松比為0.3,并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)值設(shè)置好骨骼其它參數(shù)導(dǎo)入Ansys中.

根據(jù)校園足球常見訓(xùn)練和比賽踢球方式,建立內(nèi)腳側(cè)和外腳背生物力學(xué)模型,以人體正常腳面為水平面,在腳踝內(nèi)外側(cè)施加5 N、20 N、80 N、500 N的外部力模擬兩種觸球方式.其中5 N模擬輕微觸球,20 N模擬較短距離傳切和過人力度,80 N模擬搶斷觸球和較遠距離傳球力度,500 N模擬搶斷救險或大力射門力度.

對模型進行單元網(wǎng)格劃分和賦值材料屬性,單元網(wǎng)格邊長設(shè)置為2 mm,劃分后的單元數(shù)為90 282個,對足部底端進行位移約束,約束方式為固定.

3 足部有限元模型受力結(jié)果分析

3.1 腳踝內(nèi)側(cè)受力分析

根據(jù)圖1受力區(qū)域,設(shè)定好外力方向、大小以及其它邊界條件進行有限元計算,分別對腳內(nèi)側(cè)觸球施加外力5 N、 20 N、80 N、500 N進行模擬,得到腳內(nèi)側(cè)足部骨骼的應(yīng)力和位移云圖如附圖Ⅰ.

從附圖Ⅰ可知,當(dāng)外力分別為5 N、 20 N、80 N、500 N時,足部骨骼所受壓強的最大值分別為0.34 MPa、1.38 MPa、5.51 MPa、34.45 MPa.最大受力部位在跟骨、骰骨和距骨連接處偏下側(cè),較大受力部位在內(nèi)側(cè)楔骨、中間楔骨和外側(cè)楔骨的下側(cè).表明在足球運動中,當(dāng)練習(xí)者用腳內(nèi)側(cè)觸球時,需避免跟骨、骰骨和距骨連接處偏下側(cè)區(qū)域應(yīng)力過大,導(dǎo)致發(fā)生應(yīng)力性骨折.同時應(yīng)確保觸球位置的準(zhǔn)確性,減少運動損傷的發(fā)生.根據(jù)骨骼位移云圖可知,當(dāng)外力為5 N、20 N、80 N的時候,腳踝內(nèi)側(cè)足部骨骼最大位移值均較小.表明足球運動中的輕微觸球、搶斷觸球、傳切、過人情況下,對腳踝內(nèi)側(cè)骨骼產(chǎn)生的作用較小.當(dāng)外力為500 N時,腳趾骨位移明顯,最大位移值為1.74 mm.這一現(xiàn)象說明當(dāng)足球練習(xí)者在進行搶斷救險或大力射門時,足部的位移上升較快,此時容易發(fā)生運動損傷.

3.2 腳踝外側(cè)受力分析

按照預(yù)先設(shè)定,對腳踝外側(cè)分別施加5 N、 20 N、80 N、500 N的外力進行模擬,得到腳踝外側(cè)足部骨骼的應(yīng)力和位移云圖如附圖Ⅱ.

從附圖Ⅱ可知,當(dāng)外力分別為5 N、 20 N、80 N、500 N時,足部骨骼所受壓強最大值分別為0.35 MPa、1.40 MPa、5.75 MPa、34.85MPa.最大受力部位發(fā)生在跟骨、骰骨、距骨連接處的下端.表明用腳外側(cè)觸球時,最主要的觸球點是腳的跟骨、骰骨以及距骨連接處的下端區(qū)域.由圖顯示其他觸球點為距骨外側(cè),以及內(nèi)側(cè)楔骨、中間楔骨和外側(cè)楔骨.根據(jù)骨骼位移云圖可知,受力為5 N、20 N、80 N時,腳踝外側(cè)足部骨骼最大位移均較小.表明在輕微觸球、搶斷觸球、傳切、過人動作中,用腳外側(cè)觸球,對跟骨、骰骨、距骨、楔骨產(chǎn)生的作用較小.當(dāng)外力為500 N時,腳趾附近骨骼位移明顯,最大位移值為1.36 mm.表明在搶斷救險或大力射門時,外力較大,對腳趾骨骼產(chǎn)生明顯作用,練習(xí)者要注意適當(dāng)避險,防止損傷發(fā)生.

4 結(jié) 論

結(jié)合附圖Ⅰ、附圖Ⅱ數(shù)據(jù)做橫向比較,發(fā)現(xiàn)在外部沖擊力大小相同的情況下,腳踝內(nèi)側(cè)和腳踝外側(cè)觸球時的受力情況比較類似,最大受力部位集中在跟骨、骰骨和距骨連接處的下側(cè)區(qū)域,其它受力部位主要位于內(nèi)側(cè)楔骨、中間楔骨和外側(cè)楔骨下側(cè).在500 N外力作用下,無論是腳踝內(nèi)側(cè)觸球,還是腳踝外側(cè)觸球,腳趾位移都有了較大上升.因此在搶斷救險或大力射門時,腳骨受到的作用力加大,容易出現(xiàn)受傷.在日常訓(xùn)練中,應(yīng)注重培養(yǎng)足球練習(xí)者的視覺判斷能力,以便其更早、更精確地捕獲到目標(biāo)對象運動狀態(tài)的重要信息,做出合理的應(yīng)對措施,在避免受力過大引起腳踝內(nèi)、外側(cè)傷病的情況下選擇合理的觸球動作和觸球部位,成功地完成搶斷和射門動作.對于普通足球運動者要特別注意避免過大沖擊力觸球,特別是要減少腳趾的受力,盡量讓足球的能量最大限度地吸收到跟骨上,習(xí)慣使用腳踝內(nèi)外側(cè)進行阻擊和反擊,將足球的受傷概率盡可能降低,合理避險,健康運動.除此之外,練習(xí)者也可以通過選擇不同鞋釘?shù)淖闱蛐?幫助提高自身運動表現(xiàn),并降低運動損傷.孫冬［5］從運動生物力學(xué)角度,分析足-鞋-草坪之間的相互作用,在對不同足球鞋對練習(xí)者下肢生物力學(xué)影響的研究中,建議業(yè)余運動者可選擇長釘FG足球鞋或短釘AG足球鞋.

除足球運動項目以外,劉國立等［6］在分析不同運動等級散打運動員鞭腿技術(shù)的運動學(xué)特征時,也提出不同運動等級的技術(shù)特征差異較為顯著.HE等［7］探討不同等級乒乓球運動員正手上旋回圈時下肢的運動學(xué)特征時提出,踝內(nèi)翻和外翻的差異顯著.因此在日常鍛煉中,對不同運動等級練習(xí)者的技術(shù)動作展開運動學(xué)特征分析,然后有的放矢地采取不同訓(xùn)練方法和內(nèi)容,是開展健康、安全的體育鍛煉的有效保障.

綜上,無論是通過意識、體能、技術(shù)等訓(xùn)練,還是借助外在因素輔助,在提高練習(xí)者的運動表現(xiàn)的同時,降低運動損傷的發(fā)生,借助相關(guān)運動生物力學(xué)數(shù)據(jù)的支撐,都可達到知己知彼百戰(zhàn)不殆的效果.

5 展 望

由于人體足部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,限于研究人員的水平和精力限制,后續(xù)研究可在以下方面進行:1)建立足部的骨骼、皮膚、皮膚內(nèi)的韌帶、軟組織等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的綜合模型.2)可增加腳面觸球、腳尖觸球等方式.3)可進一步細化三維空間多方向、多角度動載荷的研究,模擬急停觸球和變向射門等足球動作.

附 錄

附圖Ⅰ～Ⅱ見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.05.019).