运动生物力学在运动鞋设计中的引入

　　运动鞋的设计和创新技术日异月新， 而运动鞋的核心就在于运动鞋的功能性特征， 在运动鞋的功能性特征上常用运动鞋具有其一般特性和专项特性。 制鞋材料、鞋的结构和运动功能问题，都是运动生物力学的研究的主题和核心，故运动生物力学在制鞋领域中扮演着举足轻重的地位。

　　1 常用运动鞋的一般特性

　　常见的运动鞋可以分为球类运动鞋和田径运动鞋两大类[1]. 运动鞋的功能性主要表现在它不仅保护运动员不受损伤，同时还要提高运动员的成绩。 所以球类运动鞋和田径运动鞋都体现了运动鞋的一般特性。

　　1.1 轻量化

　　运动员在运动的过程中进行各种技术动作消耗体能，要想获得好的运动成绩同时防止运动损伤， 就要求尽量减少自身体重外的负荷。 有研究表明，鞋的重量每增加 1%,人体运动的体能消耗将增加 3%-10%[2], 故鞋重成了主要的考虑因素，要在确保运动需要的前提下减少鞋的重量， 运动鞋是必须要有轻量化的特征。

　　1.2 透气、透水性

　　运动鞋的透气、透水性是影响舒适性的一个重要因素。 研究表明，运动鞋内的鞋内温度和湿度越低则舒适性越好[3]. 因此，必须要有良好的透气性和透水的环境。 运动员在激烈运动的过程中，全身都会分泌很多的汗液（即无机盐），如果运动鞋的透气透水性较差，长时间会导致鞋内温度升高[4],脚 分泌的汗液滞留在鞋腔内过度潮湿，影响鞋内的环境，发生新的化学反应[5],运动员感觉不适，出现脚臭，严重时还发生脚在鞋内打滑现象， 直接影响到运动员的技术动作的发挥从而影响比赛成绩， 同时鞋内打滑也会增加摔跤等现象的发生造成脚部的损伤。

　　1.3 弹性

　　鞋的反弹力是用来帮助运动员更好的将其反弹力转换到运动中提高运动成绩。 弹性好的运动鞋可以提高能量的回输，减少着地时的冲击力，从而加快运动速度和增加跳跃的高度。但因运动的需求不同，其要求弹性的程度也不一样，例如篮球运动队鞋的弹性要求就特别高，因为篮球的跳跃动作多，如果鞋的弹性不好， 则会影响跳跃的高度以及增加落地时脚部的损伤率。

　　1.4 减震

　　美国材料测试协会 ASTM 对运动鞋的减震功能定义为：借助外力作用时间的增长，使冲击力峰值的能量降低，撞击过程的持续时间越长，形变量越大。减震缓冲功能越好[6]. 在运动过程中的运动量大而激烈，会和地面产生撞击。 实验证明，脚后跟和前掌与地面的冲击力对人的关节、 躯干和大脑的危害都很大，是造成运动损伤的一部分因素。 利用减震的运动鞋可以减轻运动过程中对人体的冲击程度，起到减震效果，保护是部及身体的健康。

　　1.5 防滑性

　　鞋底的防滑性直接影响着鞋的安全性及舒适性。 防滑性有静态防滑性和动态防滑性两种， 是通过鞋底纹路设计的纹峰与地面的接触产生摩擦达到的，运动时与地面接触，前后左右各个方向的移动， 主要靠的是鞋底的不同纹路以达到防滑的效果，但是在不同的运动鞋其鞋底的设计纹路是不一样的。
　　
　　因此根据不同的场地和项目运动的特点来合理设计鞋底摩擦性能，提供安全防滑的功能，同时摩擦系数一定要在适宜的范围内，避免出现摩擦系数过大出现运动损伤[7].

　　1.6 耐磨性和耐曲挠

　　在运动过程中，长时间的鞋底和地面的摩擦，会使鞋底花纹的纹峰磨损，摩擦系数降低，使运动鞋的防滑性减弱，所以，运动鞋的耐磨性是运动鞋防滑性的前提。 同时在运动中足部的跖趾关节不停的跖屈和背屈， 使得运动鞋相应的底部件更加的容易达到疲劳极限，进而会在外表层产生细小裂纹，经过多次的弯曲变形又复位，裂纹也会逐渐的加深，最后导致底部的彻底断裂， 所以耐磨性和耐曲挠在运动鞋的特征上也是非常重要的。

　　1.7 稳定性

　　稳定性对于运动员来说很重要， 有了好的稳定性运动技术才能完美的发挥出来，同时还不会失衡导致的运动损伤。 稳定性一般指在运动时由一个由动态逐步转化为相对静态的过程。 由于运动动态的身体会在力的惯性作用下继续向运动方向运动，而身体的重心要停留在着地的脚步位置，两者相互矛盾， 容易导致不稳定。 稳定性跟运动鞋的防滑性和减震性都有密切关系，减震效果好的运动鞋可以增加其稳定性。

　　2 常用运动鞋的特性

　　2.1 常用球类运动鞋的特性

　　足球运动是一项比赛时间长、比赛场地范围大、对抗非常激烈的活动，特别是在脚的对抗和灵活上。 脚是和足球不发生直接接触的， 其主要的动作完成都和足球鞋有非常密切的关系，最重要的表现就在于抓地牢，又因为场地的原因，故足球鞋鞋底一般都有鞋钉，在抗前后滑移和左右侧滑的性能上，鞋头一般是低而平的，为了更加好的控球鞋面一般是背平的，运动中急停扭转变向的动作多， 鞋的耐磨性和抗曲挠能力要很强[9],为满足射门的需要，鞋头以偏圆形，鞋前帮多为较厚弹性好的材料[2]. 为满足运动中跑、腾空、侧滑移等组合动作，要求后鞋帮有一定的刚性和弹性以保证不会有太大的形变和翻转。

　　篮球运动中要求运动员脚下要有灵活而快速的移动动作，如启动、急停、侧身跑、滑步、侧身滑步、变速跑、变向跑、转身、后撤步、攻击步、起跳等。 运动鞋要有良好的高帮三维扭距系统[13-15],防 止脚各部位扭曲受伤是篮球鞋和其他运动鞋最不相同的地方，优良的减震和弹性是篮球鞋最重要的部分。 所以篮球运动鞋必须具备很好的弹性， 有利于运动员更好地发挥， 而落地的一瞬间，鞋底的前尖部位要承受很大的冲击，因而要求鞋底具有很好的缓冲和减震作用， 否则运动员的脚很容易受伤。 在缓冲减震、弹性和踝关节的保护上篮球鞋最好。

　　排球运动中运动员的运动方向是不确定的， 但是当进攻时主要还是球网的方向， 所以在排球鞋的鞋底花纹设计上是按照符合排球需要的设计，方向是每个方向都要考虑到的，在苏联的瓦西里耶夫等关于 《专业运动鞋的制造工艺和发展前景》 中对指出排球运动员在助跑起跳的瞬间双足之间的角度为 30°，所以在鞋前掌的花纹应该在与矢状面逆时针偏离 15°的位置设置，足后跟设置在顺时针偏离 15°的位置，以增加起跳时的地面摩擦力[6].排球鞋几乎都是比较轻薄、简便的设计。

　　鞋帮为低帮，便于踝关节的运动，运动员都会以其他的方式保护关节，比如护踝和护膝的使用。 在缓冲减震、弹性和踝关节的保护上，排球鞋不及篮球鞋。羽毛球鞋和网球鞋相似的特性， 主要表现在鞋底部件的设计上。 运动步法的灵活性需要后底有优异的防滑、减震和翻转控制功能，鞋帮以矮帮为主，使得脚踝不受束缚。 运动步伐一般为并步和交叉步， 要求前掌部位花纹在左右和前后方向有较强的抗滑移能力， 较多的迅速止滑运动要求大底要有优异的耐磨性。 在上网和后退击球时，移动脚步，要求鞋底前掌外侧和后跟部位耐磨和止滑性好。 在跨步接杀球及上网时，鞋前掌部位用力较大， 该部位的耐磨性和弹性要求较高[10-11].

　　在身击球时， 要求鞋具有良好的翻转控制功能[12]. 在 上网步法中， 上网速度较快， 这种惯性的停止要有一个减速运动过程， 着地时要有一定的缓冲，要求大底和中底的减震性能好。发球后和接发球的站位要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。 综上所述是鞋底前尖和后跟部的硬度要稍小、耐磨、有弹性、减震性好，鞋前掌部位耐磨性、弹性和防滑移性能好，前掌外侧的耐磨性能好，翻转控制功能。

　　2.2 常用田径运动鞋的特性

　　短跑，运动强度大，运动时间短。 一般为田径比赛场地，路况都比较平坦。 主要是前脚掌受力，跖趾关节抓地，鞋和脚之间的要求特别高，因此楦头的前尖放余量需要较小，帮面的腰窝收紧，前掌部位，需安装鞋钉。 有研究表明对短跑鞋鞋钉分布的合理性进行生物力学分析与评价，8 钉鞋三排最符合足底受力分布实际情况，其次是三排 7 钉鞋，最差的为两排 7 钉鞋[16]. 其跑鞋的前掌的减震功效要求好以避免鞋钉对脚部的冲击。

　　长跑时脚底下一般是较坚硬的地面，道路一般较曲折，不是橡胶塑料场地，具有上下坡等障碍。 长跑鞋的要求大底的厚度一般后跟大于前掌，因为跑步运动时要求运动员积极向前，后跟厚度大于前掌，利用后跟高造成的坡度，使运动员的自身重心自然前倾[17],以提高运动速度与运动成绩 . 鞋 子重量要轻，帮面和大底弯折效果要好，同时鞋子还需具有一定的减震和耐磨性能。同时鞋底的弯折方向是前后方向。慢跑鞋鞋头最大的特点是鞋头设计成有点上翘， 因为人脚在自然提起时脚趾和脚板会形成一定的角度， 鞋底的橡胶上翻到鞋头上，是为方便脚趾用上力增加跑动时的摩擦力。 在足部与地面接触时，地面对脚的支撑反作用力会传送至全身：走路时最高可达1.5 倍的体重， 跑步时约为 3-3.5 倍的体重[18].

　　2.3 球类运动鞋与田径运动鞋的特性

　　球类运动中步伐变化多样，身体的动作是极其复杂的，脚部动作基本可分为走、跑、跳、旋转 4 种，但在这最基本的 4 种脚部动作里又有好多的变化和衍生的技术动作的相互融合及相互转换，而在田径运动中主要是比较单一和重复的，故球类运动鞋在防滑性、 耐磨性和耐曲挠以及稳定性比田径运动鞋的要求要高一些[6,13-14]. 田径运动鞋在轻量性的特征上要比球类运动鞋的要求更高，其影响成绩的比重因素也是如此。 在鞋腰窝曲线设计上， 田径鞋的设计和脚更加一致、 收得更加紧凑。 球类运动鞋的鞋底纹路一般是各个方向不确定的，弯折方向也是各个方向，便于动作的改变与转换；但是田径运动鞋的弯折方向主要是前后两个方向，这样就更便于跑步动作，同时也可以防止左右方向的踝关节扭伤。

　　3 运动生物力学在制鞋领域中的运用

　　运动生物力学在制鞋领域上的应用主要是在运动功能性测试的研究上开发出来的[4],运动鞋不同于普通的日常生活休闲鞋。 除具有在运动过程中符合各项运动动作活动的需要稳定足部。避免损伤的功能，还有降低运动员能量消耗、便于发挥运动动作提高运动成绩的功能。 由于足部的结构和运动特性都是固定不能改变的，但是为满足以上两点需求，只能依据运动生物力学原理对鞋的构造设计和特性加以改变与优化，以满足运动的需要。 故运动生物力学在制鞋领域越来越得到广泛的重视与运用； 在运动鞋的设计和技术的创新上都必须符合运动生物力学的原理， 制鞋材料、 鞋的结构和运动功能问题，都是运动生物力学的研究的主题和核心，在运动鞋功能研发与制作过程中扮演着举足轻重的作用。 李建设等对国内外的运动鞋的核心技术的应用上， 从运动鞋的结构与材料上进行了原理上的研究， 揭示了各类运动鞋的创新技术设计上基本的原理是差不多的，关键技术就在于鞋底的科技，主要就是减震缓震、能量回归、模拟裸足和足跟的控制[19]. 专项运动鞋的要求主要表现在两个方面：1）动能的转导、转移、变向和动作惯性作用对脚、踝关节、运动姿势和技术动作的影响；2）其他的一些特性因素，如舒适度、安全保护、减震与冲击力、透气、防滑、耐磨、卫生等其他要求[20]. 其实不同类型的运动鞋最主要的不同就在于表现在运动力学上的方向和作用点的着地点以及踵心的角度的方向性。 下面从运动生物力学理论和制鞋材料力学特性两个方面来阐述运动生物力学在制鞋领域的应用。

　　3.1 运动生物力学理论在制鞋领域的应用

　　重心在运动过程中的决定了其动作的稳定性； 鞋底的支撑面的大小决定了其静态和动态的稳定性， 鞋底是一个弹性刚体，受力后会发生变形，当力的大小在鞋底的弹性形变和恢复形变的范围内就比较稳定， 包括正向的稳定性能和侧向的稳定性能。 正向的稳定性能是指鞋在垂直于鞋内底并指向其内部的稳定性能； 侧向的稳定性是指鞋底尤其是鞋跟部位在受到侧面剪切力时侧向不滑移、不变形。 下肢骨大多都是属于负重的长骨，在反复的应力作用下，容易发生应力性骨折，长期穿用前挠、后跟地面不合适的鞋，很容易使骨骼和关节的应力集中，如人在行走或是运动时，足尖着地，足弓是弯曲的，足底受到了牵拉的张应力，足背受到了压应力，引起应力性的骨折，这一点在鞋楦的设计上是很重要的。 运动鞋的能量回归性是通过落地缓冲阶段鞋底产生的形变以储存能量， 离地蹬伸时将吸收的能量回输到脚部以增加跳跃的高度或者是加快速度， 判断运动鞋的能量回归性能可以通过测量离地前的瞬间鞋内施加在脚底的作用力 F2, 作用力 F2 与瞬间着地时鞋底受到的冲击力 F1 的比值越小，则说明其运动鞋的能量回归性能越好。 足底压力测量技术是揭示人体的足底压力分布特征的方法之一， 通过足底压力的分析可以判断在运动鞋的功能性的强弱，从而应用在运动功能鞋的设计、功能开发和检测 3个方面中[21],以满足不同类型运动鞋的功能性需求。

　　3.2 材料生物力学在制鞋领域的应用

　　运动鞋的核心技术主要体现在材料和结构方面， 材料决定了性能，结构决定了功能[22]. 在运动时，支撑反作用力在垂直方向的分力是用来克服身体重量用以进入腾空阶段的力，鞋底的材料设计和鞋底的花纹设计决定运动力学传播路径的支撑点的反作用力，支撑反作用的前后方向是运动的动力，鞋的前部包括长度、宽度、高度等都应该有一定的活动量，支撑反作用力的左右方向是运动方向的改变， 鞋内底采用一定硬度的垫心托住脚心， 这样使重心通过脚心而分散到脚的其他部位，脚的各个部位受力比较均匀，脚不易产生疲劳。 运动鞋的能量归性能要求运动鞋底的材料有一定刚度和弹性，NIKE是通过后掌的弹性悬空气囊， 可使人体的下肢肌群作退让性工作适度减小，以利于后蹬阶段肌群的克制性工作，而对于卫生性来说，弹性好的鞋内材料可以更好的吸收汗液，同时减少汗液的分泌，具有一定的吸附功能。 运动鞋的材料减震缓震主要是鞋的中底材料具有特殊的减震性能的材料， 国际一线品牌运动鞋普遍采用的是加热压缩的 EVA（乙烯树脂醋酸纤维）发泡橡胶混合物质， 采用一层比较软的具有减震功能夹在外底和鞋面的材料（高密度 PU（聚氨基甲酸乙脂）材料也常被用在后掌的中底夹层）， Nike 的篮球鞋就是将 PU 制成圆柱形特殊单元， 并置于后掌中底， 与鞋中底后踵高度成一定的比例，在鞋的内侧使用较硬的材料，防止过度的内转增加其稳定性。

　　4 结论

　　常用运动鞋的一般特性主要有轻量化、 透气透水性、弹性、减震性、防滑性、耐磨性和耐曲挠、稳定性的特征。 对于球类运动鞋和田径运动鞋也有其特性， 同时不同的球类运动鞋和不同的田径运动鞋也是根据其不同运动的技术特点表现出运动鞋的性能特性。 运动生物力学的理论和技术已广泛应用于制鞋领域，有些技术被认为是商业机密封存在实验室，但是运动生物力学的研究前景广阔， 成为国内外的运动生物力学的研究热点问题，现在仍然还有很多的问题待解决。

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