基于足底壓力測量的籃球鞋鞋底功能需求分析

崔麗娜

(泉州師范學院美術(shù)與設(shè)計學院， 福建 泉州 362000)

0 前 言

籃球運動是一項非常受青少年喜愛的運動項目，該項運動體能消耗大，運動中常發(fā)生各種意外損傷或由于足部長期受到較大的壓力沖擊而引起慢性疲勞性損傷或應(yīng)力性疲勞性損傷，因此對于籃球運動員而言籃球鞋是其降低身體能量消耗、減少運動損傷發(fā)生的重要運動裝備之一.眾所周知，籃球鞋是由鞋幫和鞋底組成，顯然，鞋底是籃球鞋的重要組成部分，其對降低各種疲勞性損傷的發(fā)生起著非常重要的作用.

本文作者運用動態(tài)足底壓力測量系統(tǒng)測量了籃球運動愛好者在走、跑、單腳落地等幾組不同動作下的足底壓力分布情況，結(jié)合測量數(shù)據(jù)分析、人體足部生理結(jié)構(gòu)及籃球運動的運動特點等綜合因素分析得出了籃球運動鞋鞋底的功能需求，并指出了設(shè)計鞋底時應(yīng)注意的問題.

1 動態(tài)足底壓力測量實驗

1.1 被測人員及樣本量

本實驗的樣本選擇50名19～26周歲的中國男性青年，熱愛籃球運動，無任何足部疾病.

1.2 實驗設(shè)備

本研究采用由比利時Rsscan公司研發(fā)的Footscan足底壓力測試系統(tǒng)測量被測者在做各種動作時的足底壓力分布情況，該系統(tǒng)的平板測量設(shè)備有0.5 m×1.0 m和0.5 m×2.0 m的測量板.本實驗中采用該系統(tǒng)的0.5 m×2.0 m平板測量，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率在125～300 Hz之間，在本實驗中設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為235 Hz.

1.3 實驗條件

1.3.1 實驗環(huán)境

應(yīng)保證被測者在赤足狀態(tài)下進行走或跑時感覺舒適.實驗環(huán)境要求：(1)環(huán)境溫度在(25±3) ℃；(2)環(huán)境濕度在(60±10)%.

1.3.2 實驗步驟

運動過程中人體各部位的變化都比較復雜，尤其在籃球運動中，足部的運動更為復雜.在籃球賽過程中足部經(jīng)常會出現(xiàn)一些應(yīng)急性的足部動作，這類動作被測人員在正常的狀態(tài)下很難做出，且這類動作的使用頻率不高，所以在本實驗中選取籃球運動員在籃球運動中使用頻率較多的足部動作來獲取動態(tài)的足底壓力分布數(shù)據(jù).經(jīng)分析選用以下3組動作：行走、慢跑、從20 cm高的平臺上單腳起跳并單腳落到測量板上.

被測者在測量過程中要求上半身稍微前傾，目視前方，赤腳完成走、跑、跳等要求動作.為了使雙腳均落在測量板上獲得完整的步態(tài)數(shù)據(jù)，在進行走、跑測量時起始腳應(yīng)為左腳.被測者要求每組動作做3次，以減少數(shù)據(jù)誤差.

2 數(shù)據(jù)采集及分析

Footscan足底壓力測量系統(tǒng)可以自動報告出步態(tài)時間周期、足底壓力變化與身體位移的相對關(guān)系、足底壓力分布、足部平衡分析、左右腳足底壓力對比等內(nèi)容.考慮到實驗的最終目的，我們從足底壓力測量系統(tǒng)中選擇獲取與實驗目的相關(guān)的實驗數(shù)據(jù). Footscan足底壓力測量系統(tǒng)將足部在地面的投影區(qū)域或足底著地區(qū)域分為10個區(qū)域(如圖1所示)，分別是：第一拇指區(qū)域，即toe1(T1)、腳第2～5指區(qū)域，即toe2～5(T2～5)、第一跖骨區(qū)域即Meta1(M1)、第2～5跖骨分別記為Meta2(M2)、 Meta3(M3)、 Meta4(M4)、 Meta5(M5)、腳心處所在投影區(qū)域記為Midfoot(MF)、腳后跟里踝投影區(qū)域 Heel Medial(HM)、腳后跟外踝區(qū)域Heel Lateral(HL).該系統(tǒng)將某一足從足跟部著地的時間到其前掌蹬伸離開地面的這一段時間分為3個階段，即：后跟觸地階段、足中部著地階段、前掌離地登伸階段.

圖1 足底各區(qū)域 圖2 足部平衡數(shù)據(jù)

2.1 行走時足底壓力分布情況

對被測者進行行走測量時，可以依據(jù)被測者行走時測量的足底壓力分布情況判斷其足部內(nèi)、外翻轉(zhuǎn)情況.在行走時足部有明顯內(nèi)外翻情況者，在慢跑或是急速跑時其足部內(nèi)、外翻轉(zhuǎn)情況仍然存在，甚至更加嚴重.如果某人的足部在行走時被測量出有過度的內(nèi)、外翻情況，那么在快速跑動時極有可能造成身體不能保持平衡，從而導致各類意外損傷的發(fā)生，尤其在籃球運動中這類人群踝關(guān)節(jié)受傷的可能性較大.

通過測量足底10個區(qū)域的足底壓力分布情況，可以分析出足部的內(nèi)外翻情況，足部內(nèi)外翻的平衡理論如下：

Φ=∑F(M1+M2+HM)-∑F(M3+M4+M5+HL)(Φ>0, 足部外翻;Φ<0, 足部內(nèi)翻)

(1)

圖2是一名被測者在行走時足部內(nèi)外翻平衡圖示，圖中兩條灰色的豎線將整個黑色的區(qū)域分為3個不同的區(qū)域，這3個不同的區(qū)域從左向右依次分別對應(yīng)足后跟觸地階段、足中部著地階段、足前掌離地蹬伸階段.圖中線條1、線條2分別是被測者左腳、右腳在不同階段的內(nèi)外翻轉(zhuǎn)情況.圖中的白色帶狀區(qū)域是該被測者內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的安全區(qū)域，當線條1或線條2在某一階段離白色區(qū)域越遠，那么該只腳在其所處的階段即出現(xiàn)過度內(nèi)翻或外翻情況，在該階段足部受損傷的風險也就越大.

表1 被測者足部翻轉(zhuǎn)情況表數(shù)量

圖3是被測者足部內(nèi)外翻轉(zhuǎn)正態(tài)分布的P-P圖，表1是所有被測者足部內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的情況.從圖3和表1可以發(fā)現(xiàn)每個被測者足部的內(nèi)外翻轉(zhuǎn)情況都不同，數(shù)據(jù)顯示被測人員雙腳均外翻的人數(shù)占到全部被測者的44%；左腳外翻右腳內(nèi)翻的比例為22%；左腳內(nèi)翻右腳外翻的比例為20%；雙腳內(nèi)翻的比例僅占7%.從數(shù)據(jù)來看雙腳外翻的人數(shù)較多，雙腳內(nèi)翻的人數(shù)較少.

圖3 被測者足部內(nèi)外翻轉(zhuǎn)情況P-P圖

2.2 跑步時足底壓力分布情況

跑步是籃球運動中最常見的運動狀態(tài)之一，本研究測量了被測者在跑動狀態(tài)下足底壓力的分布情況，通過分析足底壓力數(shù)據(jù)可知足底出現(xiàn)壓力峰值的區(qū)域或合力最大的區(qū)域.足底出現(xiàn)壓力峰值的區(qū)域是指在測量過程中足底的某一部位出現(xiàn)最大壓力值所在的區(qū)域.合力最大區(qū)域則是指按照投影區(qū)域?qū)^(qū)域內(nèi)所有的壓力進行求和，其值最大的區(qū)域.通過該實驗數(shù)據(jù)分析跑步時足底哪些部位會受到較大的應(yīng)力，即足底哪些部位的軟組織或肌肉會受到較大的外力沖擊.針對這些受力較大的區(qū)域，指導鞋底相應(yīng)的部位選材和結(jié)構(gòu)應(yīng)當比較柔軟，以降低這些區(qū)域的受力，起到更好地保護這些部位軟組織的作用.

如圖4所示，數(shù)據(jù)顯示所有腳型在跑步時足底壓力峰值分別出現(xiàn)在T1區(qū)域、M1區(qū)域、M2區(qū)域、M3區(qū)域、M4區(qū)域、M5區(qū)域、HM區(qū)域、HL等7個區(qū)域，其中在M3區(qū)域、M1區(qū)域、HM區(qū)域出現(xiàn)峰值的人數(shù)較多.在跑步運動中這些區(qū)域較容易受到較大的力的沖擊，合力的最大值分布在T1區(qū)域、M2區(qū)域、M3區(qū)域，其中多數(shù)被測者的前掌各區(qū)域的合力最大值分布于M2區(qū)域、M3區(qū)域，只有少數(shù)腳型前掌最大值分布于T1區(qū)域.被測的所有腳型后跟部位各區(qū)域的合力最大值分布在HM區(qū)域、HL區(qū)域，其中HM區(qū)域合力最大的分布人數(shù)較多.

圖4 足底壓力分布

由圖4可以發(fā)現(xiàn)M1區(qū)域出現(xiàn)壓力峰值的腳型有18只，但該區(qū)域并不是區(qū)域合力最大的區(qū)域，這說明在這一區(qū)域除了有少數(shù)幾點的受力較大外該區(qū)域大部分點的受力值較小，同時我們發(fā)現(xiàn)在M2區(qū)域出現(xiàn)壓力峰值的腳型僅有3只，但該區(qū)域合力最大的腳型數(shù)占到58只，說明在這個區(qū)域雖然出現(xiàn)壓力峰值的情況較少，但該區(qū)域受到的平均壓力比較大.由于足底壓力峰值出現(xiàn)的區(qū)域和合力值最大的區(qū)域長時間受到較大力的沖擊，足底相應(yīng)部位的軟組織的彈性機制會逐漸減弱，因此可能造成足底相應(yīng)軟組織或骨骼的疲勞性損傷.在本實驗中采集了被測者在測量時的足底壓力峰值，并計算出其與人體重力的比值，從而獲得了足底壓力峰值較為直觀的數(shù)據(jù).50名被測者足底最大壓力峰值與人體重力的比值的平均值為3.3.如某一被測者足底壓力峰值最大值為4 339.1 N，該名被測者體重為60 kg，其身體的重力約為：60×10=600 N，其比值為7.23，這就說明該被測者跑步時其足底壓力峰值產(chǎn)生的部位承受的力的大小是其自身所受重力的7.23倍.

該足底壓力動態(tài)測量系統(tǒng)可以報告出足底任意部位的足底壓力隨時間變化的曲線.本實驗采集被測者足底前掌壓力峰值部位和后掌壓力峰值部位人數(shù)分布較多3個部位的足底壓力隨時間的變化曲線，如圖5所示為某位被測者足底采集點的壓力隨時間變化的曲線，其中線條3是足跟部所受壓力隨時間變化的曲線.從曲線的走向來看，其最大值出現(xiàn)在腳跟接觸地面的瞬間的人數(shù)占到測量總?cè)藬?shù)的87%，隨著時間推移而逐漸減小.這說明腳在落地瞬間，足跟部受到的沖擊力最大，隨后逐漸減小.圖5中線條2和線條1分別是第一跖趾關(guān)節(jié)第三跖趾關(guān)節(jié)壓力隨時間的變化曲線，從其線型隨時間的變化來看接觸后其受到的壓力值較小，隨時間的推移，其相應(yīng)部位受到的壓力有增大的趨勢，當達到最大值后又開始逐漸減小，說明在跑步時前掌部位承受的最大壓力不是在前掌著地時，而是在前掌蹬伸的時刻.

圖5 足底壓力峰值點的壓力-時間曲線 圖6 被測者運動時的重心分布情況

該足底壓力動態(tài)測量系統(tǒng)還可報告出任意時刻人體重心的分布情況.如圖6所示，由黑色的圓點組成的虛線是被測者身體重心隨時間的分布情況，圖中貫穿足跟至腳前端的直線為足部的中軸線.本實驗中該足底壓力動態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為235 Hz，即數(shù)據(jù)采集的間隔時間相同，人體重心點與點之間的距離越大，說明其運動的速度越快.圖6中右側(cè)腳型是某位被測者跑步時人體重心的分布數(shù)據(jù)，左側(cè)腳型為其走路時身體重心的分布數(shù)據(jù).被測者跑步時人體重心分布曲線的每一個重心點分布得較為分散，同時離足部的中軸線較遠.被測者行走時身體重心的分布情況與跑步時不同，行走時被測者身體重心點分布得較為密集，尤其在足跟部和前掌部位，且重心點距離足部的中軸線較近.由圖6可發(fā)現(xiàn)在足跟部和足中部著地階段左右兩腳重心分布的差異甚大，如在此階段被測者的腳步出現(xiàn)明顯的內(nèi)翻或外翻情況，速度加快時被測者就容易失去身體平衡，因此足部受傷或踝關(guān)節(jié)扭傷的風險就大大增加.在跑步和走路狀態(tài)下人體重心在足部前掌著地或蹬伸階段分布相對比較密集，這一現(xiàn)象說明這時人體重心運動速度較慢，這一階段為下一步態(tài)周期提供了推動力.實驗證明，人體重心點分布較為密集且靠近腳的中軸線時，不容易發(fā)生各類運動損傷.

2.3 單腳落地時足底壓力分布情況

單腳落地的情況在籃球運動中時常發(fā)生，在籃球運動中球員跳躍后單腳或雙腳著地的情況非常普遍.在本實驗中測得了被測者從20 cm的高度跳下單腳落于測量板上時足底的壓力數(shù)據(jù).多數(shù)數(shù)據(jù)顯示，在被測者足部著地的瞬間足部的第三、四、五跖趾關(guān)節(jié)最初接觸到測量板，這說明多數(shù)人在單腳落地時首先保證身體平衡的部位在足前掌的外側(cè).圖7和圖8分別顯示了在足部著地過程中足部各區(qū)域受到的最大壓強與足底不同區(qū)域傳感器顯示的壓力最大值.

圖7 足底各部分壓強 圖8 足底各部位壓力

3 籃球鞋鞋底功能需求分析

籃球運動是一項體能消耗大且時常伴有意外損傷事故和應(yīng)力疲勞性損傷發(fā)生的運動項目.因此，籃球鞋是運動員的重要裝備之一，其應(yīng)有降低運動員能量消耗和運動損傷發(fā)生的作用.基于以上對足底壓力的測量數(shù)據(jù)分析，本文提出籃球運動鞋鞋底應(yīng)具有如下性能：

(1)穩(wěn)定性.籃球鞋鞋底的穩(wěn)定性包括兩個方面：其一，鞋底用材料和特殊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；其二，籃球鞋鞋跟部位與前掌部位應(yīng)有合理的高度差.

鞋底用材料和特殊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指鞋底在受到外力的沖擊作用下具有恢復原狀的能力，這里的外力包含垂直于地面的正壓力和平行于地面的剪切力.通過足底壓力測量實驗獲知每個人的足部在運動過程中都有不同程度的內(nèi)翻或外翻情況，因此決定了每個人足部對鞋底的作用力的方向不可能垂直于地面而是與地面成一定的夾角，人體足部對鞋底的作用力可以通過正交分解的方式分為垂直于地面的力和平行于地面的力.因此，籃球鞋鞋底的穩(wěn)定性應(yīng)在兩個方向均有體現(xiàn)，垂直于地面的方向和平行于地面的方向，即在鞋底受到垂直于地面的力消失時，其應(yīng)該有豎直方向形狀恢復原狀的能力，同時在水平方向的剪切力消失后，鞋底不產(chǎn)生水平方向的位移或變形.

籃球鞋鞋跟部位與前掌部位應(yīng)有合理的高度差，這個高度差可通過鞋內(nèi)底與地面之間形成的鞋底坡度角θ來衡量.通過足底壓力動態(tài)測量實驗數(shù)據(jù)分析出人體重心的移動規(guī)律，即跑步速度越快人體重心點距離腳的中軸線越遠且分散的更為稀疏，說明人體重心從后跟部位轉(zhuǎn)移到腳的前掌部位的速度較快，此時前掌部位出現(xiàn)了明顯的足內(nèi)、外翻轉(zhuǎn)，則運動員在身體重心過渡到前掌的過程中很有可能失去身體平衡，甚至造成足部的扭傷或踝關(guān)節(jié)扭傷.通過設(shè)計籃球鞋鞋跟部位與鞋前掌部位保持合理的高度差，可以重新分布人體在移動時的重心.當存在合理的高度差時可以使人體重心的移動更加平穩(wěn)，其分布更加靠近足部的中軸線.通過分析足底壓力的分布數(shù)據(jù)，當θ∈[10°，20°]時，在運動中人體重心分布較為密集且靠近腳的中軸線.

(2)防損傷性.通過對比足底壓力實驗數(shù)據(jù)和籃球運動中下肢損傷常發(fā)生的部位發(fā)現(xiàn)，足部的運動損傷多發(fā)于足底受力較大的部位.通過上面3組實驗數(shù)據(jù)得知足底壓力較大的部位分布在足第二、三跖趾關(guān)節(jié)、腳后跟里踝區(qū)域、腳后跟外踝區(qū)域.調(diào)查數(shù)據(jù)顯示籃球運動中的損傷大致可分為意外損傷和應(yīng)力疲勞性損傷，其中足部的應(yīng)力疲勞性損傷多為肌肉損傷和軟組織損傷，多數(shù)軟組織損傷分布于足跟部和跖趾關(guān)節(jié)部位，且這些易受傷的部位與足底受力較大的部位相對應(yīng)，這說明足底受力較大的部位發(fā)生應(yīng)力疲勞性損傷的可能性較其他部位更大.意外損傷則是運動過程中由于特殊的環(huán)境或條件所致，因此對于各類不同的運動損傷而言，意外損傷在一定程度上是不可提前預知并預防的，但應(yīng)力疲勞性損傷是可以預防的一類損傷.預防或降低應(yīng)力疲勞性損傷發(fā)生的措施在于合理設(shè)計籃球鞋鞋底，鞋底是人腳與地面之間的媒介，其主要作用是盡可能吸收或降低地面對人體的反作用力.鞋底設(shè)計的主要目的在于減小足底較大受力部位的受力或通過鞋底結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計將足底各部分的壓力進行重新分布，以減小足底局部的受力值.因此，為了減小足底局部的受力或?qū)ψ愕讐毫M行重新分布，可以通過鞋底材料的選擇和特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計來實現(xiàn).

(3)輕量化.籃球運動是一項體能消耗較大的運動項目，所以鞋底的質(zhì)量也是影響運動員成績發(fā)揮的重要因素之一.鞋底質(zhì)量對運動員最大的影響在于體能的消耗方面，前人的相關(guān)研究表明，當鞋子的質(zhì)量每增加1%時，人的體能消耗在3%～10%左右.體能消耗越大，運動員的運動效能就隨之下降，因此設(shè)計運動鞋時鞋底的輕量化是整雙運動鞋質(zhì)量降低的基礎(chǔ)，鞋底的輕量化也是鞋類造型設(shè)計師應(yīng)該考慮的主要內(nèi)容之一.

4 結(jié)束語

本研究采用Footscan動態(tài)足底壓力測試系統(tǒng)獲得了不同運動狀態(tài)下足底壓力的分布數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析獲知了足部內(nèi)外翻轉(zhuǎn)情況、足底壓力分布情況以及不同運動狀態(tài)下人體重心的分布情況.基于此總結(jié)出了籃球鞋鞋底的穩(wěn)定性、防損傷性、輕量化等功能需求，同時針對籃球鞋設(shè)計人員指出了一些注意的因素以幫助運動員提高運動成績，減少運動損傷發(fā)生.

參考文獻

[1] 懂 驤，樊瑜波，張 明.人體足部生物力學的研究[J].生物醫(yī)學工程雜志，2002，(1):28.

[2] 楊春榮.太極拳運動中足底壓力分布研究[J].北京體育大學學報，2007，(5):24.

[3] 黃海晶,王志彬,金鴻賓.正常行走足底壓力測定與臨床作用[J].中國矯形外科雜志，2007，(3):15.

[4] 崔麗娜.足弓結(jié)構(gòu)對選擇鞋跟高度的影響[J].中國皮革，2009，(2):123.

[5] 丁麗萍. 對我國不同位置優(yōu)秀男籃運動員運動損傷情況的調(diào)查與分析[J].武漢體育學院學報，2005，(2):15.

[6] Urhausen A, Gabriel H. Training stress and overstrainin[J]. Sports Medicine, 1995, (2):31.

[7] Fukuda H,Ohmich H,Miyashita M. Effects of Shoe Weight on Xxygen Uptake During Submaximal Running[M] . In: Nigg BM, Kerr BA.Biomechanical Aspects of Sport Shoes and Playing Surfaces. Calgary:U2 niversity Printing, 1983:115-119.