三種籃球鞋足跟部壓縮性能的比較研究

宋雅偉，蔡奕璽，華宇飛

三種籃球鞋足跟部壓縮性能的比較研究

宋雅偉，蔡奕璽，華宇飛

通過(guò)對(duì)3種籃球鞋足跟部壓縮性能的進(jìn)行比較研究，從而對(duì)不同籃球鞋鞋底緩沖減震功能進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。對(duì)1名籃球?qū)I(yè)的大學(xué)生穿著3種國(guó)內(nèi)外擁有頂尖技術(shù)的高端品牌籃球鞋（NIKE FLIGHT96、ADIDAS TS PROMODEL和ANTA“霸道”三代）在正常步行速度下的足底壓力分布的測(cè)試，結(jié)合Instron材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種不同類(lèi)型的鞋底材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)3雙鞋壓縮行為、能量吸收的特征和應(yīng)力松弛的參數(shù)來(lái)比較和分析，在相同應(yīng)力下，NIKE的應(yīng)變最小，NIKE的模量和能量吸收最大，其次為ANTA和ADIDAS；在應(yīng)力松弛的試驗(yàn)中，NIKE的應(yīng)力松弛衰減度為最小，ANTA和ADIDAS幾乎相同。

籃球鞋；壓縮試；彈性模量；應(yīng)力松弛

運(yùn)動(dòng)員穿有減震功能的運(yùn)動(dòng)鞋可以緩沖地面沖擊力對(duì)人體造成的傷害，有助于提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。通常每步行1 km，一只腳要承受600～700次的重力沖擊，若是激烈運(yùn)動(dòng)，沖擊力就更大。跑步時(shí)，腳觸地的瞬間，受到地面的沖擊力將達(dá)到人體重量的2～4倍。這種沖擊力在人體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生震蕩波，對(duì)人體各部位造成不同程度的傷害。這就要求運(yùn)動(dòng)鞋鞋底要有一定的吸收和降低地面沖擊力的功能。如果運(yùn)動(dòng)鞋沒(méi)有良好的減震系統(tǒng)來(lái)緩解這種沖擊力，一定會(huì)使雙腳感到疲憊不堪，還會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)、腰、背以及大腦造成沖擊傷害。因此，籃球鞋的最主要功能之一就是緩沖減震功能[1]。

本研究試圖通過(guò)鞋底減震材料壓縮試驗(yàn)的方法分析3款籃球鞋在緩沖減震的功能特性并進(jìn)行對(duì)比分析，為科學(xué)、定量地評(píng)價(jià)籃球鞋在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的功能特性提供一些有用參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)[2]。

1 籃球鞋鞋底功能測(cè)試驗(yàn)

1.1 研究對(duì)象

1.1.1 參加測(cè)試人員樣本 采用隨機(jī)抽樣的方法，從南京體育學(xué)院體育系籃球?qū)＿x學(xué)生中隨機(jī)抽取1名大學(xué)生（男性）參加本次試驗(yàn)。受試者年齡21歲、體重79.338 kg、身高183.69 cm、足長(zhǎng)26.917 cm、足寬10.257 cm、足弓高5.41 cm。測(cè)試之前，由測(cè)試人員說(shuō)明本研究的目的、研究方法及試驗(yàn)步驟，在受試者充分了解本研究的試驗(yàn)過(guò)程，并進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)后，測(cè)試正式進(jìn)行。

1.1.2 測(cè)試鞋種類(lèi)及選鞋標(biāo)準(zhǔn) 選擇有獨(dú)立減震結(jié)構(gòu)（材料）的籃球鞋并考慮各個(gè)品牌籃球鞋的主流減震技術(shù)，且鞋底厚度基本相同，選取了ANTA“霸道”三代、ADIDAS TS PROMODEL和NIKE FLIGHT96 3款籃球鞋，尺碼均為US10，即EUR44碼。

1.2 研究方法

對(duì)穿著不同品牌籃球鞋足跟部進(jìn)行受力測(cè)量（Novel測(cè)力鞋墊），通過(guò)力值對(duì)應(yīng)找出籃球鞋鞋底材料在該狀態(tài)下的壓縮性能（Instron材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)），分析不同籃球鞋鞋底在材料、硬度等因素上的差異。

1.2.1 測(cè)試儀器與設(shè)備 鞋底材料壓縮試采用Instron電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)3367（傳感器最大量程為30 000 N，使用量程為1 000 N，精度為0.3%）。足底壓力分布測(cè)試采用德國(guó)Novel公司的Emed-pedar系列鞋墊式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集頻率為100 frame/sec，每只鞋墊表面分布99個(gè)壓力傳感單元，通過(guò)電纜線(xiàn)與控制盒相連，控制盒執(zhí)行讀取、記錄、發(fā)送、同步輸出數(shù)據(jù)等功能，當(dāng)分布于兩只鞋墊上的所有198個(gè)傳感器同時(shí)工作時(shí)，最高采集頻率為100 Hz[3-4]。

1.2.2 試驗(yàn)方法與步驟 （1）運(yùn)動(dòng)員穿不同品牌籃球鞋進(jìn)行行走，通過(guò)測(cè)力鞋墊找出足跟剛接觸地面時(shí)、整個(gè)足跟著地時(shí)、全足著地時(shí)的力值大小。（2）在Novel鞋墊足跟部選取9個(gè)傳感器（標(biāo)號(hào)為8、9、10、15、16、17、22、23和24）作為測(cè)試區(qū)域，在鞋墊上做好標(biāo)記，并計(jì)量面積為2 048 mm2（64 mm×32 mm）；根據(jù)鞋底的標(biāo)記區(qū)域，制作一個(gè)與標(biāo)記區(qū)域相匹配的不銹鋼壓頭（見(jiàn)圖1）。（3）在Instron自動(dòng)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鞋的材料壓縮試驗(yàn)，鞋試樣為試用3種不同硬度的鞋底后跟。本試驗(yàn)以5 mm/min速度對(duì)試樣施加預(yù)載荷，當(dāng)載荷達(dá)到600 N時(shí)進(jìn)行卸載，預(yù)調(diào)處理5次。預(yù)調(diào)處理完成后，再加載至600 N計(jì)算鞋的彈性模量。計(jì)算機(jī)程序設(shè)定從時(shí)間t（0）開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，每0.01 s采集一個(gè)數(shù)據(jù)，歷時(shí)72 s，試樣的彈性模量曲線(xiàn)經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合（見(jiàn)圖2）。（4）應(yīng)力松弛試驗(yàn)以5 mm/min速度對(duì)試樣施加預(yù)載荷，當(dāng)載荷達(dá)到300 N時(shí)進(jìn)行卸載，預(yù)調(diào)處理5次。預(yù)調(diào)處理完成后，加載至300 N后變速度50 mm/min，加載至1 000 N后，使應(yīng)變保持恒定，計(jì)算機(jī)程序設(shè)定從時(shí)間t（0）開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，每0.01 s采集一個(gè)數(shù)據(jù)，歷時(shí)72 s。（5）以.xls格式保存鞋底材料壓縮試每一時(shí)刻的載荷和位移值，做出載荷—位移曲線(xiàn)，并結(jié)合足底壓力中的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析。

圖1 足跟部面積單元格圖Figure 1 The heel area of the cell map

2 結(jié)果與分析

2.1 3雙籃球鞋的壓縮行為

在步態(tài)中，針對(duì)足跟受力，選取3個(gè)時(shí)刻進(jìn)行分析，分別是（1）足跟著地刻：在足跟著地時(shí)相內(nèi)，指足接觸地面的瞬間。（2）全跟著地刻：指足跟全部接觸地面的瞬間，足跟進(jìn)入支撐階段的時(shí)間段；（3）全掌著地刻：足首次觸底之后重心由足跟向全足轉(zhuǎn)移的時(shí)間段；在全掌著地時(shí)相內(nèi)，指足跟觸底之后，足向前滾動(dòng)，足前掌（跖骨）接觸地面的時(shí)間點(diǎn)。

根據(jù)圖2、圖3可以得出鞋底壓力的受力，再由壓力值可以通過(guò)Novel鞋墊所采集的數(shù)據(jù)判斷步行的每個(gè)時(shí)刻的受力情況，以鞋墊剛采集到力值信號(hào)為0.00 s開(kāi)始計(jì)算。圖3分別為（1）足跟剛接觸地面時(shí)的受力情況，在0.02 s時(shí)，它的力值達(dá)到0.04 kN，（2）整個(gè)足跟全部著地時(shí)的受力情況，在0.04 s時(shí)力值達(dá)到0.13 kN，（3）全掌著地時(shí)的受力情況，在0.10 s時(shí)力值達(dá)到0.22 kN。

3種籃球鞋鞋底材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。ADIDAS的鞋底在應(yīng)力達(dá)到0.02 kN左右時(shí)，應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到了6 mm。此后，材料模量突然增大，壓縮曲線(xiàn)陡然增高。這是由于達(dá)到一定的應(yīng)變以后，材料內(nèi)的泡孔被壓實(shí)，產(chǎn)生塌陷，材料致密化所導(dǎo)致[5]。NIKE和ANTA在應(yīng)力達(dá)到0.04 kN前，壓縮曲線(xiàn)幾乎重合。此后，應(yīng)力在從0.04 kN增加到0.13 kN這個(gè)階段，NIKE的壓縮曲線(xiàn)斜率變大，這個(gè)階段是從足跟剛著地過(guò)度到整個(gè)足跟部分著地的過(guò)程（見(jiàn)圖4），此階段是由于NIKE氣墊中的每個(gè)密閉氣室收到外力的壓縮，使得內(nèi)部的壓力上升，給與足跟部一個(gè)反作用力造成的曲線(xiàn)斜率的變大。

圖4 3雙籃球鞋的模量時(shí)間圖Figure 4 The modulus time map ofthree pairs ofbasketballshoes

從圖4可以看出，3雙鞋的模量都隨時(shí)間的增加而增加。其中模量最小的是ADIDAS的EVA發(fā)泡材料，NIKE與ANTA在壓縮初期的模量幾乎相同，但是在足跟剛接觸地面到整個(gè)足跟完全接觸地面的階段，NIKE的模量時(shí)間曲線(xiàn)出現(xiàn)了陡增。說(shuō)明氣墊在此時(shí)給與足跟部的反作用力相對(duì)于ADIDAS和ANTA來(lái)說(shuō)要大。

2.2 3雙鞋能量吸收的特征

2.3 壓縮3雙籃球鞋的應(yīng)力松弛

應(yīng)力松弛，就是在恒定溫度和形變保持不變的情況下，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨著時(shí)間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛是黏彈性材料的重要力學(xué)特性之一[6]。3雙籃球鞋的應(yīng)力松弛曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

由圖6可得，3雙鞋的在應(yīng)力幾乎相同的情況下，應(yīng)力的變化率有所不同。NIKE的應(yīng)力松弛曲線(xiàn)衰減的幅度明顯要比ADIDAS和ANTA小，而ADIDAS和ANTA在初始階段略有不同，但從10 s左右開(kāi)始，兩條曲線(xiàn)幾乎重合。ADIDAS的應(yīng)力松弛曲線(xiàn)方程為y=913.83e-0.0039x，可決系數(shù)為R2=0.888 4，ANTA的應(yīng)力松弛曲線(xiàn)方程為y=915.01e-0.004x，可決系數(shù)為R2=0.879 9，而NIKE的氣墊的應(yīng)力松弛是在壓力的作用下，密閉氣室內(nèi)部的體積被壓縮，但由于氣體沒(méi)有向外擴(kuò)散，導(dǎo)致氣墊內(nèi)部給與壓力的反作用力上升，從而使應(yīng)力的衰減減緩。其應(yīng)力松弛曲線(xiàn)方程為y=924.96e-0.0026x，可決系數(shù)為R2=0.9093（x橫坐標(biāo)為時(shí)間s，y縱坐標(biāo)為應(yīng)力N）。

3討 論

ANTA-A-Core，中文是“磁芯”的意思，主要功能集中在減震和反彈兩點(diǎn)。ADIDAS-adiPRENE，這是一種經(jīng)過(guò)高溫分解后重新排列分子的專(zhuān)利EVA材料，并通過(guò)注射發(fā)泡成形的這種EVA內(nèi)部為小蜂巢結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的EVA吸收沖擊力和提供反彈力的效果更好[7]。通常被放置在腳后跟沖擊的區(qū)域，它能夠很好的吸收沖擊力，更好的分散壓力。NIKE-Zoom Air是高彈性氣墊，是一款裝有織物芯體且外表扁平的氣墊，芯體的材料一般是尼龍三維立體織物，這種織物分上下兩層，中間有致密的縱向纖維連接，將織物的上下兩層各連接到氣室的上下內(nèi)壁，通過(guò)氣體的特性和纖維的延伸性能提供更加靈敏、快速的反應(yīng)[8]。

在圖5中，在0.02 s到0.04 s這個(gè)階段，3雙鞋的彈性模量和能量的吸收均陡增。因?yàn)檫@個(gè)階段是足跟剛一接觸地面到整個(gè)足跟接觸地面的階段，身體的壓力全部集中在足跟部，因此出現(xiàn)了陡增。從0.04 s到0.10 s是整個(gè)足跟著地過(guò)度到全足著地的階段，足跟的壓力逐漸分散到全足，所以此后3雙鞋的模量和能量吸收的增加都減緩。在整個(gè)階段中，因?yàn)镹IKE的模量（應(yīng)力/應(yīng)變）最大，所以吸收的能量也最多。發(fā)泡材料在受到外應(yīng)力作用產(chǎn)生應(yīng)變后，外力所作的功被轉(zhuǎn)化為勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)或著熱能耗散掉。而ADIDAS的EVA發(fā)泡材料中的氣泡可以看作是零模量的，在較低的應(yīng)變區(qū)域內(nèi)，氣泡壁主要起到承載的作用，所以彈性模量較小[9]。應(yīng)變達(dá)到一定的值以后，材料模量突然增大，壓縮曲線(xiàn)陡然增高，這是因?yàn)檫_(dá)到一定的應(yīng)變以后，材料內(nèi)的泡孔被壓實(shí)，產(chǎn)生塌陷，材料致密化所導(dǎo)致，因此此后的曲線(xiàn)也趨于平緩[10]。

在應(yīng)力松弛試驗(yàn)中，ADIDAS和ANTA的發(fā)泡材料其應(yīng)力松弛不僅包含分子鏈段的松弛，還包含有氣體擴(kuò)散過(guò)程而導(dǎo)致的應(yīng)力下降，即在壓力作用下，發(fā)泡材料體積被壓縮，泡孔內(nèi)的氣體壓力上升，導(dǎo)致氣體通過(guò)泡壁向外擴(kuò)散，從而導(dǎo)致泡孔內(nèi)的氣體壓力降低、應(yīng)力下降。

4 結(jié)論與建議

（1）足跟初始著地到全部足跟著地的階段，NIKE的模量最大，應(yīng)力松弛的衰減比較慢，它對(duì)足跟部有較好的支撐作用。而在全足跟著地到全掌著地時(shí)期，3雙鞋的支撐作用差異不大。（2）從全足跟著地到全掌著地，隨著足跟部分應(yīng)力的增加，NIKE吸收的能量也增加，在3雙鞋中能量吸收最多，因此起到的減震效果最好。因此NIKE的籃球鞋比較適合于體重較大的鍛煉者穿著。（3）ADIDAS的應(yīng)變比較大，形變也比較大，因此對(duì)足的支撐比較差，容易造成技術(shù)動(dòng)作的變形。（4）本研究對(duì)3個(gè)品牌的籃球鞋進(jìn)行了分析研究，建議ADIDAS和ANTA在足跟部材料的能量吸收這一方面進(jìn)行更多的研究和新技術(shù)開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)各種鍛煉群體的需要。

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Compression Performance of Three Kinds of Basketball Shoes Heel

SONG Yawei,CAI Yixi,HUA Yufei
(Dept.of Human Sports Science,Nanjing Institute of Physical Education,Nanjing 210014,China)

Objective:Through heel compression performance of three kinds of basketball shoes to cushion shock absorption capabilities for scientific evaluation.Methods:A basketball professional college student dressed in three kinds of high technology top brand basketball shoes made by home and abroad (NIKE FLIGHT96,ADIDAS TS PROMODEL and ANTA"hegemony"three generations)in the normal walking speed distribution of plantar pressure under the test,combined with Instron material testing machine mechanics of three different types of shoes materials compression test on the relevant data for analysis.Results:Three brand of shoes through the compression behavior,energy absorption characteristics and stress relaxation parameters for comparison and analysis,under the same stress,NIKE strain the smallest,NIKE's modulus and energy absorption maximum,followed by ANTA and ADIDAS.In the stress relaxation experiment,NIKE stress relaxation attenuation to a minimum,ANTA and ADIDAS almost the same.Discussion:Analysis of three pairs of shoes has different compression performance reasons.Conclusions:NIKE described the advantages of the compression performance,and ADIDAS,and ANTA in compression performance deficiencies recommendations.

basketball shoes;compression experiments;elasticity modulus;stress relaxation

G 804.61

A

1005-0000（2010）01-0057-03

2009-05-31；

2009-11-05；錄用日期：2009-11-10

宋雅偉（1970-），男，江蘇連云港人，博士，南京體育學(xué)院副教授。

南京體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)系，南京210014。