運動鞋緩沖避震研究進展

魏 勇 劉 宇

(上海體育學院運動科學學院,上海 200438)

運動鞋緩沖避震研究進展

魏 勇 劉 宇

(上海體育學院運動科學學院,上海 200438)

運用文獻資料法和歸納與演繹等方法,闡述了運動鞋避震的重要意義、評價運動鞋避震性能的指標(足底壓力和地面反作用力相關指標、負加速度峰值和沖量)和評價運動鞋避震性能的測試方法。

運動鞋;緩沖避震;綜述

鞋是現代生活不可或缺的用品,不僅可以提升一個人的穿著品味,更與我們的健康息息相關。制鞋業(yè)不斷變化著鞋的款式及科學性,但如果提到鞋的科學,首當其沖應該是運動鞋?，F代社會,運動鞋是競技裝備,其科學設計體現在多個方面上,不同的運動甚至不同的場地對鞋都會有不同的要求。現代運動鞋具備多種功能,而且與運動項目特點密切相關,但運動鞋的防震性能一直是眾多要素中的焦點問題。本文從運動鞋緩沖避震性能角度作一綜述,為進一步針對運動項目特征研發(fā)新款功能鞋提供新思路。

1 運動鞋避震的重要意義

避震(Cushioning)是運動鞋三大功能之一,對于運動鞋設計而言至關重要。美國測試與材料協會(American Society for Testing and Materials,ASTM)將避震定義為:借外力作用時間的增長,使降低撞擊力峰值的能力(the reduction of peak force by increasing the time overwhich the force is applied)(1994)。實際上在運動中,由足跟皮脂、鞋底及運動表面所組成的系統(tǒng)扮演了下肢與地面撞擊時避震的重要角色,這一系統(tǒng)即足-鞋-地表面(Foot-shoe-ground Surface)。正因為避震的重要性,與運動鞋相關的體育學、運動醫(yī)學、材料學以及制造學等多個領域都存在大量的相關研究。

由力學的靜力平衡可知當一個人靜止站在地面上時,其所受的地面反作用力等于其體重值。但是當以不同的運動方式接觸地面時,如步行、慢跑、快跑及跳躍著地等,所受地面反作用力的形式(Pattern)便不相同,這其中包括鞋和運動表面在內的很多因素都會影響到地面反作用力的大小與形式(Cavanagh PR&LafortuneMA,1980;Nigg BM,1985)。Fick DS et al(1992)發(fā)現每跑一步,跑者腳部就必須承受自己體重的2至3倍的地面反作用力。而且在運動中,動作速度越快,強度越高,相對人體的負荷量越大,人體于著地時所承受的地面沖擊力就越大。Bobbert MF等人(1987)曾研究過從三個不同高度落下后立即再做起跳動作(Drop Jump)的地面垂直反作用力的變化情形,三個不同的高度分別是20cm、40cm、60cm,結果發(fā)現最大垂直地面反作用力是發(fā)生在腳跟著地時,其值分別為體重的3.5、4.6、5.9倍。陳雯惠(2003)發(fā)現男性大學生以不同高度與姿勢著地動作時其地面反作用力峰值在3.036-4.995BW之間。所以人的足部在運動中所受的撞擊總負荷實在不小。這樣的撞擊負荷經由足部、下肢骨及脊椎往上傳導,傳導過程中此撞擊波被人體各關節(jié)軟骨及其他組織所吸收,長期下來會造成骨骼系統(tǒng)的慢性傷害;一旦受到的撞擊力超過人體各關節(jié)的負荷時,其所受傷害將更為嚴重。Macera CA(1992)收集的資料發(fā)現休閑跑者有高達35%,而競技跑者更有高達65%的人曾經發(fā)生過運動傷害。也有許多學者從動物實驗或流行病學的觀點,發(fā)現足部所受的撞擊力會造成人體軟骨及硬骨組織傷害的同時甚至出現血液組成的變化(Nigg BM et.al,1985)。所以,現在一般認為當人體運動時,足部反復與地面接觸所承受的撞擊力,被認為是造成下肢運動傷害的主要原因,尤其是對骨骼系統(tǒng)的傷害(Nigg BM,1986)。

運動中傷害的程度除了Fick DS et al(1992)指出的下肢過量的累積負荷外,還受足底壓力(Rodgers MM,1988)、足弓(Sneyers JL et al,1995;Simkin A et al,1989)和足跟過度外翻(蔣至杰,2000)以及運動形態(tài)、運動速度、足部接觸地面瞬間的速度、膝關節(jié)角度、人體測量參數、足跟皮脂、鞋具及運動表面等因素的影響(Cavanagh&Lafortune,1980;Nigg,1987)。概括起來講,形成跑者下肢運動傷害的因素包括不當的訓練方法、個人的生理特質和外在環(huán)境的因素(如鞋子、跑道表面、氣候等)等(Messier SP et al,1988;Hirosih KK et al,1988)。雖然姿勢的調整(陳雯惠,2003)、足跟皮脂、肌肉系統(tǒng)和運動表面(許太彥,2003)的作用可減低撞擊的負荷,但運動鞋(邱宏達,1999)也同樣扮演了重要的輔助角色。如果運動鞋鞋底能有效吸收因足部與地面接觸所產生的撞擊負荷,則可減輕人體骨骼系統(tǒng)的負荷,避免運動傷害的發(fā)生。

2 評價運動鞋避震性能的指標

由上述分析可知,運動鞋的緩沖避震性能成為評價運動鞋質量的重要因素。近年來,隨著運動鞋產業(yè)的興盛,相應的運動鞋設計和研發(fā)也逐漸受到科研工作者的重視。然而,由于運動鞋種類繁多和設計復雜,以什么指標來科學評價運動鞋的緩沖避震性能成為一個亟待解決但又十分困惑的問題。相比較運動鞋制造業(yè)的繁榮來說,國內外在該領域的研究尚十分落后。反過來,沒有科學合理的評價指標及相應方法又何以指導運動鞋的設計和生產呢?因此,加強對運動鞋緩沖避震指標體系的研究具有重要的理論和現實意義。

2.1 足底壓力相關指標

足底壓力測量作為一種當今步態(tài)研究中最先進的技術,已在諸多領域得到廣泛應用并取得卓越效果。其發(fā)展歷經足印技術(Pedography)、足底壓力掃描技術(Sole Barograph)、力板(Force Plate)與測力臺技術(Force Platform)、壓力鞋與鞋墊技術(In-shoe plantar)等(Lord M,1981)。隨著新型傳感技術和計算機技術的進步,足底壓力測量技術的應用領域越來越廣泛。壓力分布測量技術自1882年英國人Beely率先研究以來,于20世紀50年代開始被廣泛應用于系統(tǒng)的動力學研究和臨床研究,其中最有代表性的當屬生物力學步態(tài)研究,現已成為生物力學代表性的研究方向,并取得了大量成果(李建設,2005)。隨著足底壓力測量技術在“臨床足病”研究中的廣泛應用,現對足部疾病的診斷和治療已比較成熟,促進了臨床生物力學的發(fā)展(李建設,2005)。隨著人類功效學的發(fā)展,足底壓力測量技術在“運動與鞋”研究中的應用已經成為該技術最活躍的領域之一,國內外大量學者(Grundy M et al,1975;deLateur BJ et al,1991;Sato H et al,1991;Joanne R et al,1996;吳劍,2004;王立平,2004)取得了很多重要成果。但這些研究主要還是通過“足-鞋界面”的足底壓力及分布和“鞋-地界面”的鞋底壓力及分布特征的研究,揭示鞋底硬度、鞋跟高度、鞋體結構等因素對足健康的影響,指導人們健康穿鞋,并為足疾和假肢患者的“個性化”康復鞋(墊)或“健體鞋”的設計和制造提供符合人類功效學原理的依據和標準。除此以外,陸毅琛(2003)進一步拓寬了足底壓力測量技術的應用領域,通過對穿著兩種不同防震功效的運動鞋與裸足狀態(tài)下對原地縱跳時足底壓強分布區(qū)域特征、平均最大壓強值特征(MMP,Mean Maximum Pressure)、平均壓強值特征(MVP,Mean Value Pressure)、縱跳落地緩沖壓力值變化的時間差異性、X軸與Y軸向壓力的合力特征的比較研究,探究運動鞋的不同防震系統(tǒng)設計在人體進行原地縱跳時對足底的緩震功效的形成機制,客觀上探索了以足底壓力測量技術相應指標來進行運動鞋緩沖性能評價的新方法。但這一方法的具體效果如何,值得進一步深入研究。

2.2 地面反作用力相關指標

過去的許多研究,常以垂直方向的地面反作用力來量化人體足部所承受的撞擊力,以撞擊力峰值(Impact Force Peak)作為評估運動鞋避震功能的指標。若撞擊力峰值太大,則表示人體足部所承受的撞擊力或者運動鞋的避震功能不好。然而,有些研究卻發(fā)現步行或跑步撞擊力峰值并不明顯,有的研究發(fā)現赤腳與穿鞋測得的撞擊力峰值差異的情況較少。這是因為在垂直方向的地面反作用力中,撞擊力峰值并非最大的力量值,所以撞擊力峰值并不適合作為評估運動鞋避震功能的指標。而撞擊力之所以會造成下肢傷害主要是撞擊期間有最大的力量變化率,即最大負荷率(Maximum Loading Rate)。由Nigg BM(1986)的定義可知,撞擊力峰值發(fā)生前會產生最大的負荷率,此負荷率的值與峰值大小及其發(fā)生的時間都有關聯,因此以最大負荷率來評估運動鞋的避震能力可能較為恰當。最大負荷率越大,表示鞋底避震功能越差。綜上所述,現在的研究傾向于以最大負荷率來反映運動中的沖擊負荷(邱宏達,1999;許太彥,2003)。

一般而言,跑步時垂直地面反作用力與時間的關系圖中有兩個明顯的峰值,第一個峰值即為上述的撞擊力峰值(Impact Force Peak),發(fā)生在腳跟與地面接觸后的前50ms內,此時下肢神經肌肉系統(tǒng)并未產生效應,因此,此峰值為腳跟與地面直接撞擊所造成;第二峰值為主動力峰值(Active Force Peak),發(fā)生在腳跟與地面接觸的50ms以后,此時下肢神經肌肉系統(tǒng)產生作用,推動身體重心向上、前方移動,因而造成此峰值的產生(Nigg BM,1986),而圖形的最大斜率值即為最大負荷率。Nigg BM(1985)曾指出人體骨骼肌肉系統(tǒng)產生反應的時間為50ms到75ms;人體骨骼系統(tǒng)能將發(fā)生在50ms到75ms之后的力量緩沖,而不能主動產生反應去吸收發(fā)生在50ms到75ms之前的撞擊力量。因此,50ms到75ms之前產生的力量越大對人體下肢產生的傷害就越大。所以,現在很多研究都把地面反作用力第一波峰時間和最大負荷率時間作為評價地面沖擊負荷和運動鞋緩沖性能的重要指標(邱宏達,1999;許太彥,2003)。

綜上所述,地面反作用力最大負荷率及其發(fā)生時間和撞擊力峰值時間是評價運動鞋緩沖避震性能的較好指標。

2.3 負加速度峰值(Peak Deceleration)

另有學者以加速度值來表示人體肢段在足部與地面撞擊時所承受的撞擊程度,小腿和撞擊器則是最常被測量的部位。但由于測量小腿加速度訊號耗費時間,而且要將加速度規(guī)固定在小腿上,也會影響到受試者的移動,因此可以測力板的訊號來預測小腿加速度的訊號。Henning and Lafortune (1991)的研究中,6位受試者穿同一雙跑鞋,以4.5m/s的速度跑過一測力板,由測量得的地面反作用力及脛骨軸向加速度(bone-mounted axial acceleration)發(fā)現,垂直地面反作用力的平均負荷率和脛骨軸向加速度有很大的相關(r=0.87),而由平均負荷率及水平方向峰值所得的回歸方程中,預測的加速度峰值與真正測量的加速度峰值有很大的相關(r=0.94)。Henning et.al.(1993)的研究中,27位受試者每一位在穿19雙不同市售慢跑鞋的情況下,以3.3m/s的速度跑過一測力板,測量地面反作用力及脛骨皮膚表面的軸向加速度(skin-mounted axial acceleration)結果顯示,垂直地面反作用力的最大負荷率、中位功率頻率(median power frequency)和皮膚表面的負加速度峰值有極高的相關(r=0.98,0.94),由回歸方程預測的加速度峰值與真正測量的加速度峰值也有很高的相關(r=0.99)。由以上的結果可知,垂直方向地面反作用力的平均負荷率或最大負荷率,能正確預測小腿所受的負加速度峰值(邱宏達,1999)。

2.4 沖量

根據Nigg BM(1985)的理論,由于人體反應時間的限制, 50ms內的被動沖量越高時,代表受傷的危險性越高,因為人體無法產生自主的反應,只能夠靠人體的結構去吸收沖擊力。許太彥(2003)通過對10名兒童進行不同軟硬表面著地研究;陳雯惠(2003)以三種不同姿勢(自由式、上肢受限式、上肢軀干受限式)于兩種不同高度(32cm、63cm)落下著地研究進一步證實了被動沖量(Passive Impulse)作為評價運動鞋緩沖性能的可行性。

3 評價運動鞋避震性能的測試方法

截至目前為止,探討運動鞋避震能力的測試方法主要可分為兩種:材料測試(Material Test)和人體測試(Subject Test)。材料測試是指將運動鞋置于不同表面上,而以撞擊測試器撞擊鞋底,以垂直方向地面反作用力的撞擊力峰值或負加速度峰值等避震功能評估指標來判斷運動鞋緩沖性能的方法。人體測試是指由受試者穿著運動鞋,以各種不同的運動方式(步行、跑步、跳躍著地等)在不同運動表面上進行測試,以垂直方向地面反作用力的撞擊力峰值或小腿脛骨的負加速度峰值等避震功能評估指標來判斷運動鞋緩沖性能的方法(邱宏達,1999)。

不管是材料測試還是人體測試,根據運動學的功能原理,當物體由一定高度落下,而以垂直方向與地面撞擊時,當物體的質量越大、撞擊前的速度越快、撞擊表面的變形量越小,則所受的撞擊力就越大;但當物體的質量及撞擊前的速度保持一定,即撞擊能量固定時,則增加撞擊的距離(撞擊表面的變形量)可降低撞擊力的大小,而撞擊距離的增加和物體及地面的材質結構有關,也就是說具有避震功能的材料,可有效增加撞擊的距離,以減少撞擊力的大小。由以上撞擊理論可知,人體與材料測試的最大不同點,在于人體與撞擊時有效質量(effectivemass)的改變,此與材料測試中固定質量的撞擊器是不相同的,而有效質量被認為與下肢如膝、踝關節(jié)角度及角速度等有關系,也就是說著地策略的不同,將造成有效質量的改變。另外,足跟皮脂(heel pad)在吸震能力上也扮演著重要的角色(J?rgensen U&Bojsen-M?ller F., 1989),雖然,材料中撞擊器的撞擊頭,其外形是根據人體足跟骨的形狀而設計的,但并未考慮到足跟皮脂的構造(邱宏達,1999)。

過去有關評估運動鞋避震能力的相關研究中顯示,材料與人體測試結果并不一致,也就是說材料測試中具有吸震能力的鞋底,穿著在人體足部時,并無法表現出避震的效果,因此許多研究人員認為以材料測試來評估運動鞋并不適合(Nigg BM et al,1987)。但是有的研究中卻發(fā)現兩種測試的結果是一致的,而造成差異的原因可能是人體測試的變異性較大,這其中包含人體測量參數、足跟皮脂組織及著地策略的差異所造成的受試者間的變異(inter-subject variability)及受試者內的變異(intra-subject variability)。因此不當的實驗設計,如受試者或每種情況的測試次數(trail)太少,將無法檢測出鞋之間的差異性,或者可能是因為使用不具代表性的參數,如撞擊力峰值,而無法評估鞋子的避震能力。

材料測試雖然模擬足跟的結構及跑步時足部與地面碰撞時的速度,但是和實際人體跑步時的情況依舊有些差異。因此,大部分關于運動鞋的研究都傾向于以人體測試為主,或是以人體測試作為材料測試效度的檢驗。雖然如此,材料測試卻比人體測試節(jié)省時間,且與人體測試結果仍有相同的趨勢存在,所以針對大量生產的市售運動鞋,其測試方法應以材料測試較適合(邱宏達,1999)。

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Research on the Advances in Cushioning of Sports Footwear

Wei Yong,Liu Yu
(School of Kinesiology,Shanghai University of Sport,Shanghai,200438,China)

Through using the method of literature review as well as inductive and deductive ways,this paper discussed the importance of cushioning of footwear,the evaluationmethodswhich included material test and subject test,the potential indicatorswhich were used to evaluated the cushioning such as foot-pressure and ground reaction force-related indicators,peak deceleration,impulse.

sports footwear;cushioning;review

G804.6

A

1672-1365(2011)01-0005-03

2010-05-13;

2010-07-26

上海市科學技術委員會青年科技啟明星計劃項目(06QA14046);上海市重點學科建設項目(S30802)。

魏勇(1973-),男,江蘇南通人,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:運動醫(yī)學和運動生物力學。