對慢跑鞋力學(xué)舒適性評價的研究

胡宗祥，陳學(xué)燦，關(guān)雪瓊

(1.集美大學(xué)體育學(xué)院，福建 廈門 361021;2.福建省出入境檢驗檢疫局，福建 福州 350001;3.莆田第二十七中學(xué)，福建 莆田 351100)

慢跑是廣受歡迎的一項健身運動。近些年來隨著參加慢跑運動的人數(shù)增加，由慢跑所引發(fā)的運動損傷越來越受到人們的重視，這些損傷不僅影響到行走，而且還影響到人們的身體健康。因此在慢跑健身過程中，一雙舒適的慢跑鞋不僅是消費者關(guān)注的重要性能之一，也是健身者預(yù)防或減小損傷的重要保障。然而國內(nèi)大多鞋企對鞋舒適性能的研究還處于試穿的經(jīng)驗評估階段，對鞋的舒適性能開發(fā)多數(shù)停留在模仿階段，其舒適性能遠不及國外著名品牌的產(chǎn)品，如何對鞋舒適性能進行評價也是當(dāng)前鞋類研究的關(guān)注熱點。本研究通過問卷調(diào)查法對測試鞋的舒適性進行主觀評價，并借助紅外光點運動分析系統(tǒng)和足底壓力測試系統(tǒng)等生物力學(xué)測試方法，分別對在自然行走和慢跑兩種狀態(tài)下下肢步態(tài)的一些運動力學(xué)指標進行測試與研究，旨在對慢跑鞋的力學(xué)舒適性能進行評價，以為慢跑鞋的改進及舒適性的評價提供參考。

1 研究方法及過程

1.1 受試者

本研究挑選男女各8 名青年作為受試者。其中男受試者平均身高174.6±6.6 cm，平均體重67.0±8.1 kg;女受試者平均身高163.5±4.3 cm，平均體重54.4±9.2 kg。受試者足部無平足、拇外翻等畸形，體型勻稱，身體健康，也無踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)等下肢關(guān)節(jié)損傷史。

1.2 測試用鞋

本測試用鞋為某品牌慢跑鞋，男女對照鞋均為Adidas 慢跑鞋，其中男鞋為41 碼，女鞋為37 碼。

1.3 數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用Codamotion 紅外光點高速捕捉測試系統(tǒng)(美國)和Footscan 鞋墊式足底壓力測量系統(tǒng)(比利時)對受試者穿兩種鞋常速行走和慢跑時的踝關(guān)節(jié)運動學(xué)和足底壓力分布特征進行采集。運動學(xué)數(shù)據(jù)采集頻率為200 Hz，足底壓力分布采集頻率為1 000 Hz。受試者穿測試鞋后先進行20 min 走或慢跑以適應(yīng)并體會試穿過程中的感覺，然后根據(jù)感覺填寫“慢跑鞋主觀舒適性調(diào)查量表”，對鞋整體舒適性和鞋各部分舒適性的主觀感覺進行評分。量表填寫完畢后，在受試者小腿中部(后面)、跟腱部(鞋后跟幫上方)、鞋后跟幫的商埠和鞋后跟底的中間(后面觀)粘貼反光標志點，并在右鞋內(nèi)放置測試鞋墊，同時要求受試者以感覺最舒服的松緊程度系好鞋帶。規(guī)定受試者以自然狀態(tài)行走和慢跑通過測試區(qū)域。測試時每款鞋都要求至少采集自然行走及慢跑各3次完整有效數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 主觀舒適性問卷調(diào)查

主觀舒適性問卷調(diào)查主要是對足跟部緩沖性能、前腳掌緩沖性能、后足穩(wěn)定性能、前腳掌穩(wěn)定性能、后腳跟寬度舒適性、鞋長舒適性、足弓舒適性以及整體舒適性9 部分進行的問卷調(diào)查。問卷采用11 級量表，0 為最差，10 為最好。

1.4.2 足底壓力數(shù)據(jù)處理

本研究對足底壓力的研究，采用Footscn 鞋墊式足底壓力系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，運用該足底壓力系統(tǒng)分析軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理，后用Microsoft Excel 軟件進行分析和處理。

我們把足底分為10個區(qū)域，即內(nèi)側(cè)足跟區(qū)(HM)、外側(cè)足跟區(qū)(HL)、足中區(qū)(MF)、第一跖骨頭區(qū)(M1)、第二跖骨頭區(qū)(M2)、第三跖骨頭區(qū)(M3)、第四跖骨頭區(qū)(M4)、第五跖骨頭區(qū)(M5)、大拇趾(T1)區(qū)和第2-5 足趾區(qū)(T2-5)。

分析指標主要有:足底10個區(qū)域的壓力峰值和壓強峰值。

1.4.3 運動學(xué)參量的計算與處理

1)應(yīng)用Codamotion 運動分析系統(tǒng)中的自帶軟件獲得跟腱角數(shù)據(jù)。應(yīng)用Excel 軟件對每三組數(shù)據(jù)進行計算，得到應(yīng)用于分析的運動學(xué)數(shù)據(jù)。

2)跟腱角關(guān)節(jié)角度的定義。小腿中部點與跟腱點的連線和鞋后跟幫商埠點和鞋后跟底的中點連線在額狀面內(nèi)的夾角。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 主觀舒適性

由圖1 可知，本研究受試者的評價結(jié)果表明，鞋從總體上看，整體舒適性為8.6 分，受試者對鞋的舒適性整體感覺比較滿意。其中對鞋長和前腳掌寬度的滿意程度最高，平均得分分別為9 分和8.9 分。而受試者感覺舒適性比較低的為足弓部位(8.3 分)，同時對足跟部緩沖性能(8.3 分)和前腳掌穩(wěn)定性(8.4分)評價稍低。說明受試者對鞋寬度和長度的合腳性感覺不錯，但對鞋底的緩沖支持性能感覺稍差。

圖1 測試鞋舒適性主觀評價得分雷達圖

表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示不同性別受試者對這款測試鞋的評價基本一致。只有在足弓部位的舒適性評價上，男受試者的評分顯著低于女性受試者，且男受試者在對鞋各項指標的評價中對足弓部位評分最低。這說明不同性別對鞋足弓部位的設(shè)計要求是不一樣的，這可能是由男女體重、足部解剖結(jié)構(gòu)不同等原因造成的。因此應(yīng)該進一步研究不同性別對鞋結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的不同要求，使鞋能最大限度滿足不同性別穿著者的需要。

2.2 足底壓力分布

由表2 所示在自然走測試中，最大壓力是在足跟外側(cè)(HL)區(qū)，其次是足跟內(nèi)側(cè)(HM)區(qū)，之后依次是第二跖骨(M2)、第2-5 足趾(T2-5)、第三跖骨(M3)、第四跖骨(M4)、第一跖骨(M1)、第一足趾(T1)、足中區(qū)(MF)、第五跖骨(M5)。而對照鞋各區(qū)最大壓力由大到小順序是:足跟內(nèi)側(cè)(HM)區(qū)、足跟外側(cè)(HL)區(qū)、M2、第2-5 足趾(T2-5)、足中區(qū)(MF)、第一跖骨(M1)、第三跖骨(M3)、第四跖骨(M4)、第一足趾(T1)、M5，最大壓力則出現(xiàn)在足跟內(nèi)側(cè)(HM)區(qū)。由表2 可知測試鞋與對照鞋在T1、M2、M3、M4、M5、MF 和HM 區(qū)的壓力最大值有顯著性差異，其中T1、M2、M3、M4、M5 區(qū)所受的最大壓力測試鞋均大于對照鞋，而HM 和MF 區(qū)測試鞋小于對照鞋(圖2)。這說明測試鞋可以有效緩沖足跟著地后獲得的地面反作用力，又可以在支撐后使地面反自由作用力最大限度作用于人體，幫助人體向前向上蹬離地面。

表1 不同性別受試者對測試鞋主觀舒適性得分

足底壓強是足底單位面積所承受的地面反作用力，最大足底壓強(Pmax)則是特定區(qū)域內(nèi)所受地面反作用力最大的部位內(nèi)單位面積的作用力值。在最大壓強方面(圖3)，測試鞋各區(qū)由大到小順序分別是:T1、M2、M3、M1、M4、HL、HM、T2-5、M5 和MF，而對照鞋各區(qū)順序則是T1、M2、M1、M3、M4、HM、HL、T2-5、M5 和MF。測試鞋與對照鞋在T1、M3、M4、M5、MF區(qū)的壓強最大值有顯著性差異，其中T1、M3、M4、M5區(qū)所受的最大壓強測試鞋均大于對照鞋，只有MF 區(qū)測試鞋小于對照鞋。從結(jié)果可以看出，前腳壓強大于腳底后部，腳底內(nèi)側(cè)大于腳底外側(cè)。測試鞋總體壓強大于對照鞋，這主要是因為后期前腳受力較大。

圖2 女鞋在行走測試中各區(qū)最大壓力值柱形圖

表2 測試鞋與對照鞋各數(shù)據(jù)間t 檢驗值

除了MF 區(qū)外，其余各區(qū)測試鞋均大于對照鞋。從結(jié)果可以看出，前腳壓強大于腳底后部，腳底內(nèi)側(cè)大于腳底外側(cè)。測試鞋總體壓強大于對照鞋，這主要是因為支撐后期前腳受力較大。

圖3 女鞋在行走測試中各區(qū)最大壓強值柱形圖

圖4 所示男測試鞋在自然走測試中，最大壓力是在M2 區(qū)，其次是HL 區(qū)，之后依次是M3、HM、T2-5、M4、M1、MF、T1、M5。而對照鞋各區(qū)最大壓力由大到小順序是M2、M3、HM、HL、M4、T2-5、M1、MF、T1、M5，最大壓力則出現(xiàn)在M2 區(qū)。測試鞋與對照鞋之間只有M3 區(qū)的壓力最大值有顯著性差異，測試鞋小于對照鞋。對男鞋來說，測試鞋和對照鞋在足底壓力分布方面并無差異。與女鞋不同，男測試鞋與對照鞋之間差異并不明顯，測試鞋也并沒有表現(xiàn)出著地時更大的緩沖性能和離地時更好的動力性能。

圖4 男鞋在行走測試中各區(qū)最大壓力值柱形圖

在最大壓強方面(圖5)，男測試鞋各區(qū)由大到小順序分別是:M2、M1、M3、M4、HM、HL、T1、MF、T2-5、M5;對照鞋順序為:M2、M3、M1、M4、HL、HM、T1、T2-5、MF、M5 。通過T 檢驗發(fā)現(xiàn)，T2-5、M2、M3、MF 區(qū)測試鞋與對照鞋之間有顯著性差異，測試鞋均小于對照鞋。與女鞋不同，男測試鞋并沒有表現(xiàn)出足底壓強前腳大于腳底后部。但與女鞋相同的是足底內(nèi)側(cè)壓強大于外側(cè)，與女鞋最大不同的是男子測試鞋在前腳和足中部的壓強大于對照鞋。而考慮到男子測試鞋與對照鞋足底壓力差異不大，說明是測試鞋底的設(shè)計造成了前足和足中部壓強增加。

圖5 男鞋在行走測試中各區(qū)最大壓強值柱形圖

在慢跑測試中，女測試鞋最大壓力是在M2 區(qū)，之后依次是:HL、HM、M3、T2-5、M4、M1、MF、T1、M5。而對照鞋各區(qū)最大壓力由大到小順序是:MF、HM、HL、M2、T2-5、M3、M4、M1、M5、T1，最大壓力則出現(xiàn)在MF 區(qū)。測試鞋與對照鞋在T1、M1、MF 區(qū)的壓力最大值有顯著性差異，其中T1、M1 區(qū)所受的最大壓力測試鞋均大于對照鞋，而MF 區(qū)測試鞋小于對照鞋。在跑步時，女測試鞋和對照鞋的落地緩沖性能無明顯差別，但測試鞋在蹬離地面的動力性能上要好于對照鞋。女測試鞋第二跖骨的高壓力值得注意，跑步時跖骨過高的負荷是產(chǎn)生疲勞性損傷的原因(圖6)。

圖6 女鞋在慢跑測試中各區(qū)最大壓力值柱形圖

在慢跑測試中，測試女鞋最大壓強是在M2 區(qū)，之后依次是:M3、T1、M1、M4、HL、HM、T2-5、M5、MF。而對照鞋各區(qū)最大壓力由大到小順序是:M2、M3、T1、M1、M4、HM、HL、MF、T2-5、M5，最大壓強則出現(xiàn)在M2 區(qū)。測試鞋與對照鞋在T1、M2、M3、M4、M5、MF 區(qū)的壓強最大值有顯著性差異，其中測試鞋在T1、M2、M3、M4、M5 區(qū)所受的最大壓強值均大于對照鞋，而MF 區(qū)測試鞋小于對照鞋。由于女受試者在穿測試鞋時M2 區(qū)受到最大壓力，因此此處壓強也最大。與行走時相同，跑步時的女測試鞋的壓強依然大于對照鞋。因此應(yīng)考慮進一步研究以確定女性足部結(jié)構(gòu)、步行和跑步的運動特點，和測試鞋鞋底的設(shè)計，及確定造成這一問題的原因(圖7)。

圖7 女鞋在慢跑測試中各區(qū)最大壓強值柱形圖

在慢跑測試男鞋中，測試鞋最大壓力是在M2區(qū)，之后依次是:HL、HM、M3、T2-5、M4、MF、M1、T1、M5。而對照鞋各區(qū)最大壓力由大到小順序是:HM、M3、M2、HL、M4、T2-5、MF、M1、M5、T1，最大壓力則出現(xiàn)在HM 區(qū)。測試鞋與對照鞋在M3、M4、M5、MF、HM 區(qū)的壓力最大值有顯著性差異，且測試鞋均小于對照鞋。與女測試鞋一樣，男測試鞋同樣在第二跖骨(M2)區(qū)域受到最大壓力。因此應(yīng)進一步研究測試鞋底的設(shè)計，確定造成這一問題的原因(圖8)。

圖8 男鞋在慢跑測試中各區(qū)最大壓力值柱形圖

在慢跑測試中，測試鞋最大壓強是在M2 區(qū)，之后依次是:M1、M3、M4、HL、HM、MF、T1、T2-5、M5、。而對照鞋各區(qū)最大壓強由大到小順序是:M2、M3、M1、M4、HM、HL、MF、T2-5、T1、M5，最大壓強則出現(xiàn)在M2 區(qū)。測試鞋與對照鞋在T2-5、M3、M5、MF、HM 區(qū)的壓強最大值有顯著性差異，且測試鞋均小于對照鞋。與女性不同的是，男測試鞋表現(xiàn)為足底壓強小于測試鞋。這進一步說明男女足部結(jié)構(gòu)、運動特點的不同造成鞋底設(shè)計應(yīng)相應(yīng)有所區(qū)別(圖9)。

圖9 男鞋在慢跑測試中各區(qū)最大壓強值柱形圖

2.3 跟腱角

跟腱角是反應(yīng)跟骨和小腿骨之間相對角運動的信息，可用它來描述足的內(nèi)外翻。

女受試者穿對照鞋站立時跟腱角顯著大于穿測試鞋(P=0.02)。說明對照鞋對足部外翻的限制不如測試鞋。著地瞬間，女受試者穿對照鞋時的跟腱角依然明顯大于穿測試鞋。自然行走過程中，女受試者穿測試鞋在著地時跟腱角為3.7°，最大幅值為17.8°，出現(xiàn)時間為0.24 s，離地時跟腱角為-51.5°;而對照鞋著地時跟腱角為6.6°，最大幅值為24.6°，出現(xiàn)時間為0.19 秒，離地時跟腱角為-58.7°。而男鞋中測試鞋在著地時跟腱角為1.95°，最大幅值為26.6°，出現(xiàn)時間為0.15 s，離地時跟腱角為-48.6°;女受試者穿對照鞋在著地時跟腱角為2.3°，最大幅值為20.8°，出現(xiàn)時間為0.20 s，離地時跟腱角為-61.6°(表3)。

在穿測試鞋步行測試中，男女之間跟腱角的變化并沒有顯著性差異，但最大值出現(xiàn)時間女性明顯晚于男性。測試鞋與對照鞋之間除女鞋在站立和走路著地瞬間跟腱角較大外，其他指標沒有顯著性差異，兩雙鞋對受試者行走時踝關(guān)節(jié)影響并無區(qū)別。同時也說明測試鞋在對走路時男女踝關(guān)節(jié)運動的影響略有不同。

表3 自然行走不同時刻跟腱角及出現(xiàn)時間

在慢跑測試中，女鞋在著地時跟腱角為9.6°，最大幅值為18.8°，出現(xiàn)時間為0.06 s，離地時跟腱角為-24.1°;而對照鞋著地時跟腱角為7.6°，最大幅值為20.9°，出現(xiàn)時間為0.08 s，離地時跟腱角為-17.5°。而男鞋中測試鞋在著地時跟腱角為5.9°，最大幅值為23.3°，出現(xiàn)時間為0.08 s，離地時跟腱角為-25.3°;對照鞋在著地時跟腱角為6.3°，最大幅值為22.6°，出現(xiàn)時間為0.096 s，離地時跟腱角為-22.5°。從數(shù)據(jù)上看出不同鞋慢跑時，男女之間跟腱角的變化并沒有顯著性差異，測試鞋與對照鞋之間也幾乎沒有顯著性差異。說明兩雙鞋對受試者跑步過程中踝關(guān)節(jié)運動的影響沒有區(qū)別(表4)。

表4 慢跑不同時刻跟腱角及出現(xiàn)時間

3 結(jié)論

1)測試鞋寬度和長度的合腳性較好，但鞋底的緩沖支持性能稍差。

2)男女對鞋足弓部舒適性的評價不一致。

3)測試鞋對不同性別在完成不同運動狀態(tài)(走和跑)時的影響存在差異。

4)女性測試鞋可在行走時提供較好的緩沖與蹬離效果，但同時足底壓強較大。

5)男性測試鞋足底壓強較小。

6)測試鞋可造成穿鞋者第二跖骨負荷增加，增加疲勞損傷危險。

7)測試鞋對女性站立時足內(nèi)外翻有較好的限制作用，但在運動時對踝關(guān)節(jié)的影響與對照鞋無區(qū)別。

4 建議

進一步研究男女在足部結(jié)構(gòu)、動作特征等方面的差異，在鞋的設(shè)計上充分考慮男女差別。

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［2］李建設(shè)，顧耀東，陸毅琛，等.運動鞋核心技術(shù)的生物力學(xué)研究［J］.體育科學(xué)，2009(5):40-49.

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