網(wǎng)球鞋鞋底結(jié)構(gòu)與功能的生物力學研究

摘 要：本研究運用PK-227A止滑試驗機測試三種不同鞋底花紋設(shè)計的止滑性；并試圖通過稱取鞋底磨耗質(zhì)量以判定三種網(wǎng)球鞋鞋底的耐磨性；運用Mega ME6000 8通道肌電儀，分別對6名男性穿三種不同網(wǎng)球鞋時的下肢主要肌肉做功測量和分析，試圖通過實驗研究并結(jié)合理論分析，對網(wǎng)球鞋的能量回歸實際功效給予評價，并探討網(wǎng)球鞋能量回歸的影響因素，從而為網(wǎng)球鞋的能量回歸設(shè)計提供生物力學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)球鞋鞋底 止滑性 能量回歸 肌電

中圖分類號：G804.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0241-03

1 網(wǎng)球鞋鞋底的研發(fā)要點

運動鞋鞋底結(jié)構(gòu)一般包括外底和中底，外底的功能一是保護腳底，使其不受地面利物的損傷；二是起到制動、防滑等多種作用來滿足不同項目的特定要求。常用的運動鞋外底材料有全（橡）膠、全塑（料）、橡塑并用及聚氨酯等。中底主要的作用是減震、存儲能量以及能量的返還。

網(wǎng)球鞋鞋底除了具有一般運動鞋底的功能外，還應(yīng)有自己的獨特性能，主要表現(xiàn)在底部件的設(shè)計上。從網(wǎng)球運動特性可知，網(wǎng)球鞋外底前掌是主要受力部位，應(yīng)有很好的制動效果，其外底花紋在左右和前后方向要有較強的抗滑移能力，后跟部位也要有必要的防滑效果，以避免運動中的重心不穩(wěn)，影響運動成績，達不到運動保護的目的。另外，網(wǎng)球運動過程中有較多的迅速止滑運動，鞋外底花紋與地面摩擦后，紋峰易磨損，摩擦系數(shù)降低，止滑性減弱。因此，耐磨也就成了防滑的前提。要求鞋底前掌外側(cè)和后跟部位耐磨性好。另外，在側(cè)身擊球時，要求鞋具有良好的翻轉(zhuǎn)控制功能。

從功能方面，由于網(wǎng)球運動場地大，運動員跑動距離長，在一場比賽中需要3～400次的能量釋放，特別是運動員從靜止狀態(tài)或制動后的爆發(fā)式啟動，更需要運動員滿負荷的能量釋放。所以，專業(yè)網(wǎng)球鞋的彈性、即能量回歸的功能顯得尤為重要，運動鞋釋放出的反作用力能為穿用者節(jié)省更多的體力。另外，高強度的步法移動和跳躍勢必給運動員膝、踝關(guān)節(jié)帶來沖擊，要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。因此，網(wǎng)球鞋的減震功能也是設(shè)計者必須考慮的。

鞋的質(zhì)量大小亦對運動成績產(chǎn)生影響。鞋是人體本身以外的附加體，鞋的質(zhì)量越大，在運動全過程中消耗的能量累積效應(yīng)也越大。假設(shè)跑動的距離為s，每只鞋的質(zhì)量為m，則人體在每只跑鞋上所消耗的能量約為1.5 mgs（J）。這表明隨著距離的增大，其能量積累效應(yīng)也將越來越明顯[1]。鞋子每增加0.1 kg質(zhì)量，人體需要多消耗約1%的能量[2]。由于網(wǎng)球運動強度大，運動員體能消耗較大，要求盡量減少體重外的負荷，鞋成了主要考慮因素，要在確保牢固的前提下減小鞋底及整鞋的重量。

網(wǎng)球運動中足部有一定的屈撓和彎曲，是網(wǎng)球鞋的底部件易達到疲勞極限，易在外表層產(chǎn)生細小裂紋，最終導(dǎo)致底部斷裂，所以網(wǎng)球鞋的耐屈撓性很重要。網(wǎng)球鞋前蹺較低的設(shè)計，可使人體具有較好的穩(wěn)定性。

網(wǎng)球鞋鞋底的總體設(shè)計要求是耐磨、耐屈撓、止滑性、減震性、彈性好，穩(wěn)定性好，質(zhì)輕。而防滑性和彈性（能量回歸）是對專業(yè)網(wǎng)球鞋鞋底最重要、最基本的性能要求，也是本研究從生物力學角度所要探討的問題。

2 實驗研究

2.1 大底止滑性實驗

2.1.1 實驗原理

運動鞋的止滑性能是指在人運動過程中鞋底的防滑性，其值可以用鞋底與運動場地面的動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)的大小來表示，摩擦系數(shù)越大，止滑性能越好。因此在研究鞋底止滑性能的大小時，采取的方法一般都是利用各種摩擦力測試儀測量實驗鞋底在定的垂直壓力下，以一定的速度在實驗路面上滑動時所產(chǎn)生的摩擦力，用測得的摩擦力除以垂直壓力就是摩擦系數(shù)值。如前所述，鞋底止滑性能的影響因素非常多，并且各因素之間的關(guān)系復(fù)雜，這不僅影響了實驗結(jié)果的準確度，還增加了實驗結(jié)果分析的難度。為了盡量減少實驗誤差和不同因素的干擾，提高實驗結(jié)果的置信度，本實驗固定了其它的實驗條件和因素（止滑測試儀的行程，滑動速度，法向載荷等，如下所述）。

2.1.2 實驗?zāi)康?/p>

止滑性能是網(wǎng)球鞋的重要指標，而耐磨性是止滑性的前提。本實驗通過測試三雙實驗用鞋的靜摩擦力、動摩擦力及相同條件下的鞋底磨損情況，從而評價采用不同花紋和材料組合對鞋底的止滑性及耐磨性的影響。

2.1.3 實驗內(nèi)容

運用電腦式鞋子止滑試驗機兩次對鴻星爾克“靈足”網(wǎng)球鞋、NIKE AIR COURT網(wǎng)球鞋、ADIDAS BARRICADE網(wǎng)球鞋進行止滑性試驗。并通過鞋底磨耗質(zhì)量，判定鞋底耐磨性（如表1）。

2.1.4 實驗儀器和設(shè)備

PK-227A電腦式鞋子止滑試驗機、電子天平。

2.1.5 實驗過程

測試實驗用鞋在表面光滑的干態(tài)混凝土表面上的靜摩擦力和動摩擦力。在測試前后分別稱單只鞋重，取平均值。

2.1.6 法向載荷的選定

同樣，在已經(jīng)選定的速度和行程兩個水平的基礎(chǔ)上，選取負載為10 kg、20 kg、30 kg三個水平進行測試。測試結(jié)果表明，法向載荷為30 kg時，摩擦系數(shù)折線的曲率最平穩(wěn)，因此選定30 kg為本實驗的法向載荷。

2.1.7 滑動速度和摩擦行程的選定

本實驗所用止滑儀的最大速度為290 mm/min，為了使實驗外其他方面因素的影響程度降低，選取了幾個速度進行測試，選擇測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好的速度值作為正式實驗條件。與行程的測定方法相同，在已經(jīng)選定的行程（250 mm）和相同的負載（30 kg）下，選取290 mm/min，280 mm/min，260 mm/min，195 mm/min，135 mm/min五個水平進行實驗和分析?；兴俣葹?90 mm/min時摩擦系數(shù)折線的曲率最平穩(wěn)，因此本實驗最后選取的速度為290 mm/min。

室溫條件下，選取以速度290 mm/min，負載30kg的鞋底在干態(tài)混凝土表面上進行實驗，行程分為100 mm、150 mrn、200 mm、250 mm四個水平，每個水平進行3次，根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)和圖形，選擇數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好和摩擦系數(shù)曲率比較平穩(wěn)的行程水平作為正式實驗的行程。實驗行程為100 mrn和250 mm時，折線曲率比較平穩(wěn)。但因行程為100 mm時摩擦力仍然在增大，沒有達到穩(wěn)定平穩(wěn)的狀態(tài)，因此本次實驗行程選擇了250 mrn。

2.1.8 實驗結(jié)果

表2顯示，三雙網(wǎng)球鞋中蹬伸效果最好的是鴻星爾克，其次是阿迪，耐克最差；鞋底止滑性最好的是阿迪、鴻星爾克次之、耐克最差。但三種網(wǎng)球鞋鞋底蹬伸效果和止滑性均不存在顯著差異。

表3顯示，耐克網(wǎng)球鞋底耐磨性最好，阿迪次之，鴻星爾克最差；且耐克和阿迪之間不存在顯著差異。

2.2 中底能量回歸之實驗肌電實驗（肌肉工作狀態(tài)）

2.2.1 實驗?zāi)康?/p>

網(wǎng)球鞋能量回歸的目的是減少身體能量消耗，而肌電能夠通過對肌肉活動的監(jiān)測來評價肌肉做功和能量消耗，因而本研究希望通過表面肌電來研究和分析穿不同鞋時的肌肉做功，進而研究運動鞋的能量回歸功效，為網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計提供參考。

2.2.2 實驗內(nèi)容

運用芬蘭Mega ME6000 8通道肌電儀，對6名青少年男性大學生分別穿著鴻星爾克“靈足”網(wǎng)球鞋、NIKE AIR COURT網(wǎng)球鞋、ADIDAS BARRICADE 網(wǎng)球鞋，在網(wǎng)球場底線中點處開始，交替以交叉步跑向兩個單打場地底角，并迅速將各點的球拿回底線中點處，同時采集左右下肢各4塊不同肌肉做功的平均數(shù)據(jù)。對平均數(shù)據(jù)的各通道做功與負荷以及下肢肌肉總做功進行分析，比較3款不同網(wǎng)球鞋之間的差異。

2.2.3 實驗對象

（1）實驗受試者。

體育學院男生6名，身體健康，無臨床病史，足部形態(tài)功能正常，無足病和運動性障礙，經(jīng)過技術(shù)培訓并經(jīng)過預(yù)實驗，動作穩(wěn)定性好、測量數(shù)據(jù)可靠性高。

（2）實驗用鞋購置于大型百貨商店品牌特許零售商專柜（如表4）。

2.2.4 測試肌肉篩選及其依據(jù)

測試肌肉為下肢左右各4塊肌肉，分別為：腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、脛骨前肌、股四頭肌和股二頭肌。測試肌肉的選擇基于一定的標準。首先這4塊肌肉連接了下肢髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)，是文獻中廣為采用的，這些肌肉也是下肢運動中主要做功肌肉。其次腓腸肌能屈踝關(guān)節(jié)和屈膝關(guān)節(jié)，在站立時，能固定踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，以防止身體向前傾斜；脛骨前肌可使足內(nèi)翻；股四頭肌是全身體積最大的肌肉，是膝關(guān)節(jié)強有力的伸肌，還有屈大腿的作用；股二頭肌可以屈膝關(guān)節(jié)，伸大腿（如表5）。

2.2.5 實驗過程

在受試者測試肌肉表面貼上電極片，連接肌電儀，隨機著三款不同的網(wǎng)球鞋在在網(wǎng)球場底線中點處開始，交替以交叉步跑向單打場地兩個底角，并迅速將拿回底線中點處，每次拿一球，并以節(jié)拍器控制時間，5秒內(nèi)完成一次往返跑。每次實驗間隔15分鐘，讓被試充分休息。

2.2.6 表面肌電信號的采集

利用芬蘭Mega ME6000 8通道肌電采集盒，用記錄模式分別采集穿3款不同網(wǎng)球鞋時的SEMG信號，信號的采樣頻率為1000 Hz，采樣時間35秒，肌電信號采集采用雙電極引導(dǎo)法。

2.2.7 肌電圖的分析處理

取運動開始穩(wěn)定后連續(xù)一分鐘的肌電圖進行分析處理。取平均數(shù)據(jù)的各通道做功、總做功兩項指標。結(jié)合SPSS 12.0統(tǒng)計軟件包對數(shù)據(jù)進行多元統(tǒng)計分析。顯著性水平P <0.05（*），P <0.01（**）。

2.2.8 實驗結(jié)果

（1）下肢各通道肌肉做功分析。

表6顯示：T檢驗統(tǒng)計量對應(yīng)的雙尾概率P >0.05，說明差異不顯著。

（2）下肢肌肉總做功分析。

表7顯示：在穩(wěn)定慢跑連續(xù)一分鐘的肌肉總做功上，穿鴻星爾克網(wǎng)球鞋時的平均做功為364 035.4（uVs），穿耐克網(wǎng)球鞋時平均做功為345 337.0（uVs），穿阿迪達斯網(wǎng)球鞋時的平均做功為342 409.0（uVs）。

穿耐克和阿迪達斯網(wǎng)球鞋時下肢肌肉總做功有顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達0.975，且概率P <0.01。

T檢驗統(tǒng)計量對應(yīng)的雙尾概率P >0.05，認為穿三雙網(wǎng)球鞋時下肢總做功不存在顯著差異。

3 實驗分析與結(jié)論

3.1 鞋底止滑性實驗

3.1.1 鞋底止滑性

前掌靜摩擦力從大到小依次為鴻星爾克、阿迪、耐克，動摩擦力從大到小依次為阿迪、鴻星爾克、耐克。雖無顯著差異，卻據(jù)因此判定鴻星爾克的獨特底紋設(shè)計具備良好的止滑性。

3.1.2 鞋底耐磨性

鴻星爾克網(wǎng)球鞋鞋底磨耗質(zhì)量遠大于其他兩雙網(wǎng)球鞋，原因與特殊底紋增大了與地面的摩擦接觸面以及大底材料選擇有關(guān)。

3.2 肌肉工作狀態(tài)

3.2.1 下肢肌肉總做功

其平均值從小到大依次為阿迪、耐克、鴻星爾克。從肌肉做功指標分析，阿迪能量網(wǎng)球鞋可以更好地減少能耗，可以認為有一定的能量回歸功效，但比較其它兩款運動鞋而言，這種差異并不顯著。

3.2.2 下肢肌肉總做功的相關(guān)系數(shù)及檢驗

阿迪和耐克相關(guān)系數(shù)較高。結(jié)合平均值，說明在肌肉做功上阿迪和耐克相近。因此阿迪達斯和耐克在減少能量消耗的功能上比鴻星爾克稍好，但差異不顯著。

3.2.3 下肢各通道肌肉做功

穿耐克網(wǎng)球鞋時通道1做功差異顯著，其它各通道做功差異不顯著。說明下肢各通道肌肉做功差異不顯著。

4 網(wǎng)球鞋設(shè)計的生物力學建議

4.1 提高鞋與足系統(tǒng)的整合性

鞋足系統(tǒng)的整合性對能量回歸率有很大的影響，在網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計時，結(jié)合鞋楦和鞋底結(jié)構(gòu)設(shè)計，使鞋足系統(tǒng)達到高度整合，提高運動鞋能量回歸率。

4.2 能量存儲釋放周期與步態(tài)的一致性

網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計時，把能量回歸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能量存儲與釋放周期與不同運動項目的步頻和步態(tài)周期相結(jié)合，使得能量回歸與步態(tài)協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)真正意義上的能量回歸。

4.3 減輕運動鞋自身重量

網(wǎng)球鞋能量回歸設(shè)計時，在不改變能量回歸結(jié)構(gòu)性能的前提條件下，盡量使用輕質(zhì)材料，去除多余設(shè)計以減輕運動鞋質(zhì)量。

4.4 鞋底設(shè)計建議（如圖1）

（1）1和5硬度小，耐磨，減震性好。

（2）2彈性好，防滑移性能好。

（3）3翻轉(zhuǎn)控制性能好。

參考文獻

[1]潘慧炬.力學原理與跑鞋創(chuàng)新設(shè)計[J].北京體育大學學報，2001（1）.

[2]單海濤.跑鞋能量特性的理論探討[J].天津體育學院學報，2002（4）.