籃球鞋在縱跳中功效性與舒適性的動(dòng)力學(xué)研究

陸毅琛

(浙江萬(wàn)里學(xué)院文體部，浙江 寧波 315100)

籃球運(yùn)動(dòng)包含了大量的起跳、落地緩沖、急停轉(zhuǎn)向等復(fù)雜而強(qiáng)度極大的下肢技術(shù)，因此一雙設(shè)計(jì)絕佳的籃球鞋能給運(yùn)動(dòng)員帶來(lái)事半功倍的運(yùn)動(dòng)效果和足部保護(hù)。在運(yùn)動(dòng)鞋的研究中，籃球鞋也一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。籃球鞋的功效性和舒適度則是籃球運(yùn)動(dòng)員和研究人員共同關(guān)注的焦點(diǎn)，功效性包括籃球鞋對(duì)足部的保護(hù)性能、承載足部力的傳導(dǎo)的有效性能等方面的內(nèi)容，舒適度則是運(yùn)動(dòng)員穿著籃球鞋在運(yùn)動(dòng)中的主觀感受，當(dāng)然這種主觀感受在足底的動(dòng)力學(xué)參數(shù)上是有據(jù)可循的，本研究通過Novel Pedar－X(Germany)足底壓力測(cè)試系統(tǒng)和Kistler(Switzerland)三維測(cè)力臺(tái)同步測(cè)量籃球運(yùn)動(dòng)員穿著兩款不同鞋底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)籃球鞋縱跳時(shí)足底和鞋底的力學(xué)參數(shù)，對(duì)比研究?jī)蓚€(gè)界面間的力學(xué)參數(shù)特征，評(píng)價(jià)這兩種籃球鞋在縱跳中的功效性與舒適性。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)被試與測(cè)試用鞋

選取男性大學(xué)高水平籃球運(yùn)動(dòng)員10名作為被試者，身體健康，實(shí)驗(yàn)測(cè)試近期無(wú)運(yùn)動(dòng)損傷，無(wú)足疾和運(yùn)動(dòng)性障礙，足部形態(tài)功能正常。所有被試者均實(shí)驗(yàn)前受某CUBA高水平代表隊(duì)籃球主教練的技術(shù)培訓(xùn)，測(cè)試動(dòng)作的穩(wěn)定性較好。正式實(shí)驗(yàn)前，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示測(cè)量數(shù)據(jù)可靠度高。兩款測(cè)試用鞋分別采用氣墊結(jié)構(gòu)籃球鞋和普通籃球鞋。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)要求每名被試者分別穿著氣墊結(jié)構(gòu)籃球鞋和普通籃球鞋進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試采用Novel Pedar－X(Germany)足底壓力測(cè)試系統(tǒng)，采集被試者縱跳時(shí)足底的力學(xué)參數(shù)。測(cè)試同時(shí)又采用Kistler測(cè)力臺(tái)，同步測(cè)量他們鞋底的力學(xué)參數(shù)。

1.2.1 過程設(shè)計(jì)

要求每位被試者分別穿著這兩款籃球鞋各進(jìn)行10次竭力縱跳，每次間隔5min以便讓被試充分休息。為了控制縱跳過程中，每名被試者的擺臂差異給結(jié)果帶來(lái)的影響，實(shí)驗(yàn)要求被試者完成無(wú)擺臂縱跳(即雙手叉腰)，Novel Pedar－X(Germany)系統(tǒng)的壓力鞋墊被平置于鞋內(nèi)，同時(shí)被試者雙腳在Kistler三維測(cè)力臺(tái)上自然開立，聽到實(shí)驗(yàn)員給予的起跳信號(hào)后被試者開始無(wú)擺臂竭力縱跳，雙腳離開測(cè)力臺(tái)后結(jié)束，完成一次測(cè)量。兩套儀器分別記錄被試者穿著每款籃球鞋時(shí)竭力縱跳各十次相關(guān)的足底和鞋底的力學(xué)參數(shù)。

1.2.2 儀器設(shè)備與同步方法

Novel Pedar－X(Germany)系統(tǒng)測(cè)量的是人體足底的力學(xué)參數(shù)。測(cè)量前，壓力鞋墊需要被平鋪在測(cè)試鞋內(nèi)，用Pedar insole Cable數(shù)據(jù)線與信號(hào)放大轉(zhuǎn)換盒(Pedar mobile cable box)連接，并將信號(hào)放大轉(zhuǎn)換盒穩(wěn)固的固定在被試腰間，用Acer Bluetooth連接計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)Pedar－x Expert軟件中采集測(cè)試數(shù)據(jù)。

Kistler系統(tǒng)測(cè)量的是鞋底的力學(xué)參數(shù)。計(jì)算機(jī)連接并控制測(cè)力臺(tái)，分析記錄每次足對(duì)測(cè)力臺(tái)的力學(xué)參數(shù)，并通過軟件BioWare Version轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本研究采用的是兩套非同種測(cè)量?jī)x器的同步測(cè)量，由于Novel Pedar－x足底壓力測(cè)試系統(tǒng)和Kistler測(cè)力臺(tái)各自自帶的操作軟件(Pedar－x Expert和BioWare Version)中點(diǎn)觸按鈕系統(tǒng)啟動(dòng)到系統(tǒng)開始穩(wěn)定記錄數(shù)據(jù)之間分別存在不一致的時(shí)間差。另外，可用于這兩套系統(tǒng)同步測(cè)量的同步裝置尚未研發(fā)，沒有現(xiàn)成可用。因此無(wú)法采用“直接同步”的同步測(cè)量法。

由于以上原因，測(cè)試中只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)作設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在采集的數(shù)據(jù)中采用“測(cè)試數(shù)據(jù)同步法”，即首先將兩系統(tǒng)依次啟動(dòng)，等待其穩(wěn)定記錄數(shù)據(jù)后，給予信號(hào)讓被試完成無(wú)擺臂縱跳，縱跳結(jié)束后依次關(guān)閉兩套系統(tǒng)(無(wú)須同時(shí))。根據(jù)力學(xué)理論—力的作用是相互的，只有被測(cè)的兩個(gè)界面間有了接觸(力的相互作用)后，才能記錄力值參數(shù)，當(dāng)被試下肢末端縱跳后離開地面時(shí)，足底和鞋底這兩個(gè)界面不再發(fā)生力的相互作用時(shí)，則兩套系統(tǒng)一定是同步記錄的壓力值為零(PS:實(shí)驗(yàn)前需要將Novel Pedar－x足底壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行“零標(biāo)定”，即每位被試者穿好鞋和壓力鞋墊后的雙足在騰空時(shí)，壓力鞋墊在足底界面輕微接觸而產(chǎn)生的微弱壓力值標(biāo)定為零)。本研究采用的“測(cè)試數(shù)據(jù)同步法”就是以兩套系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)中的這一臨界點(diǎn)為同步標(biāo)志，時(shí)間坐標(biāo)軸逆向同步的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩款籃球鞋舒適性的比較研究

足底壓強(qiáng)是籃球鞋穿著者感受保護(hù)性能和舒適度的重要指標(biāo)。同時(shí)，壓強(qiáng)與受力面積成反比，受力面積越大，則壓強(qiáng)越小，對(duì)足底局部的沖擊就越小，帶給穿鞋者相對(duì)更好的舒適度感覺。從表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，受試者穿著氣墊結(jié)構(gòu)籃球鞋，足底受力面積平均值較大，峰值壓強(qiáng)和壓強(qiáng)的平均值均比較低，并且與穿著普通籃球鞋相比，差異顯著。再結(jié)合圖1比較明顯的差異來(lái)看，我們可以推論氣墊結(jié)構(gòu)款的保護(hù)性和舒適度要優(yōu)于普通款。

表1 兩款鞋足底受力面積、壓強(qiáng)

圖1 兩款籃球鞋足底受力面積和壓強(qiáng)

2.2 兩款籃球鞋功效性的比較研究

縱跳高度最終是受人體完成蹬伸后下肢末端(穿鞋者即鞋底)與地面作用力的大小影響。此時(shí)，籃球鞋的功效性差異就是它們將人體足部施加給籃球鞋(即足底)的作用力傳導(dǎo)到鞋底對(duì)地面的作用力的能力差異。

如表2兩款籃球鞋足底與鞋底峰值壓力值差異顯著性t檢驗(yàn)結(jié)果和表3平均壓力值差異顯著性t檢驗(yàn)結(jié)果所示，絕大多數(shù)被試足底的峰值壓力和平均壓力這兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)中，氣墊結(jié)構(gòu)款低于普通款(圖2)，且均差異顯著。同時(shí)兩種籃球鞋在峰值壓力和平均壓力指標(biāo)參數(shù)中的有效降壓值(ΔMean Max Force＆ΔMean Force)也均表現(xiàn)為差異顯著。但是，在鞋底界面上，絕大多數(shù)被試穿著兩款籃球鞋時(shí)最大壓力值和平均壓力值差異均不顯著.

從以上結(jié)果可知，這兩款籃球鞋在功效上是都無(wú)法影響被試下肢末端對(duì)地面的作用力來(lái)提高縱跳高度。但是，它們可以通過各自不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別在一定程度上降低足底峰值壓力，擴(kuò)大受力面積，使得穿著者感覺到不同的舒適感(如圖3)。在此，本實(shí)驗(yàn)研究的氣墊結(jié)構(gòu)籃球鞋要優(yōu)于普通籃球鞋。

圖2 兩款籃球鞋足底峰值壓力

圖3 兩款籃球鞋足底峰值壓力3D

表2 兩款籃球鞋足底與鞋底峰值壓力差異顯著性t檢驗(yàn)相伴概率P值

表3 兩款籃球鞋足底與鞋底平均壓力差異顯著性t檢驗(yàn)相伴概率P值

3 研究結(jié)論

3.1 籃球鞋的功效性和舒適度的力學(xué)參數(shù)特征

運(yùn)動(dòng)鞋是人體在地面運(yùn)動(dòng)時(shí)，位于足部與地面之間的介質(zhì)。足底是足與鞋作用的界面，而鞋底則是鞋與地面作用的界面。不同鞋底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)籃球鞋功效性和舒適度的力學(xué)研究，最重要和最基礎(chǔ)的就是足底和鞋底這兩個(gè)界面上的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的比較研究。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:受試者穿著氣墊結(jié)構(gòu)籃球鞋，足底受力面積平均值較大，峰值壓強(qiáng)和壓強(qiáng)的平均值均比較低，并且與穿著普通籃球鞋者相比，差異顯著。但是，在鞋底界面上，兩款籃球鞋的平均壓力和峰值壓力都無(wú)顯著性差異。足底和鞋底兩界面上的峰值壓力和平均壓力的差值(ΔFmax＆ΔFmean)，氣墊結(jié)構(gòu)款高于普通款，且差異顯著。

由此，可以推論，被試者穿著這兩款籃球鞋在無(wú)擺臂縱跳中，最后對(duì)地面施加的作用力大小沒有差異，表明兩款籃球鞋的功效性(即對(duì)縱跳成績(jī)的影響)上沒有差異。只有提高鞋底與地面的作用力與反作用力，人體才能跳得更高，因此，無(wú)論這兩款籃球鞋的鞋底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何，都是無(wú)法讓人跳得更高。但是，兩款籃球鞋還是存在一定的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氣墊結(jié)構(gòu)籃球鞋的保護(hù)性和舒適度確實(shí)要優(yōu)于普通款。也就是說(shuō)氣墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以通過自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)有效降低足底壓力，保護(hù)足部，提高舒適度。

3.2 關(guān)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和儀器設(shè)備

多機(jī)同步測(cè)量是本實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性直接與測(cè)量?jī)x器的先進(jìn)性、精確度以及同步方法等因素密切相關(guān)。多機(jī)同步測(cè)量，如果多種設(shè)備的測(cè)量頻率高低不同，實(shí)驗(yàn)員則必須降低所有高頻率測(cè)量?jī)x器的采樣頻率，使得所有設(shè)備的采樣頻率與最低采樣頻率設(shè)備的水平一致。由此一來(lái)，多機(jī)同步測(cè)量，各種設(shè)備測(cè)量頻率水平的先進(jìn)性勢(shì)必影響到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的客觀性與準(zhǔn)確性。例如，本研究采用數(shù)據(jù)在時(shí)間軸逆向同步的方法，因此，準(zhǔn)確找到兩套設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)同步點(diǎn)是關(guān)鍵，由于Kistler測(cè)力臺(tái)的測(cè)量頻率最高可達(dá)1000Hz(采樣周期為0.001s)，但是Novel Pedar－x足底壓力測(cè)量系統(tǒng)的最高測(cè)量頻率僅50Hz(采樣周期為0.02)，因此兩機(jī)同步時(shí)，需要將Kistler測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)的測(cè)量頻率降低至50Hz。因此，50Hz的測(cè)量頻率完全不能達(dá)到足底和鞋底分別達(dá)到峰值壓力時(shí)的時(shí)間先后差異等深入研究的要求，足底和鞋底分別達(dá)到峰值壓力的時(shí)間先后差異是在瞬間的鞋底結(jié)構(gòu)緩沖和力傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生，這是研究籃球鞋功效中的敏捷性與有效性的重要指標(biāo)。所以，此類問題的研究必須等測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)步更新后再深入進(jìn)行。

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