常見運動鞋特性及運動生物力學(xué)在制鞋的應(yīng)用

尹榮榮，李樹屏

運動鞋的設(shè)計和創(chuàng)新技術(shù)日異月新，而運動鞋的核心就在于運動鞋的功能性特征，在運動鞋的功能性特征上常用運動鞋具有其一般特性和專項特性。制鞋材料、鞋的結(jié)構(gòu)和運動功能問題，都是運動生物力學(xué)的研究的主題和核心，故運動生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域中扮演著舉足輕重的地位。

1 常用運動鞋的一般特性

常見的運動鞋可以分為球類運動鞋和田徑運動鞋兩大類［1］。運動鞋的功能性主要表現(xiàn)在它不僅保護運動員不受損傷，同時還要提高運動員的成績。所以球類運動鞋和田徑運動鞋都體現(xiàn)了運動鞋的一般特性。

1.1 輕量化

運動員在運動的過程中進行各種技術(shù)動作消耗體能，要想獲得好的運動成績同時防止運動損傷，就要求盡量減少自身體重外的負(fù)荷。有研究表明，鞋的重量每增加1%，人體運動的體能消耗將增加3%-10%［2］，故鞋重成了主要的考慮因素，要在確保運動需要的前提下減少鞋的重量，運動鞋是必須要有輕量化的特征。

1.2 透氣、透水性

運動鞋的透氣、透水性是影響舒適性的一個重要因素。研究表明，運動鞋內(nèi)的鞋內(nèi)溫度和濕度越低則舒適性越好［3］。因此，必須要有良好的透氣性和透水的環(huán)境。運動員在激烈運動的過程中，全身都會分泌很多的汗液（即無機鹽），如果運動鞋的透氣透水性較差，長時間會導(dǎo)致鞋內(nèi)溫度升高［4］，腳分泌的汗液滯留在鞋腔內(nèi)過度潮濕，影響鞋內(nèi)的環(huán)境，發(fā)生新的化學(xué)反應(yīng)［5］，運動員感覺不適，出現(xiàn)腳臭，嚴(yán)重時還發(fā)生腳在鞋內(nèi)打滑現(xiàn)象，直接影響到運動員的技術(shù)動作的發(fā)揮從而影響比賽成績，同時鞋內(nèi)打滑也會增加摔跤等現(xiàn)象的發(fā)生造成腳部的損傷。

1.3 彈性

鞋的反彈力是用來幫助運動員更好的將其反彈力轉(zhuǎn)換到運動中提高運動成績。彈性好的運動鞋可以提高能量的回輸，減少著地時的沖擊力，從而加快運動速度和增加跳躍的高度。但因運動的需求不同，其要求彈性的程度也不一樣，例如籃球運動隊鞋的彈性要求就特別高，因為籃球的跳躍動作多，如果鞋的彈性不好，則會影響跳躍的高度以及增加落地時腳部的損傷率。

1.4 減震性

美國材料測試協(xié)會ASTM對運動鞋的減震功能定義為：借助外力作用時間的增長，使沖擊力峰值的能量降低，撞擊過程的持續(xù)時間越長，形變量越大．減震緩沖功能越好［6］。在運動過程中的運動量大而激烈，會和地面產(chǎn)生撞擊。實驗證明，腳后跟和前掌與地面的沖擊力對人的關(guān)節(jié)、軀干和大腦的危害都很大，是造成運動損傷的一部分因素。利用減震的運動鞋可以減輕運動過程中對人體的沖擊程度，起到減震效果，保護足部及身體的健康。

1.5 防滑性

鞋底的防滑性直接影響著鞋的安全性及舒適性。防滑性有靜態(tài)防滑性和動態(tài)防滑性兩種，是通過鞋底紋路設(shè)計的紋峰與地面的接觸產(chǎn)生摩擦達到的，運動時與地面接觸，前后左右各個方向的移動，主要靠的是鞋底的不同紋路以達到防滑的效果，但是在不同的運動鞋其鞋底的設(shè)計紋路是不一樣的。因此根據(jù)不同的場地和項目運動的特點來合理設(shè)計鞋底摩擦性能，提供安全防滑的功能，同時摩擦系數(shù)一定要在適宜的范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)摩擦系數(shù)過大出現(xiàn)運動損傷［7］。

1.6 耐磨性和耐曲撓

在運動過程中，長時間的鞋底和地面的摩擦，會使鞋底花紋的紋峰磨損，摩擦系數(shù)降低，使運動鞋的防滑性減弱，所以，運動鞋的耐磨性是運動鞋防滑性的前提。同時在運動中足部的跖趾關(guān)節(jié)不停的跖屈和背屈，使得運動鞋相應(yīng)的底部件更加的容易達到疲勞極限，進而會在外表層產(chǎn)生細(xì)小裂紋，經(jīng)過多次的彎曲變形又復(fù)位，裂紋也會逐漸的加深，最后導(dǎo)致底部的徹底斷裂，所以耐磨性和耐曲撓在運動鞋的特征上也是非常重要的。

1.7 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性對于運動員來說很重要，有了好的穩(wěn)定性運動技術(shù)才能完美的發(fā)揮出來，同時還不會失衡導(dǎo)致的運動損傷。穩(wěn)定性一般指在運動時由一個由動態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為相對靜態(tài)的過程。由于運動動態(tài)的身體會在力的慣性作用下繼續(xù)向運動方向運動，而身體的重心要停留在著地的腳步位置，兩者相互矛盾，容易導(dǎo)致不穩(wěn)定。穩(wěn)定性跟運動鞋的防滑性和減震性都有密切關(guān)系，減震效果好的運動鞋可以增加其穩(wěn)定性。

2 常用運動鞋的特性

2.1 常用球類運動鞋的特性

足球運動是一項比賽時間長、比賽場地范圍大、對抗非常激烈的活動，特別是在腳的對抗和靈活上。腳是和足球不發(fā)生直接接觸的，其主要的動作完成都和足球鞋有非常密切的關(guān)系，最重要的表現(xiàn)就在于抓地牢，又因為場地的原因，故足球鞋鞋底一般都有鞋釘，在抗前后滑移和左右側(cè)滑的性能上，鞋頭一般是低而平的，為了更加好的控球鞋面一般是背平的，運動中急停扭轉(zhuǎn)變向的動作多，鞋的耐磨性和抗曲撓能力要很強［9］，為滿足射門的需要，鞋頭以偏圓形，鞋前幫多為較厚彈性好的材料［2］。為滿足運動中跑、騰空、側(cè)滑移等組合動作，要求后鞋幫有一定的剛性和彈性以保證不會有太大的形變和翻轉(zhuǎn)。

籃球運動中要求運動員腳下要有靈活而快速的移動動作，如啟動、急停、側(cè)身跑、滑步、側(cè)身滑步、變速跑、變向跑、轉(zhuǎn)身、后撤步、攻擊步、起跳等。運動鞋要有良好的高幫三維扭距系統(tǒng)［13-15］，防止腳各部位扭曲受傷是籃球鞋和其他運動鞋最不相同的地方，優(yōu)良的減震和彈性是籃球鞋最重要的部分。所以籃球運動鞋必須具備很好的彈性，有利于運動員更好地發(fā)揮，而落地的一瞬間，鞋底的前尖部位要承受很大的沖擊，因而要求鞋底具有很好的緩沖和減震作用，否則運動員的腳很容易受傷。在緩沖減震、彈性和踝關(guān)節(jié)的保護上籃球鞋最好。

排球運動中運動員的運動方向是不確定的，但是當(dāng)進攻時主要還是球網(wǎng)的方向，所以在排球鞋的鞋底花紋設(shè)計上是按照符合排球需要的設(shè)計，方向是每個方向都要考慮到的，在蘇聯(lián)的瓦西里耶夫等關(guān)于 《專業(yè)運動鞋的制造工藝和發(fā)展前景》中對指出排球運動員在助跑起跳的瞬間雙足之間的角度為30°，所以在鞋前掌的花紋應(yīng)該在與矢狀面逆時針偏離15°的位置設(shè)置，足后跟設(shè)置在順時針偏離15°的位置，以增加起跳時的地面摩擦力［6］。排球鞋幾乎都是比較輕薄、簡便的設(shè)計。鞋幫為低幫，便于踝關(guān)節(jié)的運動，運動員都會以其他的方式保護關(guān)節(jié)，比如護踝和護膝的使用。在緩沖減震、彈性和踝關(guān)節(jié)的保護上，排球鞋不及籃球鞋。

羽毛球鞋和網(wǎng)球鞋相似的特性，主要表現(xiàn)在鞋底部件的設(shè)計上。運動步法的靈活性需要后底有優(yōu)異的防滑、減震和翻轉(zhuǎn)控制功能，鞋幫以矮幫為主，使得腳踝不受束縛。運動步伐一般為并步和交叉步，要求前掌部位花紋在左右和前后方向有較強的抗滑移能力，較多的迅速止滑運動要求大底要有優(yōu)異的耐磨性。在上網(wǎng)和后退擊球時，移動腳步，要求鞋底前掌外側(cè)和后跟部位耐磨和止滑性好。在跨步接殺球及上網(wǎng)時，鞋前掌部位用力較大，該部位的耐磨性和彈性要求較高［10-11］。在身擊球時，要求鞋具有良好的翻轉(zhuǎn)控制功能［12］。在上網(wǎng)步法中，上網(wǎng)速度較快，這種慣性的停止要有一個減速運動過程，著地時要有一定的緩沖，要求大底和中底的減震性能好。發(fā)球后和接發(fā)球的站位要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。綜上所述是鞋底前尖和后跟部的硬度要稍小、耐磨、有彈性、減震性好，鞋前掌部位耐磨性、彈性和防滑移性能好，前掌外側(cè)的耐磨性能好，翻轉(zhuǎn)控制功能。

2.2 常用田徑運動鞋的特性

短跑，運動強度大，運動時間短。一般為田徑比賽場地，路況都比較平坦。主要是前腳掌受力，跖趾關(guān)節(jié)抓地，鞋和腳之間的要求特別高，因此楦頭的前尖放余量需要較小，幫面的腰窩收緊，前掌部位，需安裝鞋釘。有研究表明對短跑鞋鞋釘分布的合理性進行生物力學(xué)分析與評價，8釘鞋三排最符合足底受力分布實際情況，其次是三排7釘鞋，最差的為兩排7釘鞋［16］。其跑鞋的前掌的減震功效要求好以避免鞋釘對腳部的沖擊。

長跑時腳底下一般是較堅硬的地面，道路一般較曲折，不是橡膠塑料場地，具有上下坡等障礙。長跑鞋的要求大底的厚度一般后跟大于前掌，因為跑步運動時要求運動員積極向前，后跟厚度大于前掌，利用后跟高造成的坡度，使運動員的自身重心自然前傾［17］，以提高運動速度與運動成績。鞋子重量要輕，幫面和大底彎折效果要好，同時鞋子還需具有一定的減震和耐磨性能。同時鞋底的彎折方向是前后方向。慢跑鞋鞋頭最大的特點是鞋頭設(shè)計成有點上翹，因為人腳在自然提起時腳趾和腳板會形成一定的角度，鞋底的橡膠上翻到鞋頭上，是為方便腳趾用上力增加跑動時的摩擦力。在足部與地面接觸時，地面對腳的支撐反作用力會傳送至全身：走路時最高可達1.5倍的體重，跑步時約為3-3.5倍的體重［18］。

2.3 球類運動鞋與田徑運動鞋的特性

球類運動中步伐變化多樣，身體的動作是極其復(fù)雜的，腳部動作基本可分為走、跑、跳、旋轉(zhuǎn)4種，但在這最基本的4種腳部動作里又有好多的變化和衍生的技術(shù)動作的相互融合及相互轉(zhuǎn)換，而在田徑運動中主要是比較單一和重復(fù)的，故球類運動鞋在防滑性、耐磨性和耐曲撓以及穩(wěn)定性比田徑運動鞋的要求要高一些［6，13-14］。田徑運動鞋在輕量性的特征上要比球類運動鞋的要求更高，其影響成績的比重因素也是如此。在鞋腰窩曲線設(shè)計上，田徑鞋的設(shè)計和腳更加一致、收得更加緊湊。球類運動鞋的鞋底紋路一般是各個方向不確定的，彎折方向也是各個方向，便于動作的改變與轉(zhuǎn)換；但是田徑運動鞋的彎折方向主要是前后兩個方向，這樣就更便于跑步動作，同時也可以防止左右方向的踝關(guān)節(jié)扭傷。

3 運動生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域中的運用

運動生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域上的應(yīng)用主要是在運動功能性測試的研究上開發(fā)出來的［4］，運動鞋不同于普通的日常生活休閑鞋。除具有在運動過程中符合各項運動動作活動的需要穩(wěn)定足部．避免損傷的功能，還有降低運動員能量消耗、便于發(fā)揮運動動作提高運動成績的功能。由于足部的結(jié)構(gòu)和運動特性都是固定不能改變的，但是為滿足以上兩點需求，只能依據(jù)運動生物力學(xué)原理對鞋的構(gòu)造設(shè)計和特性加以改變與優(yōu)化，以滿足運動的需要。故運動生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域越來越得到廣泛的重視與運用；在運動鞋的設(shè)計和技術(shù)的創(chuàng)新上都必須符合運動生物力學(xué)的原理，制鞋材料、鞋的結(jié)構(gòu)和運動功能問題，都是運動生物力學(xué)的研究的主題和核心，在運動鞋功能研發(fā)與制作過程中扮演著舉足輕重的作用。李建設(shè)等對國內(nèi)外的運動鞋的核心技術(shù)的應(yīng)用上，從運動鞋的結(jié)構(gòu)與材料上進行了原理上的研究，揭示了各類運動鞋的創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計上基本的原理是差不多的，關(guān)鍵技術(shù)就在于鞋底的科技，主要就是減震緩震、能量回歸、模擬裸足和足跟的控制［19］。專項運動鞋的要求主要表現(xiàn)在兩個方面：1）動能的轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)移、變向和動作慣性作用對腳、踝關(guān)節(jié)、運動姿勢和技術(shù)動作的影響；2）其他的一些特性因素，如舒適度、安全保護、減震與沖擊力、透氣、防滑、耐磨、衛(wèi)生等其他要求［20］。其實不同類型的運動鞋最主要的不同就在于表現(xiàn)在運動力學(xué)上的方向和作用點的著地點以及踵心的角度的方向性。下面從運動生物力學(xué)理論和制鞋材料力學(xué)特性兩個方面來闡述運動生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.1 運動生物力學(xué)理論在制鞋領(lǐng)域的應(yīng)用

重心在運動過程中的決定了其動作的穩(wěn)定性；鞋底的支撐面的大小決定了其靜態(tài)和動態(tài)的穩(wěn)定性，鞋底是一個彈性剛體，受力后會發(fā)生變形，當(dāng)力的大小在鞋底的彈性形變和恢復(fù)形變的范圍內(nèi)就比較穩(wěn)定，包括正向的穩(wěn)定性能和側(cè)向的穩(wěn)定性能。正向的穩(wěn)定性能是指鞋在垂直于鞋內(nèi)底并指向其內(nèi)部的穩(wěn)定性能；側(cè)向的穩(wěn)定性是指鞋底尤其是鞋跟部位在受到側(cè)面剪切力時側(cè)向不滑移、不變形。下肢骨大多都是屬于負(fù)重的長骨，在反復(fù)的應(yīng)力作用下，容易發(fā)生應(yīng)力性骨折，長期穿用前撓、后跟地面不合適的鞋，很容易使骨骼和關(guān)節(jié)的應(yīng)力集中，如人在行走或是運動時，足尖著地，足弓是彎曲的，足底受到了牽拉的張應(yīng)力，足背受到了壓應(yīng)力，引起應(yīng)力性的骨折，這一點在鞋楦的設(shè)計上是很重要的。運動鞋的能量回歸性是通過落地緩沖階段鞋底產(chǎn)生的形變以儲存能量，離地蹬伸時將吸收的能量回輸?shù)侥_部以增加跳躍的高度或者是加快速度，判斷運動鞋的能量回歸性能可以通過測量離地前的瞬間鞋內(nèi)施加在腳底的作用力F2，作用力F2與瞬間著地時鞋底受到的沖擊力F1的比值越小，則說明其運動鞋的能量回歸性能越好。足底壓力測量技術(shù)是揭示人體的足底壓力分布特征的方法之一，通過足底壓力的分析可以判斷在運動鞋的功能性的強弱，從而應(yīng)用在運動功能鞋的設(shè)計、功能開發(fā)和檢測3個方面中［21］，以滿足不同類型運動鞋的功能性需求。

3.2 材料生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域的應(yīng)用

運動鞋的核心技術(shù)主要體現(xiàn)在材料和結(jié)構(gòu)方面，材料決定了性能，結(jié)構(gòu)決定了功能［22］。在運動時，支撐反作用力在垂直方向的分力是用來克服身體重量用以進入騰空階段的力，鞋底的材料設(shè)計和鞋底的花紋設(shè)計決定運動力學(xué)傳播路徑的支撐點的反作用力，支撐反作用的前后方向是運動的動力，鞋的前部包括長度、寬度、高度等都應(yīng)該有一定的活動量，支撐反作用力的左右方向是運動方向的改變，鞋內(nèi)底采用一定硬度的墊心托住腳心，這樣使重心通過腳心而分散到腳的其他部位，腳的各個部位受力比較均勻，腳不易產(chǎn)生疲勞。運動鞋的能量歸性能要求運動鞋底的材料有一定剛度和彈性，NIKE是通過后掌的彈性懸空氣囊，可使人體的下肢肌群作退讓性工作適度減小，以利于后蹬階段肌群的克制性工作，而對于衛(wèi)生性來說，彈性好的鞋內(nèi)材料可以更好的吸收汗液，同時減少汗液的分泌，具有一定的吸附功能。運動鞋的材料減震緩震主要是鞋的中底材料具有特殊的減震性能的材料，國際一線品牌運動鞋普遍采用的是加熱壓縮的EVA（乙烯樹脂醋酸纖維）發(fā)泡橡膠混合物質(zhì)，采用一層比較軟的具有減震功能夾在外底和鞋面的材料（高密度PU（聚氨基甲酸乙脂）材料也常被用在后掌的中底夾層），Nike的籃球鞋就是將PU制成圓柱形特殊單元，并置于后掌中底，與鞋中底后踵高度成一定的比例，在鞋的內(nèi)側(cè)使用較硬的材料，防止過度的內(nèi)轉(zhuǎn)增加其穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

常用運動鞋的一般特性主要有輕量化、透氣透水性、彈性、減震性、防滑性、耐磨性和耐曲撓、穩(wěn)定性的特征。對于球類運動鞋和田徑運動鞋也有其特性，同時不同的球類運動鞋和不同的田徑運動鞋也是根據(jù)其不同運動的技術(shù)特點表現(xiàn)出運動鞋的性能特性。運動生物力學(xué)的理論和技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制鞋領(lǐng)域，有些技術(shù)被認(rèn)為是商業(yè)機密封存在實驗室，但是運動生物力學(xué)的研究前景廣闊，成為國內(nèi)外的運動生物力學(xué)的研究熱點問題，現(xiàn)在仍然還有很多的問題待解決。

［1］潘美麗，李和平.淺析專業(yè)運動鞋的設(shè)計要點［J］.皮革科學(xué)與工程，2013（4）.

［2］杜少勛，周 越.足球鞋的設(shè)計理念-足球鞋特點分析［J］.技術(shù)，2004（6）.

［3］劉靜民，劉 卉，曲 毅.運動鞋溫、濕度舒適性研究［J］.體育科學(xué)，2012（6）.

［4］張遠才.生物力學(xué)在運動鞋設(shè)計及性能評價中的應(yīng)用［J］.中國皮革，2012（4）.

［5］林述琦，吳華宇，林娟.基于運動生物力學(xué)的優(yōu)化運動鞋功能設(shè)計［J］.美術(shù)大觀，2013（6）.

［6］黃志濤.論運動生物力學(xué)在排球鞋設(shè)計中的應(yīng)用［J］.理論探新科技文匯，2009（11）.

［7］汪敏加.運動鞋摩擦特性的生物力學(xué)分析［J］.成都體育學(xué)院學(xué)報，2014（4）.

［8］Ewald M.Hennig.Plantar pressure measurements for the evaluation of shoe comfort，overuse injuries and performance in soccer ［J］.Footwear Science，2014（2）.

［9］Sam Fraser.A Study of Football Footwear Bending Stiffness ［J］.Procedia Engineering，2014.

［10］杜少勛，湯運啟.羽毛球鞋結(jié)構(gòu)與性能分析［J］.Technology技術(shù)，2004:122-124

［11］Sang-Kyoon Park，Wing-Kai Lam.Effect of forefoot bending stiffness of badminton shoe sole on lower leg kinematics during match-like situations［J］.Footwear Science，2013（1）.

［12］Ji-Seon Ryu，Sukhoon Yoon.The relationship between shoe torsion and athletic performance during badminton maneuvers ［J］.Footwear Science，2011（1）.

［13］裘琴兒，陸毅琛，李建設(shè)，等.國內(nèi)外知名籃球鞋力學(xué)性能的實驗研究［J］.北京體育大學(xué)學(xué)報，2010（5）．

［14］崔麗娜.基于運動損傷的籃球鞋的功能性設(shè)計分析［J］.西部皮革，2010（16）.

［15］WingKai Lam，Thorsten Sterzing.Influence of protocol complexity on fit perception of basketball.Footwear ［J］.Footwear Science，2013（3）.

［16］劉靜民，劉 卉.短跑鞋鞋釘受力分布的研究［J］.北京體育大學(xué)學(xué)報，2011（10）.

［17］胡宗祥，陳學(xué)燦.對慢跑鞋力學(xué)舒適性評價的研究［J］.體育科學(xué)研究，2013（6）.

［18］霍洪峰，趙煥彬.運動鞋生物力學(xué)性能評價指標(biāo)體系的構(gòu)建［J］.中國體育科技，2007（5）.

［19］李建設(shè)，顧耀東.運動鞋核心技術(shù)的生物力學(xué)研究［J］.體育科學(xué)，2009（5）.

［20］喬德才，張?zhí)N琨，鄧樹勛.運動人體科學(xué)研究進展與應(yīng)用［M］.人民體育出版社，2008.

［21］弓太生，魏全娥.足底壓力測量技術(shù)在運動功能鞋研究中的應(yīng)用及發(fā)展［J］.皮革科學(xué)與工程，2011（5）.

［22］黃郁林，楊 健.我國運動鞋研究發(fā)展動態(tài)及科研新進展［J］.文體用品與科技，2013（10）.