足球鞋核心技術(shù)的生物力學(xué)研究進展

孫　冬，顧耀東， 李建設(shè)

(1.寧波大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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足球鞋核心技術(shù)的生物力學(xué)研究進展

孫冬1，顧耀東1， 李建設(shè)2

(1.寧波大學(xué) 體育學(xué)院，浙江 寧波 315211；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：20世紀70年代以來，隨著運動鞋研究的不斷深入，足球鞋作為一種功能性特征運動鞋的研究也不斷增多。足球鞋科技的進步與生物力學(xué)相關(guān)研究緊密聯(lián)系，文章總結(jié)了大量國內(nèi)外對足球鞋研究的相關(guān)文獻，從生物力學(xué)研究角度分析足球鞋與足、球、草坪之間的相互作用，并著重探討了足球鞋生物力學(xué)設(shè)計對運動表現(xiàn)和運動損傷的影響，一方面為足球鞋更加合理的生物力學(xué)設(shè)計提供參考，另一方面也為人們根據(jù)自身特點合理選擇功能性足球鞋提供建議和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：足球鞋； 核心技術(shù)；生物力學(xué)

0前言

20世紀70年代以來，隨著運動鞋研究的積極展開以及足球運動的廣泛開展，足球鞋也逐漸得到關(guān)注與研究。在所有足球有關(guān)的運動裝備中，足球鞋作為一種功能性鞋具與足球運動的關(guān)系最為密切和直接。足球鞋的鞋面是主要與足球接觸的部分包括鞋頭、鞋舌、鞋帶、鞋身；鞋底是直接與場地接觸的部分包括中底、外底、鞋釘。鞋釘一般按形狀劃分為常見的圓釘和刀狀鞋釘[1]；隨著足球運動的廣泛開展，足球鞋的分類也越來越細，根據(jù)不同鞋底設(shè)計將足球鞋劃分為以下幾種類型：適合表面松軟自然草地的SG(Soft Ground)系列、適合表面較硬自然草地的FG(Firm Ground)系列、適合較軟的泥地、沙地和草莖短的人造草地等硬場地的HG(Hard Ground)系列、適合人造草地的AG(Artificial Ground)和TF(Turf)系列及適合室內(nèi)足球的IN(Indoor)系列等[2]，這幾種類型足球鞋的差異體現(xiàn)在不同構(gòu)造、形狀、數(shù)量、長度的鞋釘設(shè)計上，如SG系列足球鞋一般是6到8個金屬長圓釘、FG和HG系列足球鞋一般是采用合成樹脂或橡膠材質(zhì)制造的鞋釘，鞋釘較短、TF系列足球鞋已經(jīng)不具備鞋釘，而是與鞋底一體化的橡膠顆粒，俗稱“碎釘”、IN系列足球鞋沒有鞋釘，取而代之的是橡膠或牛筋鞋底[3]。本文的目的是總結(jié)足球鞋生物力學(xué)設(shè)計對足球運動員的運動表現(xiàn)和非接觸性運動損傷風(fēng)險的影響，為人們根據(jù)場地以及自身特點合理選擇功能性足球鞋提供建議和指導(dǎo)。

1足球鞋設(shè)計對運動表現(xiàn)的影響

足球運動的特點決定了運動員常常需要在短時間內(nèi)完成快速啟動、側(cè)切、急停轉(zhuǎn)身、快速射門和傳接球等技術(shù)動作，足與地面之間的良好緩震、足夠的牽引力和穩(wěn)定性是完成這些技術(shù)動作的前提條件[4,36]，一雙具有良好功能設(shè)計的足球鞋往往能夠為這些技術(shù)動作的出色完成提供保障。

1.1足球鞋鞋底設(shè)計對運動表現(xiàn)的影響

足球鞋鞋底是直接與運動場地接觸的部分，也是足球鞋中最具有科技含量的部分，它需要為運動員在場上的加速、轉(zhuǎn)身、急停等動作提供足夠的抓地力、穩(wěn)定性和摩擦力[5]；鞋底設(shè)計主要包含鞋釘設(shè)計、鞋底軟硬度設(shè)計和減震設(shè)計，不同運動場地對應(yīng)的足球鞋的差別主要體現(xiàn)在鞋釘設(shè)計上。Cawley等[6]研究發(fā)現(xiàn)有鞋釘?shù)淖闱蛐c其它運動鞋相比在自然草皮上能產(chǎn)生更大的抓地力；Clarke 和 Carré[7]測量了不同場地條件下不同鞋釘設(shè)計足球鞋的垂直位移、鞋釘抓地力和鞋釘有效滲透面積，總結(jié)出在自然草皮上，抓地力的增大是依靠鞋釘與草皮之間相互滲透的有效橫截面積的增大，而在人工草皮上，鞋釘沒有完全穿透草皮表面，與草皮之間沒有相互滲透壓縮；Clemens Müller等[8]對15名足球運動員在人工草皮上分別穿著兩種不同形狀和三種不同長度鞋釘?shù)淖闱蛐?見圖1)進行障礙跑和直線加速跑，結(jié)果顯示穿著刀狀鞋釘足球鞋成績顯著高于圓釘足球鞋、在一定范圍內(nèi)鞋釘長度越長對應(yīng)的成績越好(見圖2)，通過結(jié)果分析得出刀刃狀鞋釘通過增加與地面的接觸面積從而增大鞋底的抓地力，鞋釘?shù)拈L度應(yīng)介于50%和100%之間，并且隨著鞋釘長度的增加抓地力也隨著增加；McGhie D等[9]安排22名專業(yè)男性穿著三種不同鞋釘設(shè)計的足球鞋在三種不同的人造草皮上進行直線沖刺跑和90°側(cè)切兩個動作，結(jié)果顯示，鞋與地面之間的峰值牽引力、側(cè)切滑動速度有顯著性差異，但牽引系數(shù)并不隨著鞋釘構(gòu)造和草皮狀態(tài)而改變，這可能是因為球員對足與地之間的牽引力有主動的調(diào)節(jié)作用；Sterzing等[10]研究發(fā)現(xiàn)鞋釘數(shù)量和構(gòu)造的不同會對跑動速度有顯著性影響，綜上研究，鞋釘?shù)男螤?、長度、數(shù)量、構(gòu)造直接影響了足球鞋的抓地力和穩(wěn)定性，從而對運動表現(xiàn)造成影響。

圖1　a表示三種不同長度鞋釘?shù)淖闱蛐?/p>

注：NM100代表100%鞋釘長度，依此類推；Elliptic=橢圓形 Bladed=刀刃型

圖2　a和b代表三種不同長度鞋釘?shù)淖闱蛐謩e

注：Slalom=障礙跑；Acceleration=沖刺跑；Elliptic=圓形鞋釘；Bladed=刀狀鞋釘

1.2足球鞋鞋面設(shè)計對運動表現(xiàn)的影響

足球鞋的鞋面是直接與足球接觸的部分，鞋面生物力學(xué)設(shè)計與舒適度、擊球觸感、準確度、球速等密切相關(guān)[11]。Sterzing和Thorsten[12]研究了三種鞋掌圍度的足球鞋分別是較窄圍度、中等圍度、較寬圍度對運動員的舒適度、活動靈敏性和跑步速度的影響，發(fā)現(xiàn)，中等圍度和較寬圍度足球鞋具有較高的舒適度，鞋掌圍度不同對活動靈敏性和跑步速度沒有顯著性影響；Fraser等[13]對三種不同鞋面設(shè)計和材料的足球鞋進行抗彎曲性試驗，發(fā)現(xiàn)鞋面材料和設(shè)計的不同顯著影響了足球鞋整體的抗彎曲剛度，從而影響球鞋舒適度；Hennig等[14]研究發(fā)現(xiàn)，鞋面設(shè)計對擊球準度和球速有顯著性影響；Ishii等[15]運用三維有限元模擬的方法對五名足球運動員穿著不同鞋面設(shè)計的足球鞋擊球時球的出射角度、速度、旋轉(zhuǎn)度、形變程度進行建模分析(見圖3)，得出足球鞋面的彈性模量、摩擦系數(shù)對球的出射角度、速度、旋轉(zhuǎn)度均有一定影響,但不顯著；Sterzing和Hennig[16]研究了四種不同摩擦系數(shù)鞋面的足球鞋鞋面，發(fā)現(xiàn)對同一個人相同動作擊球后球的速度產(chǎn)生顯著影響； Kuo等[17]研究 發(fā)現(xiàn)鞋帶在鞋面上位置的不同對球員擊球準確度有顯著影響；綜上表明，球鞋的鞋掌圍度，鞋面的彈性模量、摩擦系數(shù)、鞋帶位置等因素會對球鞋舒適性和擊球觸感、球速、準確度等產(chǎn)生影響，從而影響運動表現(xiàn)。

圖3　有限元模型

a是運用裸足和鞋型數(shù)據(jù)構(gòu)建出的足-鞋的有限元模型；b是將足球的外殼層和氣囊層分割為一個個小單元構(gòu)建足球的有限元模型

2足球鞋設(shè)計對非接觸性運動損傷的影響

足球非接觸性運動損傷日益增多，致使許多優(yōu)秀的專業(yè)足球運動員和業(yè)余愛好者運動生涯的提前終止。導(dǎo)致非接觸性運動損傷的原因很多，并且主要集中在下肢的膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足部[33]，文章主要從足球鞋的角度出發(fā)討論足球鞋與足球運動中非接觸性運動損傷的影響。

2.1足球鞋設(shè)計對膝關(guān)節(jié)損傷的影響

膝關(guān)節(jié)是人體最大、最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，足球技術(shù)動作中有許多快速啟動、急停轉(zhuǎn)身、側(cè)切啟動、大力射門等快速反應(yīng)動作，這些動作的反復(fù)累積會引起膝關(guān)節(jié)過度旋轉(zhuǎn)、內(nèi)外翻而導(dǎo)致各種急慢性損傷的發(fā)生。膝關(guān)節(jié)損傷大部分集中在十字韌帶損傷、半月板損傷、內(nèi)側(cè)副韌帶損傷等處[34,35]?，F(xiàn)在許多的鞋釘設(shè)計都要求在不同方向的運動上提高抓地力，有學(xué)者[37,38]研究發(fā)現(xiàn)鞋底與地面之間過高的牽引力是導(dǎo)致非接觸性膝關(guān)節(jié)損傷的主要因素；許多學(xué)者[18,20-22]研究發(fā)現(xiàn)較小的膝關(guān)節(jié)屈曲角度、較大的伸膝力矩、外展力矩、扭轉(zhuǎn)力矩和膝關(guān)節(jié)外展角度、較大的垂直和向后地面反作用力可能會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)半月板和前交叉韌帶(ACL)損傷風(fēng)險的增大；Grund等[19]使用一種新型的氣動牽引裝置Trak Tester(見圖4)能夠?qū)崿F(xiàn)對足球鞋與地面相互作用的牽引力進行精確測試，發(fā)現(xiàn)過高的牽引力會增大膝關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)力矩從而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險的增加；Hewett等[23]研究發(fā)現(xiàn)，女性運動員中，膝關(guān)節(jié)外展力矩更大者ACL損傷損傷風(fēng)險也增大，同時，膝關(guān)節(jié)外展力矩比膝關(guān)節(jié)屈曲角度能夠更好地預(yù)測ACL損傷。Smeets等[24]研究表明隨著鞋釘長度的增加，抓地力會顯著增大，而過高的抓地力會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)外展角度和外展力矩增大導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險的增大。Butler等[25]對14名男性專業(yè)足球運動員和14名女性專業(yè)足球運動員分別穿跑鞋、刀狀鞋釘足球鞋、碎釘鞋縱跳落地時的運動學(xué)數(shù)據(jù)進行采集分析后發(fā)現(xiàn)，在三種不同用鞋條件下的膝關(guān)節(jié)屈曲角度具有顯著性差異，并且男性運動員穿著刀狀鞋釘足球鞋落地時膝關(guān)節(jié)背屈角度平均增加1°，女性運動員穿著刀狀鞋釘足球鞋落地時膝關(guān)節(jié)背屈角度平均減少3°，得出落地力學(xué)機制隨著性別、鞋的不同發(fā)生變化；Kaila等[26]對15名業(yè)余足球運動員在標準人工草皮上進行直線加速跑和急停轉(zhuǎn)身的動力學(xué)數(shù)據(jù)進行采集，結(jié)果發(fā)現(xiàn)急停轉(zhuǎn)身動作與直線加速跑動作相比膝關(guān)節(jié)載荷、膝關(guān)節(jié)外翻力矩顯著性增大，這可能會增加ACL損傷的風(fēng)險；綜上研究，足球運動中非接觸性膝關(guān)節(jié)損傷往往是由于不合適的球鞋選擇和不當(dāng)?shù)那蛐O(shè)計，導(dǎo)致運動員在側(cè)切、急停轉(zhuǎn)身等動作中膝關(guān)節(jié)過度外展、外旋從而引起膝關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生。

圖4　能夠精確測量鞋底與草皮之間牽引力大小的

2.2足球鞋設(shè)計對踝關(guān)節(jié)與足部損傷的影響

足球是大運動量項目，世界上優(yōu)秀的足球運動員一場比賽中的運動距離要達到1萬m左右，再加上不斷的奔跑、騰空等動作常常會引發(fā)踝關(guān)節(jié)和足部損傷，足球運動中的踝關(guān)節(jié)損傷多為急性損傷且大多集中于外側(cè)副韌帶[27]，足部損傷主要表現(xiàn)為足底筋膜炎和跟腱炎等慢性損傷。Hennig和Ewald[28]測試了足球運動員在正常跑動、加速沖刺、急停轉(zhuǎn)身等動作的足底壓力分布發(fā)現(xiàn)具有顯著性差異，這可能是導(dǎo)致足底損傷的原因。Bentley等[29]對29名業(yè)余男性足球運動員分別穿圓釘足球鞋和刀狀鞋釘足球鞋進行障礙跑并進行足底壓力測試(圖5)，結(jié)果顯示圓形鞋釘足底壓力分布是趨于正常的，刀狀鞋釘具有偏高的足底壓力被認為是足底筋膜炎的發(fā)病誘因。Eils等[30]使用足底壓力鞋墊對21名專業(yè)足球運動員分別進行正常跑動、側(cè)切、沖刺跑和射門這幾個過程進行足底壓力數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，側(cè)切、沖刺跑的足底壓力值要顯著高于正常跑動時足底壓力值，并且足底壓力值最高的部位集中在足中部和足外側(cè)，這可能會導(dǎo)致足底損傷的發(fā)生。Slim等[31]研究了專業(yè)足球運動員踝關(guān)節(jié)損傷與鞋釘設(shè)計和運動場地的關(guān)系,得出運動員非接觸性踝關(guān)節(jié)損傷是足、鞋、地面相互作用的結(jié)果，足球運動員應(yīng)合理的選擇合適的鞋釘尺寸和鞋底構(gòu)造的足球鞋并應(yīng)根據(jù)場地條件(自然草皮和人工草皮)的不同來選擇合適的足球鞋，對于有踝關(guān)節(jié)損傷史的運動員可以考慮在鞋內(nèi)加內(nèi)墊或矯形器以防止損傷的進一步加重。Smith等[32]對6名男性專業(yè)足球運動員分別穿SG(自然軟草場)釘鞋和普通訓(xùn)練鞋在自然草坪上直線跑并采集動力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示，穿SG釘鞋的地面反作用力和作用力的加載率均顯著高于普通訓(xùn)練鞋，這可能是導(dǎo)致足球運動員足部損傷的因素。以上研究表明，足球鞋設(shè)計尤其是鞋底構(gòu)造與運動員踝關(guān)節(jié)和足底損傷密切相關(guān)，不當(dāng)?shù)男自O(shè)計常常會導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)過度內(nèi)外翻或足底壓力的顯著增大，易引起踝關(guān)節(jié)和足部損傷的發(fā)生。

圖5　a是圓釘足球鞋和刀狀鞋釘足球鞋；

3總結(jié)

回顧國內(nèi)外關(guān)于足球鞋生物力學(xué)方面的研究成果可見，足球鞋作為適合足球運動的一種功能性鞋，無論對于專業(yè)足球運動員還是業(yè)余愛好者來說都具備非常好的幫助，它的設(shè)計要素主要體現(xiàn)在既能滿足在訓(xùn)練和比賽的運動表現(xiàn)提高，又能減少非接觸性運動損傷的發(fā)生。運動表現(xiàn)的提升一方面需要足球鞋鞋底提供良好的穩(wěn)定性、抓地力和緩震性能，另一方面需要鞋面提供良好的舒適度和合適的彈性模量、摩擦系數(shù)等。然而，過度重視足球鞋運動表現(xiàn)方面的研發(fā)(例如為降低鞋身重量的超輕足球鞋，為提高鞋與地面之間抓地力而增加鞋釘長度)，超輕足球鞋可能會降低球鞋的緩震性能降低對足的保護作用，過高的抓地力可能會導(dǎo)致急停轉(zhuǎn)身、側(cè)切等動作中膝關(guān)節(jié)伸膝力矩、外展力矩增大從而對運動員膝關(guān)節(jié)造成損傷。因此，足球鞋的設(shè)計應(yīng)在保持運動員運動表現(xiàn)不出現(xiàn)下降的同時，更需關(guān)注球鞋設(shè)計對運動員下肢的保護以減少運動損傷的發(fā)生。

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·體質(zhì)研究·

Biomechanical Research of Progress on Soccer Boots’ Core Technology

SUN Dong1，GU Yao-dong1，LI Jian-she2

(1. Faculty of Sports Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China;

2. Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Since 1970s, with the development of sport shoes science, researches on soccer boots have increased rapidly. The progress of soccer boot’ technology highly related to biomechanical research. This paper summarizes a large number of relevant studies on soccer boots to analysis the interaction between boots, foot, ball, and surface, focusing on the effect of soccer boots on sports performance and sports injuries from a biomechanical perspective. The purpose of this study is to provide references for more reasonable soccer boots design, and it also offers advices or guidance for people to choose functional soccer boots according to individual characteristics.

Key words:soccer boots; core technology; biomechanics

文章編號：1004-3624(2015)04-0114-04

作者簡介：梁成軍(1970-)，男，講師，博士，主要研究方向：體育工程.

收稿日期：2015-05-25

中圖分類號:G804.66

文獻標識碼：A