不同場地對足球運動員側(cè)切動作足底動力學的影響

何志強，鄭曉兵，劉海斌，元文學，叢陪信

（1.大連理工大學體育教學部，大連 遼寧 116024；2.大連理工大學材料科學與工程學院，大連 遼寧 116024)

運動人體科學

不同場地對足球運動員側(cè)切動作足底動力學的影響

何志強1，鄭曉兵2，劉海斌1，元文學1，叢陪信1

（1.大連理工大學體育教學部，大連 遼寧 116024；2.大連理工大學材料科學與工程學院，大連 遼寧 116024)

足球是世界上最流行、參與人數(shù)最多的運動項目，素有“世界第一運動”的美譽，足球運動在給人們帶來激情的同時，也給眾多參與者帶來了痛苦的損傷，造成運動損傷的各種因素中，場地因素是最主要的原因之一。為了解不同足球場地（天然草、人造草、木地板、橡膠場）對運動員足底動力學的影響，本研究選取8名男性大學高水平足球運動員作為實驗對象，應用三維測力平臺，通過測力平臺實時記錄的力值數(shù)據(jù)進行繪圖分析，研究不同場地（天然草、人造草、木地板、橡膠場）對實驗對象變向側(cè)切動作的足底摩擦力和扭矩的影響。結(jié)果表明：天然草場地摩擦力和扭矩特性最佳，人造草次之，木地板和橡膠場地性能較差，不適宜用作足球運動場地，但天然草場地的維護使用費用昂貴，因此人造草場地是目前較為理想的高校足球運動場地。

足球運動 ；關(guān)節(jié)損傷 ；不同場地 ；摩擦力 ；旋轉(zhuǎn)扭矩

足球是世界上最流行、參與人數(shù)最多的運動項目，素有“世界第一運動”的美譽。高速的奔跑、頻繁的身體碰撞以及復雜的技術(shù)動作，在給人們帶來激情的同時也對身體各部位造成很大的損傷隱患[1]。因此為探究足球運動損傷的具體情況，國內(nèi)外的相關(guān)研究學者做了大量的研究[2-6]。

研究表明[7]：足球運動損傷大多發(fā)生在下肢，其中踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)因其特殊結(jié)構(gòu)以及復雜的受力狀況致使損傷最為常見。在造成損傷的各種因素中，足球場地質(zhì)量不佳是最主要的原因[8]。因此，研究不同場地對運動員足底動力學的影響對減少和防范足球運動中的損傷具有重要指導意義。

目前國內(nèi)外常見的足球場地分為天然草、人造草、橡膠和木地板4種。不同場地會對足球運動員足底產(chǎn)生不同的摩擦力。做旋轉(zhuǎn)動作時，足底與運動場地間物理分布產(chǎn)生的摩擦力相互作用會產(chǎn)生足底扭矩，這種足底扭矩是影響下肢關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)扭矩的主要因素[9-11]。旋轉(zhuǎn)扭矩是已知的造成競技體育中受傷較多的高風險因素之一[11]。即使經(jīng)驗豐富的球員對不同場地關(guān)于足底扭矩大小也是所知甚少。

由此可見，足底運動和地面之間的高旋轉(zhuǎn)扭矩與下肢和膝關(guān)節(jié)的扭損傷是緊密、復雜關(guān)聯(lián)的[11]。然而，針對不同場地對足球運動員足底動力學影響方面的研究卻并未見詳細的報道。

因此，本研究選取8名大學高水平男性足球運動員作為實驗對象，應用三維測力平臺，研究不同場地（天然草、人造草、木地板、橡膠場）對實驗對象變向側(cè)切動作的足底摩擦力和扭矩的影響。

本研究不僅揭示了不同足球場地對運動員足底動力學的影響，還為足球賽事如何選擇合理的足球場地提供了有效的動力學信息，同時也為進一步研究不同場地對足球運動員下肢關(guān)節(jié)損傷的力學機制提供了一定的方法學基礎(chǔ)。充足的理論依據(jù)。

1.2.2 實驗法

1.2.2.1 實驗對象 實驗對象選取大學高水平男子足球隊隊員8人（平均身高176.84cm，平均體重68.66kg），都不存在神經(jīng)和運動系統(tǒng)疾病。

1.2.2.2 實驗設(shè)備 采用自主研發(fā)的三維測力平臺DLUT4060-2系統(tǒng)[12-14]對不同場地情況下，足球技術(shù)動作進行力學分析。該系統(tǒng)由測力平臺由（DLUT4060，臺面面積400*600，采樣頻率800Hz，觸發(fā)門限10N）電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析軟件構(gòu)成。三維測力平臺在使用前需要進行標定。圖1為測力平臺、鋼板和地面材質(zhì)的組裝圖。鋼板與測力平臺通過6個螺絲釘固定在一起，鋼板有凹槽，在凹槽上放入實驗用不同地面材質(zhì)。圖2為改造后的跑道裝備圖。

圖1 測力平臺、鋼板和地面材質(zhì)的組裝

圖2 改造后的跑道裝備

1.2.2.3 場地標準 橡膠地面、人工草地、地板地面、天然草地這4種地面在足球比賽中都會經(jīng)常用到。天然草地在職業(yè)足球比賽中主要使用，人工草地在非職業(yè)運動員比賽或者學生比賽中最為常見，地板地面和橡膠地面更多的是應用于五人制足球比賽以及一些業(yè)余的足球運動會中（圖3）。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象以不同場地對足球運動員側(cè)切動作足底動力學的影響為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法 通過查閱近20篇中外文獻，了解前人在足球運動與場地對運動員身體損傷情況方面的研究成果，并分析、討論了摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩對不同部位的損傷影響情況，對本研究課題的開展以及后續(xù)實驗提供了

1）橡膠地面：橡膠地面采用橡膠顆粒與粘合劑及無毒、無污染顏料經(jīng)模壓熱固成型的田徑場地專用橡膠地面。

2）人造草地：根據(jù)足球運動的特點和國際足聯(lián)（FIFA）的技術(shù)標準要求，草高55～64mm，在外觀上幾乎與天然草相差無幾，色澤鮮亮。

3）地板地面：地板是一種具有優(yōu)良的承載性能、高吸震性能、高抗變形性能的專用運動木質(zhì)地板。

4）天然草地：選取比賽用天然草坪的一部分作為實驗用草，草的高度一般在3～5cm。

本實驗用到的4種場地材質(zhì)見圖3。

1.2.2.4 實驗過程 實驗前，對所有實驗對象進行實驗目的和內(nèi)容的相關(guān)培訓，尤其是對實驗對象進行足球側(cè)切技術(shù)動作培訓，并且所有實驗對象簽訂自愿參加、無報酬協(xié)議書。

實驗過程中，要求所有實驗對象穿著耐克傳奇（Nike TIEMPO RIO II 5）碎釘足球鞋和專業(yè)足球訓練服。

實驗地點：大連理工大學體育教學部實驗室，實驗時間為2016年5月。

以足球運動中最易造成踝關(guān)節(jié)損傷的斜線變向跑技術(shù)動作為研究內(nèi)容。

斜線變向跑（此動作在足球比賽中進攻隊員會經(jīng)常用到，因為進攻隊員會在高速當中使用一些假動作來擺脫防守隊員，所以進攻隊員會在比賽中不斷使用此動作，然而這一動作也會對足球運動員的踝關(guān)節(jié)造成一定的傷害）：運動員沿直線向前跑，前方的足底突然發(fā)生向外扭轉(zhuǎn)，使得前進方向由向前改為向兩側(cè)偏移稱為斜線變向跑。

為了減小人為因素引入的誤差，要求每人每個動作重復測試20次，每次測試前讓實驗對象充分休息，以確保實驗對象每次動作正確規(guī)范，符合真實比賽時的狀態(tài)。圖4為本實驗運用的斜線變向跑的路線圖。

1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計法 運動員足底與不同場地接觸時的X、Y方向的摩擦力以及旋轉(zhuǎn)扭矩將由三維測力平臺實時監(jiān)測記錄，將得到的數(shù)據(jù)導入SigmaPlot數(shù)據(jù)處理軟件，進行繪圖比較分析。

圖5 4種場地足底x方向摩擦力變化曲線

圖6 4種場地足底y方向摩擦力變化曲線

2 結(jié) 果

2.1 X方向摩擦力由橫切動作要領(lǐng)可知，足底X方向摩擦力的變化應存在制動過程和提供橫向變向動力2個階段。摩擦力的變化趨勢為先減小，然后反向增大，直至慢慢離開地面又趨于零。

由圖5可以看出，4種場地都能較好地擬合這個過程，且制動過程幾乎一致，但提供橫向變向的能力有很大差異，橡膠場地提供的摩擦力最大，木地板最小，天然草和人造草相近。

圖5中反向摩擦力增大的過程中存在一個小的峰谷，這是由于運動員在橫向變向的過程中出現(xiàn)了微小幅度的墊步，對場地的壓力稍有減小，導致足底摩擦力減小。

2.2 Y方向摩擦力Y方向為足球運動員的前進方向，此方向上同樣存在制動和提供向前動力2個階段，不過在Y方向上足球運動員的重心由后向前移動的變化不能忽視，所以Y方向摩擦力在最初的階段隨著正壓力的增大而先增加，后減到零，然后反向提供向前的動力。

由圖6可以看出，人造草、橡膠場地和木地板都呈現(xiàn)這種情況，但天然草在Y方向上的摩擦力直接減小，且綜合圖1、圖2來看，天然草在2個方向上幾乎同時完成制動，較其他3種場地來說更為高效，這是由于天然草場地土壤形變能很好地吸收制動能量。此外，由于微小幅度的墊步導致出現(xiàn)了二次制動，形成類似圖1曲線的起伏現(xiàn)象。

2.3 足底旋轉(zhuǎn)扭矩本文全面地比較了4種常見的足球場地與足球運動員足底接觸的扭矩大小。圖7扭矩變化曲線可以明顯看出，橡膠場地造成的旋轉(zhuǎn)扭矩最大，然后依次是人造草、天然草、木地板。

圖7 4種場地足底Tz旋轉(zhuǎn)扭矩變化曲線

3 討 論

由圖5、圖6、圖7可以清晰地了解4種場地對運動員足底摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩特性的不同影響。有研究表明[8]，摩擦力是導致足球運動員嚴重損傷的重要因素之一，在各種損傷的誘因中占到了三分之二。尤其是穿釘鞋在人造草場地上進行足球運動會增加損傷幾率，在扭轉(zhuǎn)、滑行等動作時更易發(fā)生損傷[15]。本文僅選取統(tǒng)一的碎釘足球鞋，故可忽略不同鞋釘對數(shù)據(jù)的影響。

關(guān)于足球運動中足底與地面接觸所產(chǎn)生的2種摩擦力前人也有所研究，2種摩擦力在足球運動中發(fā)揮著很重要的作用，但同時也是致病的最大隱患。摩擦力有助于高效完成急停、加速、變向等動作，但高的摩擦力也會對踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)造成過多的負荷，過小的摩擦力又會導致滑行，也容易因此而損傷[16]，所以足底與場地接觸摩擦力應處于一個合理的范圍才最適宜用于足球運動。

通過圖5、圖6還可以明顯看出，橡膠場地摩擦力過大，木地板摩擦力過小，都不宜用于比賽場地，人造草和天然草的摩擦力在兩者之間且近似一致，只是在Y方向上初始階段天然草的性能更佳，上文已做詳細分析。除了摩擦力，足底旋轉(zhuǎn)扭矩也是導致足球運動員損傷的另一關(guān)鍵因素，特別是對踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的損傷[11]。

關(guān)于不同場地對旋轉(zhuǎn)扭矩的影響國內(nèi)外早有研究，但主要針對人造草和天然草2種場地的比較，Villwock的實驗也證實了人造草所產(chǎn)生的扭矩明顯大于天然草[17]，這和本實驗所得結(jié)果基本一致。所以結(jié)合摩擦力考慮，天然草場地最適宜用作足球比賽場地，但天然草場地造價成本較高。有研究表明，在人造草場地每天使用8h、天然草場地每天使用0.6h的情況下，前者的維護費用也只有后者的15%左右[18]，大大降低了使用成本。在場地性能要求不高的情況下，可以選擇合適的人造草場地開展足球運動。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論4種足球場地各有特點：橡膠場地摩擦力較大,旋轉(zhuǎn)扭矩較大；木地板摩擦力最小,旋轉(zhuǎn)扭矩也較??；天然草和人造草在X方向上摩擦力曲線趨勢相近,但在Y方向上，天然草的制動效率高于人造草，對比兩者扭矩曲線，天然草場地扭矩明顯小于人造草。

4.2 建議綜合比較4種場地的性能，橡膠場地因摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩過大會使足球運動員腳踝損傷風險增加，而木地板的摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩又過小導致抓地力差,不足以提供動力，同時也容易導致滑動損傷，兩者不適合開展足球運動。天然草的摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩較為適中，有利于減輕對腳踝的損傷,更適合開展足球運動，但天然草場地造價以及維護費用昂貴，并不能得到廣泛應用，相比其他足球場地，人造草的性能較優(yōu)也更為接近天然草，因此可以選用人造草場地進行替代。

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Effects of Different Field on Cutting Movement in Soccer Players

HE Zhi-qiang1, ZHENG Xiao-bing2, LIU Hai-bin1, YUAN Wen-xue1，CONG Pei-xin
(1.Department of Physical Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China; 2.School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China)

Soccer has always been considered as the f i rst sport in the world because of its popularity and numerous fans. However, it not only decorates the world with passion, but also injures players. Early studies have shown that the quality of field is the main reason among various factors inducing injury. In order to have a clear acknowledge of the effects on foot dynamics between different fields (natural grassland, artif i cial grass, wood f i eld and rubber f i eld), eight professional male soccer players have been recruited in the experiment. With the force plates, use the force value data from the force plates to plot and analyze, the effects of different f i elds (natural grassland, artif i cial grass, wood f i eld and rubber f i eld) on subjects’ foot friction and rotating torque could be measured when subjects performed cutting movement. Results in this study shown that the friction and rotating torque property of natural grassland f i ts subject best and arti fi cial grass fi eld is less preferable, but wood or rubber fi eld is not a good choice for soccer field due to their inferior property. But the cost of using and maintaining natural grassland is expensive, so artif i cial grass is more ideal alternative in college soccer sport.

soccer; injury of joint; different f i eld; friction force; rotating torque

G804.2

A

1004 - 7662(2017)03- 0077-05

2017-02-05

何志強 ，講師 ，碩士 ，研究方向 ：運動人體科學。