不同設(shè)計跑步機(jī)減震性能差異的生物力學(xué)分析

□ 唐正彥 劉靜民（清華大學(xué)體育部 北京 100084）

1、研究目的

近年來，隨著生活水平的提高和人們健身意識的增強(qiáng)，跑步已成為人們現(xiàn)代生活“健康、愉快和時尚”的標(biāo)志，跑步是減少久坐帶來的多種危害、消除生理的消極狀態(tài)和緩解心理壓力的最佳方式之一?，F(xiàn)代都市生活中由于霧霾等不利自然環(huán)境往往會對人們戶外跑步帶來影響，同時出于方便的考慮，人們經(jīng)常會選擇室內(nèi)健身，在跑步機(jī)上進(jìn)行跑步。為了給跑步者帶來舒適、愉快的感覺，防止經(jīng)常使用跑步機(jī)的跑步者腳踝、膝關(guān)節(jié)等部位出現(xiàn)運動損傷，跑步機(jī)的減震性能至關(guān)重要。

有減震功能的跑步機(jī)可以緩沖地面沖擊力對人體造成的傷害。人每步行1公里，一只腳要承受600-700次的重力沖擊，若是激烈運動，其沖擊次數(shù)和沖擊力就更大。跑步時，腳觸地的瞬間，受到地面的沖擊力將達(dá)到人體重量的2-4倍。這種沖擊力長期作用在人體，會對各部位造成不同的傷害。在跑步機(jī)上跑步時，如果跑步機(jī)有一定的減震性能，可以減緩長期跑步帶給人的傷害。

但是人體在地面和跑步機(jī)上分別進(jìn)行主、被動運動過程中，運動姿態(tài)，足底壓力都會有明顯差別，不同品牌和價位的跑步機(jī)也會采用不同的方式進(jìn)行減震，因此，研究跑步機(jī)的減震性能是非常有必要的。近來，市場上推出了一些新的跑步機(jī)，采用了一些新的設(shè)計，我們此次嘗試檢測這類跑步機(jī)的減震性能。

2、研究對象與方法

2.1、研究對象

（1）測試運動表面。

測試跑步機(jī)選取兩臺市面上常見并且處于同等價位的具有不同減震設(shè)計的跑步機(jī)，包括主要依靠磁力減震的跑步機(jī)1和主要依靠彈簧和硅膠墊減震的跑步機(jī)2。以塑膠跑道和柏油路面作為對照。

（2）受試者。

選取身體健康、有良好運動能力和跑步機(jī)使用經(jīng)驗的1名男性參加本研究的測試。受試者身高185cm，體重70kg，非扁平足及足弓，且參加本研究測試之前半年內(nèi)下肢無損傷史。

2.2、實驗方法與數(shù)據(jù)采集

（1）實驗儀器和測試設(shè)備。

足底壓力測試系統(tǒng)：本研究采用德國Novel公司開發(fā)的Pedar鞋墊式足底壓力測量系統(tǒng)采集運動過程中足底的動力學(xué)相關(guān)指標(biāo)，全面評估足底壓力與減震性的相關(guān)性。測試時，鞋墊放置于左、右鞋內(nèi)，采集頻率設(shè)置為100Hz。鞋墊通過電纜線與控制盒相連，控制盒執(zhí)行讀取、記錄、發(fā)送、同步輸出等功能。采集到的原始數(shù)據(jù)為每一傳感器的壓強(qiáng)信號。分析軟件為足底壓力系統(tǒng)自帶測量分析系統(tǒng)管理軟件。

膝關(guān)節(jié)角度測量：采用德國SIMI公司生產(chǎn)的SIMI Motion動作捕捉系統(tǒng)，記錄運動過程中膝關(guān)節(jié)角度變化。采集頻率350Hz。

（2）實驗方法。

受試者穿上緊身運動服和運動鞋，同時在鞋底放置足底壓力測試鞋墊，在測試前進(jìn)行5min的慢跑熱身，正式測試速度為4km/h、5.4km/h、7.2km/h、9km/h、10.8km/h（4km/h 運動姿態(tài)為快步走，其他速度運動姿態(tài)為跑），每次測試前進(jìn)行壓力鞋墊調(diào)零。以測試速度跑1min后，若測試者通過觀察發(fā)現(xiàn)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，記錄15s足底壓力數(shù)據(jù)，每次測試間間隔10min，保證測試人員的體力恢復(fù)。隨后以相同的要求，在另外一臺跑步機(jī)上進(jìn)行測試并收集足底壓力數(shù)據(jù)。通過smartspeed紅外測速儀檢測塑膠跑道和柏油路面的運動速度。

（3）數(shù)據(jù)處理。

采用與pedar配套的數(shù)據(jù)處理軟件獲得實驗數(shù)據(jù)，采用Excel2016進(jìn)行分析。分析足底壓力峰值數(shù)據(jù)時，選取左足十次穩(wěn)定的單步的均值，輸出數(shù)據(jù)。將每次測試的數(shù)據(jù)從系統(tǒng)中取出保存。選取左腳的步態(tài)資料，去除頭尾的數(shù)據(jù)資料，從中選取步態(tài)穩(wěn)定動作一致的一步步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓強(qiáng)-時間分析。采用SPSS22.0統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行顯著性分析檢驗。

3、結(jié)果與分析

3.1、不同運動表面上一個步態(tài)周期內(nèi)壓強(qiáng)-時間變化

圖1可知，在4km/h速度下，受試者由于以快步走的姿態(tài)進(jìn)行運動，四種運動表面的壓強(qiáng)-時間曲線均出現(xiàn)了雙波峰的圖形。跑步機(jī)1在緩沖時的波峰明顯低于另外三種運動表面，并且波峰出現(xiàn)的時間也相對較晚，說明在緩沖階段跑步機(jī)1的減震性能較為明顯，跑步機(jī)2則更接近于塑膠路面。而在蹬伸期，跑步機(jī)1的平均壓強(qiáng)峰值和跑步機(jī)2、柏油路面出現(xiàn)的時間和高度都較為一致，但是均低于塑膠跑道的平均壓強(qiáng)峰值，可見兩種跑步機(jī)都能提供和柏油路面類似的較為充足的蹬伸反作用力。同時結(jié)合膝關(guān)節(jié)最大緩沖角和步態(tài)周期時間，我們發(fā)現(xiàn)盡管在跑步機(jī)1上平均壓強(qiáng)較低，但是由于速度較慢，對運動姿態(tài)的改變不明顯，因此跑步機(jī)1在快走狀態(tài)中，可以在保證正確運動姿勢的前提下有效減震。而跑步機(jī)2在落地的緩沖階段受到地面反作用力和塑膠、柏油路面相似，但是蹬伸狀態(tài)下全足則有較高的平均壓強(qiáng)，因此蹬伸狀態(tài)可能會有和在塑膠、柏油路面上不同的運動感受。

圖1 4km/h速度下一個步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖2 5.4km/h速度下一個步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖3 7.2km/h速度下一個步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖5 10.8km/h速度下一個步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖2 -圖4可知，在5.4km/h、7.2km/h和9km/h的速度時，四種運動表面的全足壓強(qiáng)均值的峰值出現(xiàn)時間基本沒有差異，都分別在0.14、0.13、0.12秒左右達(dá)到峰值，但是跑步機(jī)1的峰值要低于另外三種運動表面，另外三種運動表面的峰值則沒有明顯差異，僅有塑膠跑道稍低。

由圖5可知，在10.8km/h時，跑步機(jī)1和柏油路面、塑膠跑道的曲線幾乎一致，但是跑步機(jī)2的平均壓強(qiáng)峰值要出現(xiàn)得較早，即加載速度較快，并且峰值較高，此外其在觸地階段的時間也低于其他三種運動表面。可能是由于此種設(shè)計彈性較好，因此在落地之后很快就能達(dá)到峰值，并在在蹬伸之后有較強(qiáng)的回彈，因此會減少整個觸地階段的時間。但是這種設(shè)計會增加足部壓強(qiáng)，并且可能會改變跑步的動作形式。

總體來看，在慢跑速度下跑步機(jī)1的減震性能較好，要優(yōu)于其他三種運動表面。在運動速度較快時，跑步機(jī)1的減震性能效果降低，趨向于和塑膠路面一致，但是跑步機(jī)2的減震性能較差，表現(xiàn)出比其他三種運動表面更低的減震性。

3.2、足底壓力測量各參數(shù)峰值對比

（1）足底壓力峰值。

圖6 不同速度下各運動表面足底壓力峰值

足底壓力為人體施加給測試鞋墊的力，大小相當(dāng)于人體受到運動表面沖擊的反作用力，足底壓力峰值為運動過程中人體所受到的力的最大值，因此可以直接反映跑步機(jī)的減震性能。如果足底壓力峰值過大，加上長時間的沖擊，力沿著腿部向上傳遞，會對膝蓋甚至脊柱等環(huán)節(jié)造成損傷。圖6可知，在4km/h的速度下，跑步機(jī)1上足底壓力峰值為534.5N，跑步機(jī)2足底壓力峰值為645N，跑步機(jī)1的壓力峰值要顯著低于跑步機(jī)2。塑膠跑道、柏油路面上的壓力峰值分別是555.1N和597.7N，可見跑步機(jī)2減震性能相對較差，甚至比質(zhì)地堅硬的柏油路面有更高的壓力峰值，這可能是由于跑步機(jī)的回彈設(shè)計造成的。跑步機(jī)1減震性能相對較好。在5.4km/h速度下，也出現(xiàn)了類似的趨勢，跑步機(jī)1的足底壓力峰值明顯低于其他三種運動表面。在7.2km/h及以上速度時，塑膠跑道的足底壓力峰值增幅較小，而跑步機(jī)1的足底壓力峰值逐漸增加，逐漸高于塑膠跑道，但仍比柏油路面和跑步機(jī)2低。跑步機(jī)2各速度下足底壓力峰值和柏油路面均較為接近，10.8km/h速度下更是高于柏油路面，顯示出較差的減震性能。

（2）足底壓強(qiáng)峰值。

足底壓強(qiáng)峰值是反映作用在單位面積腳底上的地面反作用力大小最直接的指標(biāo)。一般跑步時足底壓強(qiáng)峰值會出現(xiàn)在每一個步態(tài)周期的蹬伸階段，根據(jù)每個人跑步習(xí)慣的不同，出現(xiàn)的位置會有所差異，但是對個人來說，出現(xiàn)足底壓強(qiáng)峰值的位置一般不會有太大變化。較大的局部足底壓強(qiáng)峰值是影響跑者跑步舒適度的重要因素。如果某個位置長期受到大的應(yīng)力刺激，就會容易產(chǎn)生疲勞性損傷。足底壓強(qiáng)過大，足部會感覺到壓迫感甚至是疼痛，足底壓強(qiáng)小，其應(yīng)力分布越分散，鞋與足底越貼合，足部感覺越自然、放松。在相同的運動速度下，人體足部受到的地面反作用力是相等的，而由于運動表面的差異，可產(chǎn)生不同的彈性效果。跑步機(jī)的減震結(jié)構(gòu)會吸收大部分沖擊力，大量消耗傳輸?shù)阶悴康哪芰?，并延長沖擊力到達(dá)足部的時間，可以說，在同等地面反作用力下，足部峰值壓強(qiáng)越小，跑步機(jī)緩沖震動的能力越好，足部感覺越舒適。

圖7 不同速度下各運動表面足底壓強(qiáng)峰值

圖7 可知，在5種速度下，跑步機(jī)2的足底壓強(qiáng)峰值均顯著高于跑步機(jī)1，并且速度越快差別越明顯，顯然從壓強(qiáng)峰值來看，跑步機(jī)1具有相對較好的減震性能。但是在速度較快時，跑步機(jī)1的減震水平也和柏油路面較為接近，僅比柏油路面低6.7kPa，而塑膠路面上的足底壓強(qiáng)峰值最低，顯示出了最好的減震性。

3.3、時域指標(biāo)分析

（1）沖量。

圖8 不同速度下各運動表面一個步態(tài)周期內(nèi)沖量

圖9 不同速度下各運動表面一個步態(tài)周期內(nèi)壓強(qiáng)-時間積分

沖量反映了力在時間上的量的積累。在考量跑步機(jī)減震性能時，盡管沖量以及壓強(qiáng)—時間積分和震動情況沒有直接關(guān)系，但是在長時間運動時，這種長期的力的積累效應(yīng)更容易導(dǎo)致疲勞。圖9可知，跑步機(jī)1在9km/h及以下速度均表現(xiàn)出沖量最低，并且和其他三種運動表面存在顯著性差異。在10.8km/h速度下盡管各運動表面沖量值差別不大，但是仍然相對處于最低的水平。因此可見跑步機(jī)1更加適合長時間運動。而跑步機(jī)2雖然觸地時間都相對較短，但是足底壓力較大，因此跑步機(jī)2的沖量在四種運動表面中都處于較高的位置。

（2）壓強(qiáng)—時間積分。

壓強(qiáng)—時間積分和沖量類似，反映了壓強(qiáng)在時間上的積累。各速度下四種運動表面的壓強(qiáng)時間積分沒有明顯差異，但是可以發(fā)現(xiàn)跑步機(jī)1在各速度下的壓強(qiáng)—時間積分都低于跑步機(jī)2。

（3）支撐相時間。

圖10 不同速度下各運動表面一個步態(tài)周期內(nèi)支撐相時間

3.4、膝關(guān)節(jié)最大緩沖角度

圖11 不同速度下各跑步機(jī)膝關(guān)節(jié)最大緩沖角

在落地緩沖過程中達(dá)到最大緩沖時刻時，膝關(guān)節(jié)也處于屈曲的狀態(tài)，此時膝關(guān)節(jié)的角度為膝關(guān)節(jié)最大緩沖角。膝關(guān)節(jié)的這種彎曲是人體本能的減震反應(yīng)，我們認(rèn)為在硬度接近的運動表面運動時，膝關(guān)節(jié)角度越小表明人體需要進(jìn)行的減震動作幅度越大，從而表示運動表面的減震能力較差。在4km/h快步走時膝關(guān)節(jié)幾乎沒有彎曲，而在9km/h、10.8km/h時跑步機(jī)1膝關(guān)節(jié)最大緩沖角要高于跑步機(jī)2，因此從膝關(guān)節(jié)角度上來看，跑步機(jī)1在速度較快時有較好的減震性能。

4、結(jié)論

（1）跑步機(jī)1和跑步機(jī)2相比，以4km/h-10.8km/h速度快走、慢跑，均具有明顯的減震性能；

（2）跑步機(jī)1和跑步機(jī)2相比，以較快速度跑步時，其減震效果接近于在塑膠跑道上運動表現(xiàn)；

（3）跑步機(jī)1和跑步機(jī)2相比，在以較快速度跑步時，膝關(guān)節(jié)最大緩沖角較大，壓強(qiáng)－時間積分和沖量值均低，對膝蓋的沖擊力相對較小，預(yù)防損傷效果好。