不同材質(zhì)籃球鞋底結(jié)構(gòu)對運(yùn)動員下肢減震的作用研究

尹娜 張?jiān)龉?/p>

摘 要：籃球鞋的鞋底結(jié)構(gòu)以及鞋底所使用的加工材料，是影響籃球鞋減震性能的最關(guān)鍵因素。利用減震試驗(yàn)機(jī)對不同材質(zhì)和機(jī)構(gòu)的籃球鞋進(jìn)行撞擊測試，對國內(nèi)外較為知名的三大籃球鞋生產(chǎn)品牌所生產(chǎn)的某型號籃球鞋進(jìn)行鞋底結(jié)構(gòu)、使用材料以及鞋底對運(yùn)動員下肢減震作用展開研究。最終結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)Ⅰ組在固定撞擊能力（5J 和7J）條件下，能夠獲得低于實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅲ組的撞擊力峰值和G值;實(shí)驗(yàn)Ⅱ組的整體減震性能居中;實(shí)驗(yàn)Ⅲ組在面對固定撞擊能力時(shí)表現(xiàn)出了最差的撞擊力峰值和G值，整體減震效果最差。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;籃球鞋底;撞擊力峰值;G值;減震作用

中圖分類號：TS943.1;TU352.1 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0162-05

Study on the effect of basketball sole structure with different materials on lower limb shock absorption of athletes

YIN Na，ZHANG Zengguang

（Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：

The structure as well as the materials of the sole of basketball shoes are the most important factors affecting the bumping-absorption performance of basketball shoes.In this paper，the impact tests of basketball shoes with different materials and brands are carried out by using the bumping-absorption testing machine.The author also studies on the structure of the sole，the use of materials and the effect of the sole on the lower limb bumping absorption of a certain type of basketball shoes from three well-known local and international brands.The final results show that under the condition of fixed bumping level（5 J and 7 J），the experimental group Ⅰ could obtain the lower bumping force peak value and G value compared with the experimental groupⅡand Ⅲ.The overall damping performance of experiment group Ⅱ was in the middle，while the experiment group Ⅲ performed the worst peak impact force and G value，and the overall shock absorption effect was the worst.

Key words：

composite materials;basketball sole;peak impact force;G value;cushioning effect

籃球鞋能夠?yàn)閰⑴c籃球運(yùn)動的運(yùn)動員或愛好者提供充分的抗扭轉(zhuǎn)能力、減震能力以及摩擦能力等。其中，減震能力是考量鞋底材料吸收或降低震蕩波能力的主要表征，減震能力并不等同于鞋底的柔軟度。因?yàn)?，籃球運(yùn)動員在拼搶籃板、投籃等動作以后，往往還需要立刻進(jìn)行極速的跑動，鞋底過于柔軟往往會影響球員的啟動能力[1]。因此，恰當(dāng)、合理的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，是考量籃球鞋制造商籃球鞋生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)之一。本文在開展籃球鞋減震實(shí)驗(yàn)時(shí)，將減震試驗(yàn)機(jī)的撞擊水平固定在5 J 和7 J條件下，對國內(nèi)外不同品牌的3種籃球鞋的減震性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，分別檢測3種籃球鞋的撞擊力峰值和G值得到3種品牌籃球鞋中的最佳減震結(jié)構(gòu)和減震材料。本文的主要實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，是得到實(shí)驗(yàn)Ⅰ至Ⅲ籃球鞋在排除人為因素條件下面對相同的沖擊表現(xiàn)出的不同減震性能，從而針對該籃球鞋的鞋底結(jié)構(gòu)和鞋底材料進(jìn)行針對性分析[2]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

當(dāng)前籃球鞋領(lǐng)域所采用的主要減震方法主要有氣墊減震和材料減震兩類，其中氣墊減震是利用特殊的鞋底結(jié)構(gòu)通過惰性氣體實(shí)現(xiàn)籃球鞋的減震;而材料減震則是利用特種橡膠、非牛頓流體等新型高分子材料代替一部分鞋底材料，利用高分子材料的特殊力學(xué)性能實(shí)現(xiàn)籃球鞋的減震。

1.1.1 氣墊減震

Sole結(jié)構(gòu)氣墊是籃球鞋領(lǐng)域最早開發(fā)的氣墊種類。Sole氣墊在緩震、性能和平衡方面較為均衡，但是比較中庸。Sole氣墊最早用在AJ球鞋系列上，現(xiàn)在則一般應(yīng)用于空軍一號、DUNK以及一些比較低端的AJ團(tuán)隊(duì)實(shí)戰(zhàn)鞋上[3]。Sole氣墊結(jié)構(gòu)偏硬、緩震效果一般，對于大體重的籃球運(yùn)動員而言，并不能在激烈的籃球運(yùn)動中提供充分的抗震性能。

Zoom結(jié)構(gòu)氣墊目前屬于最優(yōu)秀的籃球鞋組成氣墊結(jié)構(gòu)[4]。Zoom結(jié)構(gòu)氣墊主要放置在籃球鞋的前掌，具有不錯的減震和優(yōu)秀的回彈以及很不錯的場地感，更是提供了加速的性能。在部分高端球鞋上更是放置了雙Zoom氣墊來達(dá)到更加優(yōu)秀的減震效果。某些球星款的籃球鞋如MELO8和MELO9等，其采用的Zoom結(jié)構(gòu)氣墊創(chuàng)新性使用了Cage zoom，也就是最大容量Zoom氣墊。鞋體的穿著感極為良好，柔軟度極高。但是由于鞋體過于看重減振性能，最終導(dǎo)致該籃球鞋的穩(wěn)定性欠佳，在非木質(zhì)地板場地如水泥地等場地進(jìn)行劇烈對抗時(shí)容易扭轉(zhuǎn)過度而引發(fā)扭腳等。但是該結(jié)構(gòu)的氣墊減震腳感毋庸置疑。

Airmax結(jié)構(gòu)氣墊堪稱是中鋒和大體重籃球愛好者的一大最愛。大面積的氣柱結(jié)構(gòu)能夠?yàn)檫\(yùn)動員提供極為優(yōu)秀的抗震能力。氣柱內(nèi)部的惰性氣體在受到運(yùn)動員腳部擠壓時(shí)，很容易發(fā)生性變，此時(shí)氣墊內(nèi)的惰性氣體受到刺激會促使氣體產(chǎn)生流動最終形成氣體對運(yùn)動員足部的回彈和緩沖，從而為運(yùn)動員提供減震[5]。但是，由于Air max結(jié)構(gòu)氣墊整體厚、重，需要一定體重的運(yùn)動員材料對氣柱內(nèi)的惰性氣體產(chǎn)生足夠的擠壓，往往更適合大體重籃球運(yùn)動員。同時(shí)，外露的氣墊結(jié)構(gòu)也較容易因?yàn)閯潅a(chǎn)生惰性氣體泄露，最終影響球鞋的減震性能。

Total air結(jié)構(gòu)氣墊通常也被稱為巨無霸氣墊，也可以看成是Max air的加強(qiáng)版，氣墊的容量和分布面積更大，遍布全掌，性能和Max air無異[6]。多用于內(nèi)線籃球鞋，適合大體重人群或者一些后腳跟有傷彈跳又比較好的人，可以提供優(yōu)秀的吸收震動的效果。

1.1.2 材料減震

Phylon材料減震其實(shí)就是EVA演變而來經(jīng)過二次發(fā)泡的鞋底[7]。與一般的EVA材料相比，Phylon 材料更輕便、更有彈性，能夠?yàn)檫\(yùn)動員提供更好的緩震性能，一般用來組合氣墊使用。單純使用Phylon 材料制備的籃球鞋腳感偏硬，雖然能夠提供足夠的減震性能，但舒適度方面不如氣墊球鞋或者采用Sole材料制備的籃球鞋。

Cushlon材料減震有點(diǎn)類似Phylon升級以后的版本，可單獨(dú)使用[8]。Cushlon 材料減震性能優(yōu)于Phylon，但是與其他的高分子材料如非牛頓流體材料相比，Cushlon 材料減震性能一般，舒適度也不佳。僅有部分籃球運(yùn)動鞋如KOBE系列使用這種材料進(jìn)行籃球鞋底制備，一般多用于跑鞋、登山鞋等。

非牛頓流體材料，主要指的是利用某些材料具備的非牛頓流體效應(yīng)制備籃球鞋或鞋墊，從而為籃球運(yùn)動員提供極為優(yōu)異的非沖擊狀態(tài)下的支撐性和沖擊時(shí)的減震性能等[9]。無論是直接用在球鞋鞋底還是拿來當(dāng)做鞋墊，非牛頓流體均能夠?yàn)檫\(yùn)動員提供良好的使用性能。實(shí)際上非牛頓流體材料也是由EVA演變而來，其應(yīng)用原則并沒有改變。即利用一種輕軟有彈性的材料，在運(yùn)動員足部面臨沖擊時(shí)提供足夠的緩沖等。但是，由非牛頓流體材料制備而成的籃球鞋一旦被劃傷，往往容易導(dǎo)致鞋體整個(gè)報(bào)廢，使用時(shí)需要格外注意。另外，非牛頓流體材料強(qiáng)調(diào)即踩即走，不需要磨合，

發(fā)泡材料，籃球鞋中底緩震材料常用的發(fā)泡材料主要兩種：E-tpu發(fā)泡材料;Pebax發(fā)泡材料[10]。E-tpu發(fā)泡材料是在熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）的基礎(chǔ)上形成的，主要通過改變TPU結(jié)構(gòu)重組得到的高回彈泡沫顆粒的新型TPU發(fā)泡材料，即熱塑性聚氨酯（E-tpu）是由無數(shù)個(gè)彈性十足、質(zhì)量很輕的TPU發(fā)泡小球集結(jié)在一起形成的一種新型高分子材料。Pebax發(fā)泡材料鞋底則是利用一種由剛性聚酰胺嵌段和軟聚醚嵌段組成的，具有極高性能熱塑性的嵌段共聚物制備而成的籃球鞋底。該材料保持延續(xù)了傳統(tǒng)概念中將聚酰胺相關(guān)的韌性和聚醚的彈性相結(jié)合。在反復(fù)彎曲過程中，Pebax彈性體可以提供極其高效能量回收。穿著Pebax發(fā)泡材料中底技術(shù)鞋款可以將能量損耗系數(shù)降到更低，且擁有極強(qiáng)的抗冷沖擊性。

本文所采納的實(shí)驗(yàn)材料均來自于市場銷售的籃球鞋，研究不同材質(zhì)籃球鞋底結(jié)構(gòu)對運(yùn)動員下肢減震能力的作用。本次實(shí)驗(yàn)共采用國內(nèi)外3家不同籃球鞋制造商出品的相同價(jià)格區(qū)間的鞋子，分別命名為實(shí)驗(yàn)Ⅰ（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)搭配EVA鞋墊）、Ⅱ（人造化工材料/橡膠）和Ⅲ（橡膠材料）。3種不同結(jié)構(gòu)型號的鞋子，所特有的減震技術(shù)分別為芯技術(shù)、氣墊、緩震膠。其中，芯技術(shù)主要是將熱塑性彈性體（TPE）顆粒等吸震材料加工成吸震球分別安裝于鞋子的前掌和腳后跟部位，再添加其他的輔助材料加以鞏固，使其具有更好的減震作用，同時(shí)在鞋子的上層還配有EVA鞋墊;氣墊，其外底為人造化工材料/橡膠，中底有部分EVA 材質(zhì)，在前掌部位設(shè)置有氣墊;緩震膠，使用橡膠與部分EVA 組成的避震結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)性減震的方式來提供減震性。以上鞋款均來自特許零售商專柜，選擇尺碼為42 碼，鞋子均為全新鞋，不將大底與中底分開，將全鞋視為一體。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

減震試驗(yàn)機(jī)GT-KA04（泉州市杰斯特儀器設(shè)備有限公司）為該試驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)儀器。選擇實(shí)驗(yàn)物體的質(zhì)量約為8.5 kg，在控制器輸入能量（5 J、7 J）的情況下，將其從不同的高度進(jìn)行下落來撞擊籃球鞋的底部和后跟部位。由固定在鉛球上的加速規(guī)，測量撞擊過程中的撞擊力峰值和G值兩個(gè)不同參數(shù)，以此來評估其減震性能。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本實(shí)驗(yàn)的測試主要以材料為基準(zhǔn)，根據(jù)國際上慣用的英國SATRA標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行操作，選擇質(zhì)量約為8.5 kg的重物來進(jìn)行下落撞擊實(shí)驗(yàn)。將重物從不同的高度拋出，使其下落撞擊籃球鞋后跟部位，對不同材質(zhì)的籃球鞋進(jìn)行多次試驗(yàn)，并計(jì)算出其最大撞擊力峰值及G值。分析出減震作用較弱的一雙籃球鞋，以其作為基準(zhǔn)來計(jì)算不同撞擊能量下，其他材質(zhì)籃球鞋的各類數(shù)值及減震效果。

（1）實(shí)驗(yàn)步驟一：使用GT-KA04撞擊各材質(zhì)籃球鞋鞋底，并不斷變換撞擊能量（5 J、7 J）。此時(shí)，保持GT-KA04與鞋底之間的高度是相對靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生的沖擊，因此需要將GT-KA04的撞擊高度設(shè)定為0 mm。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟二：利用減震試驗(yàn)機(jī)的裝機(jī)器在不同能量條件下對鞋底進(jìn)行撞擊，按照撞擊能量由低到高的排序?qū)Ω鱾€(gè)撞擊能量參數(shù)條件下鞋底所受到的有效撞擊數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，收集次數(shù)設(shè)定為3的整數(shù)倍;撞擊與撞擊之間的時(shí)間間隔設(shè)定為120 s;在完成撞擊實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取以后，更換下一組實(shí)驗(yàn)材料。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟三：對實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行對比分析，選擇合適的指標(biāo)體系用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)Ⅰ至Ⅲ材料減振性能的表示（見圖1）。在圖1中，橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)Ⅰ至Ⅲ材料面對相同沖擊參數(shù)時(shí)產(chǎn)生的變形位移，左右側(cè)縱坐標(biāo)分別為力值、能量值。由圖1中各材料的變化曲線可知，在籃球鞋底與撞擊頭進(jìn)行接觸時(shí)，鞋底受到的沖擊力均是逐漸增大的態(tài)勢，隨著沖擊力的增大，鞋底因受到外力作用而產(chǎn)生的變形位移也越來越大;當(dāng)沖擊力達(dá)到最大時(shí)，這一變形位移逐漸也達(dá)到最大。隨著撞擊頭逐漸脫離與鞋底的接觸，鞋底的變形位移、所受沖擊能量等逐漸開始減小至為零。

2 結(jié)果與分析

2.1 減震性能的差異性分析

實(shí)驗(yàn)將不同材質(zhì)的籃球鞋采用撞擊力峰值及G值機(jī)對運(yùn)動員下肢減震作用研究。根據(jù)相關(guān)研究可知，在相同撞擊力的條件下，撞擊力峰值及G值越小，表明籃球鞋底結(jié)構(gòu)對運(yùn)動員下肢的減震作用越好。該實(shí)驗(yàn)在撞擊能量與籃球鞋的變化下，來比較撞擊力峰值及G值的變化，結(jié)果如表1和表2所示。

由表可知，隨著撞擊能量的增加，最大撞擊力峰值及G值也呈遞增模式。由此可知，籃球鞋所產(chǎn)生的撞擊力隨撞擊能量的增加而增加。在撞擊能量為5 J和7 J的情況下，籃球鞋的減震性排序?yàn)椴馁|(zhì)Ⅰ>材質(zhì)Ⅱ>材質(zhì)Ⅲ。

2.2 減震性能的衰減率分析

該實(shí)驗(yàn)中，撞擊力峰值及G值最大的為材質(zhì)Ⅲ。以材質(zhì)Ⅲ作為基準(zhǔn)，根據(jù)相同撞擊力下的最大峰值和G值來計(jì)算材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ最大撞擊力峰值和G值的降低比例，如表3和表4所示。在撞擊能量為5 J的情況下，檢測出材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ的最大撞擊力峰值及G值均比材質(zhì)Ⅲ小，分別小13.83%、15.69%和1.56%、7.83%。由此可知，在不同材質(zhì)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組的籃球鞋中，對運(yùn)動員下肢減震效果上材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ優(yōu)于材質(zhì)Ⅲ組。當(dāng)撞擊能量為7 J時(shí)，材質(zhì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組的籃球鞋最大撞擊力峰值及G值的減小率不同，但趨勢相同。因此，在撞擊能量不同的時(shí)，材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ組的最大撞擊力峰值及G值隨撞擊能量的增加而增加，但是與Ⅲ相比，材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ的最大撞擊力峰值機(jī)G值呈降低趨勢。

由下表可知，當(dāng)比較最大撞擊力峰值時(shí)，無論撞擊能量為5 J還是7 J，材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ的最大撞擊力峰值均低于材質(zhì)Ⅲ。與材質(zhì)Ⅲ相比，在實(shí)驗(yàn)中材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ的最大撞擊力峰值隨撞擊能量的變大而呈遞減模式，說明其撞擊能量越高;與材質(zhì)Ⅲ相比，材質(zhì)Ⅰ和材質(zhì)Ⅱ的籃球鞋對運(yùn)動員下肢減震的作用最佳。綜合上表數(shù)據(jù)分析可知，材質(zhì)Ⅰ的籃球鞋屬于該實(shí)驗(yàn)中最能降低撞擊力的籃球鞋，在撞擊能量分別為5 J和7 J時(shí)，材質(zhì)Ⅱ的籃球鞋在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上與材質(zhì)Ⅰ的籃球鞋存在差距，由此可知材質(zhì)Ⅱ的籃球鞋在后跟部位的減震作用比材質(zhì)Ⅰ的籃球鞋低;而材質(zhì)Ⅲ的籃球鞋減震作用小于材質(zhì)Ⅱ的籃球鞋。因此不同材質(zhì)籃球鞋底結(jié)構(gòu)對運(yùn)動員下肢減震作用大小排序依次為材質(zhì)Ⅰ、材質(zhì)Ⅱ、材質(zhì)Ⅲ。

從籃球鞋的結(jié)構(gòu)來分析，材質(zhì)Ⅲ的籃球鞋鞋底是由橡膠材質(zhì)所構(gòu)成，而在減震材料中，橡膠材料的減震效果較差，因此材質(zhì)Ⅲ的籃球鞋減震效果不佳;材質(zhì)Ⅱ的籃球鞋多由人造化工材料/橡膠構(gòu)成，其主要目的是為了抗摩擦，中底設(shè)計(jì)了避震結(jié)構(gòu)（EVA配合部分中空設(shè)計(jì)），因此可以起到一定的減震效果，較材質(zhì)Ⅲ的籃球鞋減震效果較好;材質(zhì)Ⅰ的籃球鞋通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和EVA鞋墊來配合減震，同時(shí)在鞋子的前掌和腳后跟設(shè)計(jì)了吸震材料做成吸震球，上層再EVA鞋墊，因此材質(zhì)Ⅰ的籃球鞋對運(yùn)動員下肢減震作用上效果最佳。

3 結(jié)語

（1）通過對不同材質(zhì)的籃球鞋進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn)得出最大撞擊力峰值及G值的變化數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，不同材質(zhì)籃球鞋底結(jié)構(gòu)對運(yùn)動員下肢減震效果大小依次排序?yàn)椋翰馁|(zhì)Ⅰ、材質(zhì)Ⅱ、材質(zhì)Ⅲ。

（2）隨撞擊能量的增加，材質(zhì)Ⅰ、材質(zhì)Ⅱ和材質(zhì)Ⅲ的籃球鞋其最大撞擊力峰值及G值也呈遞增趨勢。當(dāng)進(jìn)行不同材質(zhì)間的籃球鞋比較時(shí)，在后跟部位的最大撞擊力峰值及G值比較中，籃球鞋大小排序依次為材質(zhì)Ⅲ、材質(zhì)Ⅱ、材質(zhì)Ⅰ。以材質(zhì)Ⅲ為基準(zhǔn)，材質(zhì)Ⅱ的最大撞擊力峰值減小率為1.56%～4.41%，材質(zhì)Ⅰ最大撞擊力峰值減小率為9.08%～13.83%;材質(zhì)ⅡG值減小率為5.82%～7.83%，材質(zhì)ⅠG值減小率為11.67%～15.69%。因此，材質(zhì)Ⅰ的芯技術(shù)在籃球鞋后根部設(shè)計(jì)中有較高的避震能力，能減輕運(yùn)動員下肢的震感，降低運(yùn)動傷害的產(chǎn)生。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 孫明偉.不同硬度籃球鞋底及下落高度對下肢運(yùn)動生物力學(xué)特征的影響研究[D].武漢：武漢體育學(xué)院，2020.

[2] 崔昌水.天然橡膠復(fù)合材料的新型高性能籃球鞋研發(fā)[J].粘接，2020，41（3）：62-65.

[3] 徐思丹.天然橡膠復(fù)合材料籃球鞋用料制備及性能研究[J].粘接，2021，45（3）：72-75.

[4] 胡朝洋.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對運(yùn)動鞋減震及抗扭轉(zhuǎn)功能的影響[J].中外鞋業(yè)，2017（11）：28-30.

[5] 牛春歡.籃球鞋構(gòu)造對足部力學(xué)影響的研究分析[J].當(dāng)代體育科技，2021，11（1）：236-238.

[6] 宋羽，曲峰，蔣量.綜述籃球鞋對籃球運(yùn)動損傷的生物力學(xué)影響[J].當(dāng)代體育科技，2018，8（7）：16-20.

[7] 胡朝洋.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對運(yùn)動鞋減震及抗扭轉(zhuǎn)功能的影響[J].中外鞋業(yè)，2017（11）：28-30.

[8] 湯運(yùn)啟，王幽幽，秦蕾，等.測試方法對評價(jià)運(yùn)動鞋底減震性能的對比研究[J].中國皮革，2016，45（1）：34-36.

[9] 張瑞萍，祁珊珊，高漫，等.一種新型超彈吸能鞋墊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法[J].中國皮革，2020，49（4）：27-31，36.

[10]? 陸毅琛.籃球鞋在縱跳中功效性與舒適性的動力學(xué)研究[J].廣州體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，34（2）：92-94.