運(yùn)動(dòng)鞋鞋底性能要求及形態(tài)設(shè)計(jì)研究

潘美麗，謝輝

（廣州城市理工學(xué)院，廣東 廣州 510800）

1 前言

鞋靴在人們生活中扮演著非常重要的角色，它是為腳服務(wù)的。Burnfield 等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了裸足和穿鞋情況下足底壓力的分布情況。研究表明相較于穿鞋，裸足更能導(dǎo)致足部后跟和前足的壓力分布增大。由此可見(jiàn)鞋靴在緩解足部壓力方面發(fā)揮著重要作用。而運(yùn)動(dòng)鞋是人們?cè)谶M(jìn)行各項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)時(shí)所穿著的，能滿足人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的某種需求，保證人腳能夠在運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮其基本功能的鞋子[2]。運(yùn)動(dòng)鞋鞋底是成鞋不可缺少的一部分，其承擔(dān)著助彈跳、屈撓、保護(hù)人腳的作用[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于運(yùn)動(dòng)鞋鞋底設(shè)計(jì)開(kāi)展了一系列研究。柯思成等[4]通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)足底壓力分布是否對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋鞋底設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響的問(wèn)題進(jìn)行了研究，研究表明優(yōu)化鞋底重新分布足底壓力，相應(yīng)的前后區(qū)域壓力值明顯的降低，且中足區(qū)域壓力峰值有一定的提高，壓力分布得到有效的改善?？梢?jiàn)，運(yùn)動(dòng)時(shí)鞋底部位的受力存在較大差異，這種差異會(huì)影響到鞋底結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。方延等[5]通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析研究了足部健康與在運(yùn)動(dòng)中足底所受壓力的關(guān)系，結(jié)果表明靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，腳底的壓力分布呈現(xiàn)較大的差異，其中跖骨承受的壓力變化最為明顯。因此，對(duì)于運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，必須考慮鞋底的受力分布。

與此同時(shí)，很多學(xué)者通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的形式，分析了鞋底設(shè)計(jì)的相關(guān)影響因素。李建設(shè)等[6]對(duì)比了國(guó)內(nèi)外一線品牌運(yùn)動(dòng)鞋的核心技術(shù)，提出運(yùn)動(dòng)鞋核心技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)遵循人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)原理，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在鞋底結(jié)構(gòu)和材料方面?；艉榉宓萚7]結(jié)合運(yùn)動(dòng)鞋的物理性質(zhì)，闡述了運(yùn)動(dòng)鞋性能指標(biāo)，包括防滑、減震、透氣性能、鞋底厚度與體重的關(guān)系、鞋尖翹度等。嚴(yán)佩等[8]分別從鞋底舒適性、防震、貯能三方面闡述了運(yùn)動(dòng)鞋鞋底設(shè)計(jì)對(duì)下肢生物力學(xué)特性的影響。

綜上所述，前人的研究大多集中在文獻(xiàn)綜述、實(shí)驗(yàn)論證等階段，且多為探究運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的重要性和生物力學(xué)性能方面，而對(duì)于根據(jù)足底受力情況的差異，展開(kāi)鞋底設(shè)計(jì)的研究較少。因此本研究在提煉了運(yùn)動(dòng)鞋鞋底性能基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)腳底的受力情況，詳細(xì)分析了各部位鞋底設(shè)計(jì)的形態(tài)要求，目的是使得鞋底設(shè)計(jì)滿足運(yùn)動(dòng)的功能要求。

2 運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的主要性能要求

運(yùn)動(dòng)鞋按照運(yùn)動(dòng)的類別可分為球類、跑步類、滑行類、野外類、水上運(yùn)動(dòng)類和特種類運(yùn)動(dòng)鞋等[2]，不同類別的運(yùn)動(dòng)方式，其活動(dòng)場(chǎng)地、動(dòng)作要領(lǐng)、腳部受力等均存在較大差異，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋大底的性能要求差異也較大。

通過(guò)表1 可以看出，大部分球類運(yùn)動(dòng)瞬間的速度變化較大，同時(shí)伴有急停、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，因此對(duì)大底的性能要求主要集中在防滑性上。

表1 各類球類運(yùn)動(dòng)對(duì)鞋底的性能要求Tab.1 The performance requirements of various ball sports on the soles

通過(guò)表2 可以看出，跑步類運(yùn)動(dòng)對(duì)大底的性能要求主要集中在抓地能力和重量上，特別隨著跑步時(shí)間的增加，人體體力消耗逐漸增大，鞋子的重量將是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，不能讓其成為運(yùn)動(dòng)的負(fù)擔(dān)。

表2 各類跑步類運(yùn)動(dòng)對(duì)鞋底的性能要求Tab.1 The performance requirements of various running sports on the soles

野外類最有代表性的是登山鞋。登山運(yùn)動(dòng)主要有上坡、下坡、攀巖三種運(yùn)動(dòng)方式。因此登山鞋首先要求大底具有良好的穩(wěn)定性，無(wú)論前尖、后跟或其它著地部位盡量保持與地面的最大接觸，大底的寬度設(shè)計(jì)應(yīng)比一般的運(yùn)動(dòng)鞋大底稍寬。其次大底要具有一定的耐磨性和抓地能力，前尖尤為重要。再次因?yàn)橐巴饴窙r復(fù)雜，大底還應(yīng)具有一定的防穿刺性和減震性。特別是在下坡過(guò)程中，減震性能可以起到很好的保護(hù)雙腳的作用。

圖1 鞋底部位劃分[2]

總之，通過(guò)以上三類運(yùn)動(dòng)鞋可以看出，運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的主要性能要求包括耐磨、防滑、減震、防穿刺、彎折性、穩(wěn)定性等。鞋底的耐磨和防穿刺性可通過(guò)材料實(shí)現(xiàn)，像野戰(zhàn)靴鞋底采用高密度橡膠材料制成，可以起到很好地防穿刺作用。防滑性和抓地性能可通過(guò)安裝防滑塊、鞋釘、吸盤(pán)和設(shè)計(jì)鞋底花紋等方式實(shí)現(xiàn)，增大鞋底的防滑系數(shù)，像棒球鞋大底一般會(huì)安裝平扁形鞋釘，通常鞋底前部3～5 枚，后部2～4 枚，鞋釘大多采用輕量的TPU 合成樹(shù)脂、橡膠或者EVA 材料制成。隨著鞋底制作工藝的不斷改進(jìn)和提高，運(yùn)動(dòng)鞋底花紋也越來(lái)越趨向多樣化，例如籃球、登山、越野鞋等，需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)腳底部位的扭轉(zhuǎn)、受力、側(cè)移等情況合理設(shè)計(jì)底花紋形態(tài)，同樣也可起到防滑的目的。減震性能可通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)兩種方式實(shí)現(xiàn)，目前市面上面的減震運(yùn)動(dòng)鞋多是兩種方式的結(jié)合，像Nike 的Air 氣囊技術(shù)、Air Encap 壓縮氣墊技術(shù)、Air Total 全掌氣墊技術(shù)及類似蹦床的Air Zoom 技術(shù)等[10-11]。

3 腳底的受力分析及鞋底形態(tài)設(shè)計(jì)要求

本文以“籃球運(yùn)動(dòng)”為例，根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)腳底常規(guī)的受力情況，將其劃分為六個(gè)部位，Ⅰ為“大底前尖處”，Ⅱ?yàn)椤扒罢菩牟课弧?，Ⅲ為“跖趾關(guān)節(jié)部位”，Ⅳ為“掌心四周”，Ⅴ為“腰窩部位”，Ⅵ為“鞋后跟部位”。

1）大底前尖處

該部位在打籃球運(yùn)動(dòng)中不會(huì)發(fā)生較大的側(cè)滑和扭轉(zhuǎn)，但是磨耗劇烈，是斷線、開(kāi)膠的主要部位。因此該部位在底花紋設(shè)計(jì)時(shí)要求有良好的耐磨性和外觀質(zhì)量。

一般來(lái)說(shuō)，大底前尖處的花紋設(shè)計(jì)采用常規(guī)花紋即可，但是在運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)中通常會(huì)將大底前尖造型一直延伸到幫面上，一方面可以增加此處的造型感，特別是當(dāng)幫面顏色比較暗淡，但又不想破壞幫面配色時(shí)，可以通過(guò)此處造型設(shè)計(jì)來(lái)豐富幫面造型；其次該設(shè)計(jì)也增加了大底前尖的強(qiáng)度需求，在耐磨性方面較常規(guī)設(shè)計(jì)要好（見(jiàn)圖2）。

圖2 大底前尖的造型設(shè)計(jì)圖

2）前掌心部位

該部位造型呈鍋底形，是人體起跳落地時(shí)腳的著地點(diǎn)，是足部承重的主要部位，與后跟共同支撐人體。因此運(yùn)動(dòng)時(shí)該部位磨耗嚴(yán)重，特別是籃球、羽毛球鞋，通常要求要具有較高的耐磨性，其次在運(yùn)動(dòng)扭轉(zhuǎn)時(shí)該部位也容易發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，可通過(guò)在此處設(shè)計(jì)特殊鞋底花紋、吸盤(pán)、防滑塊等增強(qiáng)抓地能力。

如圖3 所示，鞋底“前掌心部位”和“腳后跟中心部位”采用同樣的材料制作，此材料的耐磨性要優(yōu)于其它部位。同時(shí)在前掌心部位采用“吸盤(pán)”的形式，在跳躍落地時(shí)前掌心先著地，吸盤(pán)提供了足夠的吸力，防止發(fā)生較大的側(cè)滑和移動(dòng)，從而降低了運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 前掌心部位的造型設(shè)計(jì)圖

對(duì)于需要躍起落地的運(yùn)動(dòng)，前掌心部位是腳底易于磨耗的部位，在運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)時(shí)，一方面可以利用材料、結(jié)構(gòu)等增加磨耗性；另一方面也可將其保護(hù)起來(lái)，借助周邊外結(jié)構(gòu)的輪廓優(yōu)勢(shì)，使得該部分的受力和耐磨耗性要求降低，如圖4 所示，通過(guò)在鞋底外部增加不規(guī)則片底的形式，增加了邊緣的厚度，架空前掌心部位，但因片底不是完整的，其亦可跟隨前腳掌運(yùn)動(dòng)的彎曲而彎曲。

圖4 架空前掌心部位的造型圖

3）跖趾關(guān)節(jié)部位

跖趾關(guān)節(jié)位于足部的前方，由第一跖骨到第五跖骨與近節(jié)趾骨組成，跖趾關(guān)節(jié)部位在行走過(guò)程中承受頻繁的曲折，是外底折斷、斷線、開(kāi)膠的主要部位，要求具有一定的耐折強(qiáng)度、彈性和可塑性。

為防止鞋底跖趾關(guān)節(jié)發(fā)生開(kāi)膠現(xiàn)象，此部分的設(shè)計(jì)可采用以下三種方式進(jìn)行：

a）第一種如圖5 所示，在外底的側(cè)邊墻子部位采用“內(nèi)凹弧線的設(shè)計(jì)”，當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)腳背彎曲，鞋子跖趾關(guān)節(jié)部位擁有更大的活動(dòng)松量，與此同時(shí)跖趾關(guān)節(jié)邊緣A、B 點(diǎn)均高于C 點(diǎn)，可以提供很好地穩(wěn)定性，輔助跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

圖5 跖趾部位的內(nèi)凹弧線設(shè)計(jì)圖

b）第二種如圖6 所示，在鞋底跖趾關(guān)節(jié)側(cè)邊墻子上端采用外凸設(shè)計(jì)，但在下端采用“分割式的設(shè)計(jì)”，分割式的設(shè)計(jì)極大地增加了該部位的活動(dòng)性，進(jìn)一步避免了開(kāi)膠現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 跖趾部位的分割式設(shè)計(jì)圖

c）第三種如圖7 所示，在鞋底跖趾關(guān)節(jié)部位采用“補(bǔ)強(qiáng)式”的設(shè)計(jì)方法。補(bǔ)強(qiáng)式即加固式的設(shè)計(jì)，但如果采用補(bǔ)強(qiáng)式的方法時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)的材料要選擇相對(duì)較為柔軟、易于彎曲的材料，否則對(duì)于跖趾關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)，更加加重了此處的運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)。

圖7 跖趾部位的補(bǔ)強(qiáng)式設(shè)計(jì)圖

圖7 “Difference”異形鞋履設(shè)計(jì)效果圖

總之，在跖趾關(guān)節(jié)部位的設(shè)計(jì)，原則是應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)跖趾關(guān)節(jié)的保護(hù)，利于足部力學(xué)的傳導(dǎo)。

4）掌心四周

掌心四周一般是當(dāng)著地點(diǎn)即掌心部位被磨耗后，才開(kāi)始承受磨耗，如果有掌心部位的作用，掌心四周在材料、結(jié)構(gòu)、花紋等方面的要求是比較低的；但是近幾年市面上出現(xiàn)了將鞋底掌心四周的設(shè)計(jì)強(qiáng)化，從而替代掌心部位的設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

5）腰窩部位

該部位在鞋底結(jié)構(gòu)部分不與地面接觸，因此對(duì)于磨耗型、穩(wěn)定性等方面要求不高，僅需要滿足一定的外觀質(zhì)量。

6）鞋后跟部位

人體的腳后跟部位有跟骨支撐，跟骨具有支撐、運(yùn)動(dòng)等多項(xiàng)功能。當(dāng)人體靜止站立時(shí)，雙側(cè)足跟承擔(dān)超過(guò)70%的人體重量。當(dāng)人體在完成行走、跳躍等基本動(dòng)作時(shí)，腳后跟承受的重量將超過(guò)人體重量的兩倍甚至更多[12]。這種巨大的重量單靠跟骨的承重和支撐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要鞋子能夠提供相應(yīng)的保障，緩沖跟骨的壓力。因此，在運(yùn)動(dòng)時(shí)后跟部位鞋子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要具有一定的減震性能，防止腳在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受傷。

通常后跟的減震功能主要是依靠鞋底材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)安裝緩沖氣墊，當(dāng)穿著者起跳落地時(shí)，氣墊可以減緩巨大的沖擊力作用，給能量釋放一定的時(shí)間差。與此同時(shí)當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，安裝氣墊的鞋子，鞋后幫也會(huì)采用樹(shù)脂墊片加固后幫，增加此處的硬度要求，保障氣墊在發(fā)揮作用的時(shí)候，腳的側(cè)滑、側(cè)移在可控的范圍內(nèi)。除采用氣墊材料外，還可以通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)達(dá)到減震的目的。例如圖8 將有緩沖作用的人體骨架結(jié)構(gòu)提煉到鞋底的結(jié)構(gòu)造型上，將壓縮回彈的氣筒造型轉(zhuǎn)化到鞋后跟和鞋底部等方式。

圖8 后跟部位的結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)圖（設(shè)計(jì)師：林仲權(quán)、聶軍）

除了減震，鞋后跟部位對(duì)于耐磨性的要求也較高。在腳底人體重心位置是偏向外踝的，因此在后跟部位，相對(duì)而言外踝磨耗比內(nèi)踝嚴(yán)重。在運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)逐漸精細(xì)化的過(guò)程中，可通過(guò)在外踝使用耐磨度高于內(nèi)踝的材料解決。

4 結(jié)論

運(yùn)動(dòng)鞋鞋底是整款鞋核心技術(shù)的主要呈現(xiàn)載體，運(yùn)動(dòng)時(shí)鞋底各部位的受力存在較大差異，因此在形態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求也不盡相同。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：

1）運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的功能性主要集中在耐磨、防滑、減震、防穿刺、彎折性、穩(wěn)定性等，可通過(guò)鞋底材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

2）籃球鞋鞋底在前掌心、跖趾關(guān)節(jié)和鞋后跟部位性能要求相較于其他部位較高，常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視以上部位。但也可以采用逆向思維，將掌心四周的設(shè)計(jì)強(qiáng)化，從而替代掌心部位的作用。

根據(jù)以上研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)鞋鞋底設(shè)計(jì)不能一概論之，需要根據(jù)受力進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。建議在運(yùn)動(dòng)鞋鞋底設(shè)計(jì)和研發(fā)時(shí)應(yīng)充分考慮到人體運(yùn)動(dòng)的因素，真正達(dá)到運(yùn)動(dòng)鞋保護(hù)人體和腳部的目的。