网球鞋鞋底结构与功能的生物力学研究.docx

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网球鞋鞋底结构与功能的生物力学研究

网球鞋鞋底结构与功能的生物力学研究

摘要：

本研究运用PK-227A止滑试验机测试三种不同鞋底花纹设计的止滑性；并试图通过称取鞋底磨耗质量以判定三种网球鞋鞋底的耐磨性；运用MegaME60008通道肌电仪，分别对6名男性穿三种不同网球鞋时的下肢主要肌肉做功测量和分析，试图通过实验研究并结合理论分析，对网球鞋的能量回归实际功效给予评价，并探讨网球鞋能量回归的影响因素，从而为网球鞋的能量回归设计提供生物力学依据。

关键词：

网球鞋鞋底止滑性能量回归肌电

1网球鞋鞋底的研发要点

运动鞋鞋底结构一般包括外底和中底，外底的功能一是保护脚底，使其不受地面利物的损伤；二是起到制动、防滑等多种作用来满足不同项目的特定要求。

常用的运动鞋外底材料有全（橡）胶、全塑（料）、橡塑并用及聚氨酯等。

中底主要的作用是减震、存储能量以及能量的返还。

网球鞋鞋底除了具有一般运动鞋底的功能外，还应有自己的独特性能，主要表现在底部件的设计上。

从网球运动特性可知，网球鞋外底前掌是主要受力部位，应有很好的制动效果，其外底花纹在左右和前后方向要有较强的抗滑移能力，后跟部位也要有必要的防滑效果，以避免运动中的重心不稳，影响运动成绩，达不到运动保护的目的。

另外，网球运动过程中有较多的迅速止滑运动，鞋外底花纹与地面摩擦后，纹峰易磨损，摩擦系数降低，止滑性减弱。

因此，耐磨也就成了防滑的前提。

要求鞋底前掌外侧和后跟部位耐磨性好。

另外，在侧身击球时，要求鞋具有良好的翻转控制功能。

从功能方面，由于网球运动场地大，运动员跑动距离长，在一场比赛中需要3~400次的能量释放，特别是运动员从静止状态或制动后的爆发式启动，更需要运动员满负荷的能量释放。

所以，专业网球鞋的弹性、即能量回归的功能显得尤为重要，运动鞋释放出的反作用力能为穿用者节省更多的体力。

另外，高强度的步法移动和跳跃势必给运动员膝、踝关节带来冲击，要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。

因此，网球鞋的减震功能也是设计者必须考虑的。

鞋的质量大小亦对运动成绩产生影响。

鞋是人体本身以外的附加体,鞋的质量越大,在运动全过程中消耗的能量累积效应也越大。

假设跑动的距离为s,每只鞋的质量为m,则人体在每只跑鞋上所消耗的能量约为1.5mgs（J）。

这表明随着距离的增大,其能量积累效应也将越来越明显[1]。

鞋子每增加0.1kg质量,人体需要多消耗约1%的能量[2]。

由于网球运动强度大，运动员体能消耗较大，要求尽量减少体重外的负荷，鞋成了主要考虑因素，要在确保牢固的前提下减小鞋底及整鞋的重量。

网球运动中足部有一定的屈挠和弯曲，是网球鞋的底部件易达到疲劳极限，易在外表层产生细小裂纹，最终导致底部断裂，所以网球鞋的耐屈挠性很重要。

网球鞋前跷较低的设计，可使人体具有较好的稳定性。

网球鞋鞋底的总体设计要求是耐磨、耐屈挠、止滑性、减震性、弹性好，稳定性好，质轻。

而防滑性和弹性（能量回归）是对专业网球鞋鞋底最重要、最基本的性能要求，也是本研究从生物力学角度所要探讨的问题。

2实验研究

2.1大底止滑性实验

2.1.1实验原理

运动鞋的止滑性能是指在人运动过程中鞋底的防滑性，其值可以用鞋底与运动场地面的动摩擦系数和静摩擦系数的大小来表示，摩擦系数越大，止滑性能越好。

因此在研究鞋底止滑性能的大小时，采取的方法一般都是利用各种摩擦力测试仪测量实验鞋底在定的垂直压力下，以一定的速度在实验路面上滑动时所产生的摩擦力，用测得的摩擦力除以垂直压力就是摩擦系数值。

如前所述，鞋底止滑性能的影响因素非常多，并且各因素之间的关系复杂，这不仅影响了实验结果的准确度，还增加了实验结果分析的难度。

为了尽量减少实验误差和不同因素的干扰，提高实验结果的置信度，本实验固定了其它的实验条件和因素（止滑测试仪的行程，滑动速度，法向载荷等，如下所述）。

2.1.2实验目的

止滑性能是网球鞋的重要指标，而耐磨性是止滑性的前提。

本实验通过测试三双实验用鞋的静摩擦力、动摩擦力及相同条件下的鞋底磨损情况，从而评价采用不同花纹和材料组合对鞋底的止滑性及耐磨性的影响。

2.1.3实验内容

运用电脑式鞋子止滑试验机两次对鸿星尔克“灵足”网球鞋、NIKEAIRCOURT网球鞋、ADIDASBARRICADE网球鞋进行止滑性试验。

并通过鞋底磨耗质量，判定鞋底耐磨性。

2.1.4实验仪器和设备

PK-227A电脑式鞋子止滑试验机、电子天平。

2.1.5实验过程

测试实验用鞋在表面光滑的干态混凝土表面上的静摩擦力和动摩擦力。

在测试前后分别称单只鞋重，取平均值。

2.1.6法向载荷的选定

同样，在已经选定的速度和行程两个水平的基础上，选取负载为10kg、20kg、30kg三个水平进行测试。

测试结果表明，法向载荷为30kg时，摩擦系数折线的曲率最平稳，因此选定30kg为本实验的法向载荷。

2.1.7滑动速度和摩擦行程的选定

本实验所用止滑仪的最大速度为290mm／min，为了使实验外其他方面因素的影响程度降低，选取了几个速度进行测试，选择测试数据重现性好的速度值作为正式实验条件。

与行程的测定方法相同，在已经选定的行程（250mm）和相同的负载（30kg）下，选取290mm／min，280mm／min，260mm／min，195mm／min，135mm／min五个水平进行实验和分析。

滑行速度为290mm／min时摩擦系数折线的曲率最平稳，因此本实验最后选取的速度为290mm／min。

室温条件下，选取以速度290mm／min，负载30kg的鞋底在干态混凝土表面上进行实验，行程分为100mm、150mrn、200mm、250mm四个水平，每个水平进行3次，根据实验所得数据和图形，选择数据重现性较好和摩擦系数曲率比较平稳的行程水平作为正式实验的行程。

实验行程为100mrn和250mm时，折线曲率比较平稳。

但因行程为100mm时摩擦力仍然在增大，没有达到稳定平稳的状态，因此本次实验行程选择了250mrn。

2.1.8实验结果

上表显示，三双网球鞋中蹬伸效果最好的是鸿星尔克，其次是阿迪，耐克最差；鞋底止滑性最好的是阿迪、鸿星尔克次之、耐克最差。

但三种网球鞋鞋底蹬伸效果和止滑性均不存在显著差异。

上表显示，耐克网球鞋底耐磨性最好，阿迪次之，鸿星尔克最差；且耐克和阿迪之间不存在显著差异。

2.2中底能量回归之实验肌电实验（肌肉工作状态）

2.2.1实验目的

网球鞋能量回归的目的是减少身体能量消耗，而肌电能够通过对肌肉活动的监测来评价肌肉做功和能量消耗，因而本研究希望通过表面肌电来研究和分析穿不同鞋时的肌肉做功,进而研究运动鞋的能量回归功效，为网球鞋能量回归设计提供参考。

2.2.2实验内容

运用芬兰MegaME60008通道肌电仪，对6名青少年男性大学生分别穿着鸿星尔克“灵足”网球鞋、NIKEAIRCOURT网球鞋、ADIDASBARRICADE网球鞋，在网球场底线中点处开始，交替以交叉步跑向两个单打场地底角，并迅速将各点的球拿回底线中点处，同时采集左右下肢各4块不同肌肉做功的平均数据。

对平均数据的各通道做功与负荷以及下肢肌肉总做功进行分析，比较3款不同网球鞋之间的差异。

2.2.3实验对象

（1）实验受试者

　体育学院男生6名，身体健康，无临床病史，足部形态功能正常，无足病和运动性障碍，经过技术培训并经过预实验，动作稳定性好、测量数据可靠性高。

（2）实验用鞋购置于大型百货商店品牌特许零售商专柜。

2.2.5测试肌肉筛选及其依据

测试肌肉为下肢左右各4块肌肉，分别为：

腓肠肌内侧头、胫骨前肌、股四头肌和股二头肌。

测试肌肉的选择基于一定的标准。

首先这4块肌肉连接了下肢髋、膝、踝三个关节，是文献中广为采用的，这些肌肉也是下肢运动中主要做功肌肉。

其次腓肠肌能屈踝关节和屈膝关节，在站立时，能固定踝关节和膝关节，以防止身体向前倾斜；胫骨前肌可使足内翻；股四头肌是全身体积最大的肌肉，是膝关节强有力的伸肌，还有屈大腿的作用；股二头肌可以屈膝关节，伸大腿。

2.2.8实验过程

在受试者测试肌肉表面贴上电极片，连接肌电仪，随机着三款不同的网球鞋在在网球场底线中点处开始，交替以交叉步跑向单打场地两个底角，并迅速将拿回底线中点处,每次拿一球，并以节拍器控制时间，5秒内完成一次往返跑。

每次实验间隔15分钟，让被试充分休息。

2.2.8表面肌电信号的采集

利用芬兰MegaME60008通道肌电采集盒，用记录模式分别采集穿3款不同网球鞋时的SEMG信号,信号的采样频率为1000Hz,采样时间35秒，肌电信号采集采用双电极引导法。

2.2.9肌电图的分析处理

取运动开始稳定后连续一分钟的肌电图进行分析处理。

取平均数据的各通道做功、总做功两项指标。

结合SPSS12.0统计软件包对数据进行多元统计分析。

显著性水平P<0.05（*）,P<0.01（**）。

2.2.10实验结果

（1）下肢各通道肌肉做功分析

上表显示：

T检验统计量对应的双尾概率P>0.05，说明差异不显著。

（2）下肢肌肉总做功分析

上表显示：

在稳定慢跑连续一分钟的肌肉总做功上，穿鸿星尔克网球鞋时的平均做功为364035.4（uVs），穿耐克网球鞋时平均做功为345337.0（uVs）,穿阿迪达斯网球鞋时的平均做功为342409.0（uVs）。

穿耐克和阿迪达斯网球鞋时下肢肌肉总做功有显著线性相关，相关系数高达0.975，且概率p〈0.01。

T检验统计量对应的双尾概率P>0.05，认为穿三双网球鞋时下肢总做功不存在显著差异。

3实验分析与结论

3.1鞋底止滑性实验

3.1.1鞋底止滑性：

前掌静摩擦力从大到小依次为鸿星尔克、阿迪、耐克，动摩擦力从大到小依次为阿迪、鸿星尔克、耐克。

虽无显著差异，却据因此判定鸿星尔克的独特底纹设计具备良好的止滑性。

3.1.2鞋底耐磨性：

鸿星尔克网球鞋鞋底磨耗质量远大于其他两双网球鞋，原因与特殊底纹增大了与地面的摩擦接触面以及大底材料选择有关。

3.2肌肉工作状态

3.2.1下肢肌肉总做功:

其平均值从小到大依次为阿迪、耐克、鸿星尔克。

从肌肉做功指标分析，阿迪能量网球鞋可以更好地减少能耗，可以认为有一定的能量回归功效，但比较其它两款运动鞋而言，这种差异并不显著。

3.2.2下肢肌肉总做功的相关系数及检验：

阿迪和耐克相关系数较高。

结合平均值，说明在肌肉做功上阿迪和耐克相近。

因此阿迪达斯和耐克在减少能量消耗的功能上比鸿星尔克稍好，但差异不显著。

3.2.3下肢各通道肌肉做功：

穿耐克网球鞋时通道1做功差异显著，其它各通道做功差异不显著。

说明下肢各通道肌肉做功差异不显著。

4网球鞋设计的生物力学建议

4.1提高鞋与足系统的整合性。

鞋足系统的整合性对能量回归率有很大的影响，在网球鞋能量回归设计时，结合鞋楦和鞋底结构设计，使鞋足系统达到高度整合，提高运动鞋能量回归率。

4.2能量存储释放周期与步态的一致性。

网球鞋能量回归设计时，把能量回归系统结构的能量存储与释放周期与不同运动项目的步频和步态周期相结合，使得能量回归与步态协调一致，实现真正意义上的能量回归。

4.3减轻运动鞋自身重量。

网球鞋能量回归设计时，在不改变能量回归结构性能的前提条件下，尽量使用轻质材料，去除多余设计以减轻运动鞋质量。

4.4鞋底设计建议

　A．1和5硬度小，耐磨，减震性好。

　B．2弹性好，防滑移性能好。

　C．3翻转控制性能好。

参考文献

[1]潘慧炬.力学原理与跑鞋创新设计[J].北京体育大学学报,2001.1

[2]单海涛.跑鞋能量特性的理论探讨[J].天津体育学院学报,2002.4