运动鞋摩擦特性的生物力学分析

2014-11-20汪敏加

成都体育学院学报 2014年4期

汪敏加

(1.北京体育大学，北京 100084;2.成都体育学院，四川成都 610041)

运动鞋的摩擦特性是重要的保护性能指标之一［1］。为改良鞋子的保护功能，提高鞋的品质，降低由于滑倒或者摩擦不足造成的损伤，消费者和鞋子生产商都越来越关注提高鞋底的防滑性［5］。目前，对运动鞋性能评估的相关研究较少，而现有的评估鞋质量的国家检测标准则仅仅局限于鞋子的耐折性能、粘合强度、剥离强度以及耐磨性能等方面［2，4］，而这些指标只是对于鞋子的耐穿和结实程度进行评价，没有包含保护性能的相关指标。然而不论是日常健身还是专项训练，运动鞋的保护性能是至关重要的，尤其是对于专业运动员来说，如何预防劳损是一个长久的研究方向［3，4］。步行和跑步动作是日常生活、日常全民健身以及几乎大部分运动专项都包含的最普遍的运动形式。

受上述现状的启发:本研究选取市面上在售的同一品牌、不同功能的运动鞋与不同的运动表面材料(塑胶、木板、人造草皮，测力台的刚性表面)进行组合。要求受试者穿着不同款式的运动鞋在4种表面上完成步行和跑步动作，通过测力台搜集的数据来分析不同运动鞋在不同运动表面的摩擦特征，进而对运动鞋摩擦性能进行评估，以寻求测定不同运动鞋—表面摩擦特性的人体测试方法，希望为鞋的制造商提供评估测量运动鞋摩擦特性的方法参考，同时为将来针对专项化和个性化的运动鞋定制提供参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取30名北京体育大学不同专业的学生，平均年龄为22岁，其中男、女生比例为19:11。受试者无下肢损伤史，平均体重为63.56±11.06千克。其中有训练专项的学生6人、无训练专项的学生24人。基本情况见表1:

表1 研究对象基本情况

1.2 实验方法

1.2.1 实验设备

使用Kistler3D测力台，采集测试数据。将不同的运动鞋和作用表面的进行组合，要求受试者完成不同的动作，以获得不同组合下时的摩擦系数、对应的时间以及速度等指标，测试的抽样频率为1 000Hz。获取行走和跑步时的摩擦特性数据。

5款同一品牌不同功能的运动鞋，鞋底均由橡胶大底与EVA材料组成，由不同的比列和花纹组成，A款为健步走鞋、B款为马拉松跑鞋、C款为慢跑鞋、D款为综合训练鞋、E款为太极鞋。每一款运动鞋有5个号码(37，38，40，41，42)，适合不同脚大小的受试者。一共进行测试的共有25双鞋。

4种作用表面的材质分别为刚性(测力台表面)、塑胶、木板和人造草皮。其中刚性表面即测力台自身的表面，其他材质的表面分别选用田径场的塑胶表面、室内篮球场馆的木质地板以及足球场的人造草皮表面，裁成与测力台表面相等面积的大小，测试时粘贴在测力台表面，每次更换一种测试表面，测力台就进行一次调零和校正。

1.2.2 动作的完成

步行:以正常的步行速度沿测力台Y轴方向通过。

跑步动作:以慢跑的速度沿测力台Y轴方向通过。

每个动作完成两次，避免因为测试紧张或者不适应测力台的受试者出现动作的异常。

1.2.3 符号说明

单支撑过程:足部从与测力台最初接触到离开的整个过程。

(1)摩擦系数(Coefficient of Friction)。

本实验将受试者完成步行或跑步的前进方向设置为测力台的y轴正方向。因为足部在着地阶段和蹬伸阶段，二者在y轴上的作用力是相反的。因此。着地阶段获得的摩擦系数值是负值，蹬伸阶段获得的摩擦系数值为正值。且在一个单支撑过程中，摩擦系数的绝对值表现出先由大变小而后再变大的特点，摩擦系数的变化呈现“S”形曲线，即着地瞬间和离地瞬间均出现一个摩擦系数的峰值，一正一负。

|CoF|=f/N(f是摩擦力，N是垂直于作用表面的压力)，通过EXCEL软件计算整个动作过程各个时间点的合摩擦系数值以及前进方向上的摩擦系数。

①|CoFxy|m:水平面上的最大合摩擦系数，无单位。

②|CoFy|m:动作前后方向上的最大摩擦系数的绝对值，无单位;

③|CoFy1|:单支撑过程，动作前进方向上出现的第一个摩擦系数峰值的绝对值，即着地瞬间摩擦系数的峰值的绝对值，无单位;

④|CoFy2|:单支撑过程，动作前进方向上出现的第二个摩擦系数峰值的绝对值，即离地瞬间的摩擦系数的峰值的绝对值，无单位;

(2)时间。

①t:步行和跑步动作的一个单支撑过程的持续时间或转身动作中，足部和测力台接触的时间段:

注:t1是动作的开始时间点，即足与测力台最初接触的时间点，t2是动作的结束时间点，即足离开测力台的瞬间。

②Txy:|CoFxy|m出现的时间比值，可反映|CoFxy|m出现的早晚。

注:其中txy表示出现|CoFxy|m|的时间点，t1是单支撑的起始时间点。

注:其中ty1，ty2分别表示出现|CoFy1|和|CoFy2|的时间点，t1是单支撑的起始时间点。

1.2.4 测试指标

(1)t:一个单支撑过程持续的时间;

(2)|CoFxy|m:水平面上的最大合摩擦系数;|Co-Fy|m:在动作前进方向上的最大摩擦系数;

(3)|CoFy1|:在动作前进方向上，着地瞬间的摩擦系数峰值;|CoFy2|:在动作前进方向上，离地瞬间的摩擦系数峰值;

(4)Txy:出现|CoFxy|m的时间点占整个t的时间比值;

(5)Ty1、Ty2:|CoFy1|和|CoFy2|出现时间占整个t的时间比值。

1.2.5 数据处理

全部数据采用所有受试者的平均数表示，各指标采用SPSS 11.0统计软件包进行分析，并对数据结果进行配对T检验分析，P＜0.05表示有显著性差异，P＜0.01表示有非常显著性差异。

2 结果和分析

在步行和跑步的单支撑过程中，摩擦系数均呈现“S”形曲线，出现两个峰值:在着地瞬间出现第一个峰值|CoFy1|，在离地瞬间出现第二个峰值|CoFy2|。

2.1 作用表面和运动鞋测试结果的综合比较

2.1.1 步行

表2 穿着五款运动鞋在四个作用表面上步行的|CoFy1|值

从表2可以了解，E鞋在各个表面的|CoFy1|值都与平均值之间表现出显著性(p＜0.05)或非常显著性差异(p＜0.01);除了E鞋和C鞋以外，A、B、C鞋的|CoFy1|值变化都较为一致，即人造草皮和塑胶表面大于4个运动表面的平均值，而刚性表面和木板则低于4个运动表面的平均值。

步行时，|CoFy1|的范围是 0.217-0.279，|CoFy1|最大值的出现是B鞋与人造草皮，最小值是B鞋与木板。

由此可见由于作用表面不同造成步行时|CoFy1|差异大于运动鞋。

表3 穿着5款运动鞋在4个表面上的步行的|CoFy|m(|CoFy2|)值

步行时，|CoFy2|的数值范围是0.406—0.589，其中最大值出现在C鞋和塑胶表面的组合中，最小的是A鞋与刚性表面、E鞋与木板。

因此可见造成的步行时|CoFy2|值的差异，表面的影响大于样鞋。

表3是步行时5款鞋和4个不同表面组合下的|CoFy2|值的综合结果，即步行时最大摩擦系数的分布情况，这个结果这对分析样鞋摩擦的特性更具有代表性意义。

2.1.2 跑步动作

田径项目尤其是要求速度的短跑，运动员在起跑时出现打滑摔倒的情况较为常见。这是因为为了以最快的速度启动，运动员会用力蹬地，此时需要地面提供足够的反作用力来使身体获得充分的前进方向的加速度。如果此时运动鞋与比赛场地之间的摩擦系数过小，蹬地时无法提供充分的摩擦力，就很可能出现滑倒的情况。在实验中的跑步动作，是同样的原理，因此蹬地瞬间，产生了整个跑步过程中的最大摩擦系数。如果运动场地和运动鞋之间产生的摩擦力不能满足跑步起跑时的要求，就可能出现打滑或者滑倒的情况。

表4 穿着5款运动鞋在4个表面上的跑步动作的|CoFy|m(|CoFy2|)

跑步动作中，|CoFy2|的数值范围是0.377-1.119，最大值是B鞋与人造草皮，最小值是A鞋与木板。

因此可以发现由于不同的运动方式，|CoFy2|的值区别很大。

表4将5款运动鞋在4个作用表面上的跑步时的|CoFy2|值的结果，即跑步时摩擦系数最大值的分布情况进行综合分析。这对分析运动鞋的摩擦特性具有典型的说明意义。

3 分析和讨论

3.1 步行

综合5款样鞋在4个作用表面上的步行时|CoFy|值的变化和分布规律，可以发现:

(1)一般运动鞋在塑胶场地、草地、木地板以及刚性表面的在前进方向上摩擦系数峰值的特点可以通过A、B、D三款样鞋来有效反映其典型的表现;数据说明运动场地相比鞋子而言对摩擦特性的影响更大。

(2)A、B、D鞋在不同运动表面上的附着摩擦力均为D鞋＞B鞋＞A鞋，说明他，它们的防滑性能为均表现为D鞋优于B鞋，B鞋优于A鞋。即不论在何种运动场地进行行走或者跑步，三款鞋中D鞋都具有更好的防滑保护性能，可以更有效地降低由于滑倒摔伤的风险。

(3)除了人造草皮以外，C鞋在动作前进方向上的离地瞬间的摩擦系数峰值都比A、B、D鞋大，这说明在塑胶场地、木地板以及刚性表面上C鞋的防滑性能比A、B、D鞋更佳;且C鞋在塑胶表面和木板在动作前进方向上的离地瞬间的摩擦系数峰值在5双鞋中最高，这说明C鞋在塑胶场地和木板上行走时，能产生最佳的保护性。

(4)在刚性表面上步行时，E鞋比其他4款运动鞋都高，E鞋的摩擦系数高达0.553，因此各款运动鞋中，E鞋可以为在刚性表面进行步行提供做好的保护和防滑性能。

(5)E鞋的|CoFy1|值曲线与其他样鞋区别很大，分析是由于不同鞋的结构、材料以及制作工艺造成了这种差异。

3.2 跑步动作

综合5款运动鞋在4个运动表面材料上的跑步时在前进方向上摩擦系数峰值值的变化和分布规律，可以得知:

(1)虽然运动鞋和运动表面的组合相同，但是运动形式不同，实验结果差别也很大。步行和跑步时前进方向上的最大摩擦系数值的变化和分布规律有很大的区别，说明摩擦特性受运动形式影响很大，在分析不同运动鞋和运动表面组合下的摩擦特性时，考虑不同的运动形式带来的影响可以让分析更全面。

(3)D鞋在刚性表面和塑胶表面的|CoFy2|值是5款运动鞋中的最大值，这说明在刚性表面和塑胶表面跑步时，D鞋比其他运动鞋的防滑性都更好，更适合用于跑步塑胶场地;而E鞋在木板和人造草皮跑步时的|CoFy2|值是均大于A、B、C、D鞋，这说明E鞋能在篮球馆的木板地面和人造草皮场地的防滑性能更佳，能够最有效地减少滑倒发生的风险。

(4)多款运动鞋出现步行时能提供充分摩擦系数，但是在同一平面上慢跑时不能提供足够的摩擦，说明鞋底摩擦的设计应充分考虑运动形式和专项。

(5)由此引发的思考:不同的专项，甚至同一专项运动在不同的场地(如红土网球场地和塑胶网球场)都应在设计时考虑专项个性化。以最适合的场地和项目运动来合理设计鞋底摩擦性能，提供安全防滑倒的功能，同时摩擦系数在适宜的范围内，避免出现摩擦系数过大反而出现引起运动损伤的可能。