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网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究 中文摘要 网球运动特点要求网球鞋大底具备止滑性能，中底具备能量回归性能。本研 究运用p k 2 2 7 a 止滑试验机测试三种不同网球鞋的止滑性，以评价不同鞋底花纹 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m e g am e 6 0 0 08 通道肌电仪和e m e d 测力平板，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、鞋地界面间的力学参数进行测量和分析，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。 止滑性试验发现，三种鞋大底止滑性无显著差异，鸿星尔克“灵足”网球鞋的细 密底纹亦属二方连续花纹，在硬地网球场表面有良好的止滑效果，但是其大底耐 磨性有待提高，鞋头脚趾部分应采用更耐磨的材料。 肌电实验发现，穿三款网球鞋做交叉步往返跑时，下肢肌肉总做功a d i d a s b a r r i c a d e 网球鞋做功最少，其次是n i k ea i rc o u r t 网球鞋，然后是鸿星 尔克“灵足”网球鞋。间接证明a d i d a sb a r r i c a d e 网球鞋能在网球运动中较好 的实现能量回归。 测力板实验发现，。从冲量值看，足弓部悬空设计能够在一定程度上减少足弓 区域的冲量，比足弓部无悬空鞋底设计要好。 本研究结果显示：着鞋者能量消耗的减少，可以用来间接评价运动鞋的能量 回归功效，从本实验所测得的网球鞋的肌肉做功指标分析，a d i d a s b a r r i c a d e 网球鞋前掌的a d i p r e n e 技术可以更好地减少网球运动中的能耗， 但比较其它两款网球鞋而言，这种差异并不显著。 关键词：网球鞋鞋底，止滑性，能量回归，肌电，测力板 作者：陈福华 指导教师：陆阿明 b i o l o g i c a lm e c h a n i c sr e s e a r c ho nt e n n i ss h o e s s o l es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e a b s t r a c t b i o l o g i c a lm e c h a n i c sr e s e a r c h o nt e n n i ss h o e s s o l e s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e a b s t r a c t t h et e n n i sm o v e m e n tc h a r a c t e rr e q u e s tt h a tt h eb i gb o a o mo ft e n n i ss h o e sh a ss t o p t h es l i p p e r yp e r f o r m a n c ea n dt h em i d d l eo fb o t t o mh a st h ee n e r g yr e t u r np e r f o r m a n c e t h er e s e a r c ht e s t st h es t o p p i n gs l i d e so ft h r e ed i f f e r e n tt e n n i ss h o e sb ym e a n so f s t o p p i n gs l i p p e r yt e s t i n gm a c h i n e ，p k - 2 2 7 a ，t oa p p r a i s et h ed i f f e r e n ts h o es o l ep a r e m d e s i g nt os t o ps l i d e s ；a n di ta t t e m p t st od e t e r m i n et h r e et e n n i ss h o e s s o l e sr e s i s t a n c e t ow e a rt h r o u g ht h ew e i g h tt ot a k et h es h o es o l ea b r a s i o nq u a l i t y b yw a y so fc h a n n e l m y o - e l e c t r i ca p p a r a t u s e so fm e g am e 6 0 0 08a n de m e dm e a s u r i n gs t r e n g t hp l a t e ，i t s e p a r a t e l ya c t s6m a l el o w e rl i m bc h i e fm u s c l e sw i t ht h r e ed i f f e r e n tt e n n i ss h o e s ， s u r v e y sa n da n a l y e sm e c h a n i c sp a r a m e t e rb e t w e e nt h es h o e s - c o n t a c ts u r f a c e t h e a u t h o rt r yt og i v et h ea p p r a i s a lt ot h et e n n i ss h o e s e n e r g yr e t u r na c t u a l e f f i c i e n c y t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h e nd i s c u s s e st h e i n f l u e n c i n gf a c t & o ft h et e n n i ss h o e se n e r g yr e t u r n , t h u st op r o v i d et h eb i o l o g i c a l m e c h a n i c sb a s i sf o rt h et e n n i ss h o e s e n e r g yr e t u r nd e s i g n t h es t o p p i n gs l i d e se x p e r i m e n td i s c o v e r st h a tt h es t o p p i n gs l i d eo ft h r e ek i n do f s h o e s b i gb o t t o m si sn o tr e m a r k a b l ed i f f e r e n c e h x e kt e n n i ss h o e s a r m o rs h a d i n ga r e a l s ot w os i d ec o n t i n u a lp a t t e r n s i th a sg o o de f f e c to nm o p p i n gs l i p p e r yi nt h es o l i d t e n n i sc o u r ts u r f a c e b u ti t sb i gb o a o mr e s i s t a n c et ow e a l n e e dt ob ei m p r o v e da n dt h e s h o e s t o ep a r ts h o u l du s em o r ew e a r - r e s i s t i n gm a t e r i a l t h em y o - e l e c t r i c i t ye x p e r i m e n td i s c o v e r e dt h a tt h el o w e rl i m bm u s c l ea c t i n gt o t a l i st h el e a s tt o t h ep e r s o n sw i t ha d i d a sb a r r i c a d et e n n i ss h o e s ，n e x ti sn i k ea i r c o u r tt e n n i ss h o e s ，t h e ni s s p 硫f o o t t h et e n n i ss h o e so fh x e k w h e n t h e y m a k e sc r o s s - s t e pr o u n d t r i pr a i lw i t ho nt h r e ek i n d so ft e n n i ss h o e s t h e s ei n d i r e c t l y p r o v ea d i d a sb a r r i c a d e t e n n i ss h o e sc a nr e a l i z et h ee n e r g yr e t u r nw e l li nt h e t e n n i sm o v e m e n t b i o l o g i c a lm e c h a n i c sr e s e a r c ho nt e n n i ss h o e s s o l es l r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea b s t r a c t s t r e n g t hb o a r dm e a s u r e de x p e r i m e n td i s c o v e r e dt h a tt h eh a n g i n gd e s i g no ft h ef o o t b o w d e p a r t m e n t ，c a l lr e d u c et h ei m p u l s eo ft h ef o o tb o wr e g i o nt oac e r t a i ne x t e n tf r o m t h ei m p u l s ev a l u e i ti sb e t t e rt h a nn oh a n g i n gs h o es o l e d e s i g no ft h ef u l lb o w d e p a r t m e n t t h ef i n d i n g ss h o w e d ：t h ep e r s o n sw i hs h o e sr e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ， m a yu s ef o rt oa p p r a i s ea t h l e t i cs h o e s e n e r g yr e t u r ne f f e c ti n d i r e c t l y , o b t a i n st h et e n n i s s h o e s m u s c l ea c t i n gt a r g e ta n a l y s i sf r o mt h i se x p e r i m e n t a d i p r e n et e c h n o l o g yo f a d i d a st h eb a r r i c a d et e n n i s s h o e s p a l mm a yw e l lt r e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o ni nt h et e n n i sm o v e m e n t b u t c o m p a r i n go t h e rt w os e c t i o no ft e n n i ss h o e s ， t h i sk i n do fd i f f e f e n c ei sn o tr e m a r k a b l e k e yw o r d s ：t e n n i ss h o e s s o l e ，s t o p p i n gs l i d e ，e n e r g yr e t u r n ，m y o e l e c t r i c i t y , t h e s t r e n g t hb o a r dm e a s u r e d w r i t t e nb y c h e n g f u h u a s u p e r v i s e db y l u a m i n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 蜇塞垫牟日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：驾垦2 宣幽 期：之竺孕堑仝丛! 哆 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究1 前言 - - j 上- l - 1 刖吾 1 1 问题的提出 进入新千年，网球运动在我国快速发展，它以其无比的魅力赢得越来越多的 爱好者。网球运动是一项全身运动项目，具有运动量大、运动过程复杂的特点。 随着器材的改革，尤其是球拍的改进，网球向着力量、速度型方向发展，球员需 要更加灵活、迅捷的脚步移动。网球界流行的一句话_ 网球是用脚来打的”足以 说明步法移动在网球运动中的重要性。而快速起动，急停急转，踮足转体，凌空 腾跃等这些变化丰富的步法无一不需要借助专业网球鞋来完成。专业化程度高的 网球鞋，不仅能提高运动表现，还可以有效避免运动中的足部伤害。网球鞋鞋底 是整鞋中最具科技含量的部分，防滑性和弹性( 能量回归) 是对其最重要、最基 本的性能要求，也是网球鞋鞋底功能设计研究的核心。 运动生物力学作为- 1 2 研究人体运动力学规律的科学，在鞋类的研究领域主 要研究的是人体的步态以及足部的受力。因为不同类型的运动鞋具体的性能要求 又各不相同，所以在各种运动鞋的研发中，必须结合项目特点进行运动鞋的生物 力学研究。各运动鞋制造业的巨头纷纷创建或与高校科研机构合作创建生物力学 实验室，配置各种模拟的运动功能检测装备，基于足的机能解剖学和运动医学， 并结合运动中“足一鞋”和“鞋地”系统的运动学和动力学问题，提出符合运动生物 力学原理的结构设计，不少成果已被运用于运动鞋的生产实践中。 我国本土运动品牌“鸿星尔克”选择了网球运动作为科技运动装备的切入点，重 点通过网球运动力学的研究，在网球鞋中导入科技创新。2 0 0 4 年至今，“鸿星尔 克”网球鞋长期占据“中国最受欢迎网球鞋”前三甲，比肩世界知名品牌耐克、阿迪 达斯【l 】。除了价格优势和可靠的质量以外，“鸿星尔克”网球鞋鞋底的专项性能表现 为其赢得了众多消费者。但是，由于商业秘密缘故，运动鞋的科学研究均处于保 密状态。本研究从网球技术动作特点角度出发，结合当前运动鞋的生物力学相关 研究，采用止滑试验机、肌电仪和测力板实验比较鸿星尔克0 8 新款“灵足”网球鞋 与世界顶级网球鞋之间鞋底结构和性能的差异，为网球鞋的生产设计提出建议， 同时为网球爱好者选购专业网球鞋提供依据。 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究l 前言 1 2 文献综述 1 2 1 网球运动及其鞋的作用 1 2 1 1 网球运动步法特性分析 网球是在连续跑位过程中进行的运动，每个来球都带着不同的速度、旋转和 方向【1 1 。因此网球运动要求运动员具备敏捷的、加速奔跑爆发力下的、左右前后变 向的跑动能力。 网球运动的步法多为横向移动，其中具有代表性的是交叉步：用于两侧边线 附近的来球的横向移动步法。如向右移动时，向右转体，左脚先向右前方跨出， 交叉于右脚外侧前方，再跨出右脚，继续跨出左脚于右脚外侧，反复向右交叉移 动就是右交叉步步法。交叉步法中，交叉脚向前跨出时，都是前脚掌外侧先着地， 然后过渡到整个前脚掌，最后是前脚掌内侧蹬离地面。而采用并步时脚掌大部分 不离开地面，同样用于侧向移动，只是距离更短，对处理一两步以内的球非常有 效。 滑步常用于前后移动不太远的正反手击球。向前斜跨步用于两侧的跑动，对 于跑动的正手和高压等需要向后引拍的场合尤为重要。而向后斜跨步用于应付更 深的来球，在削球中也经常用到。调整步( 碎步) 用于在大致准确的区域内做平 衡感和位置的微调，与恰当的引拍准备相结合。 网球运动中经常需要各种方式的快速启动，爆发式的提高速度。比如回撤步 启动：从静止的准备姿势或分腿垫步开始，向左移动时，身体重心迅速向左倒， 左脚收回至身体正下方，同时脚尖引导身体左转，再向前跨出右脚，以小步幅、 快频率的步法完成启动。向整个过程需要运动员一直以前脚掌着地，近似于百米 起跑动作，需要鞋底前掌有很好的蹬伸效果。 网球运动中，身体重心制动动作很多，需要在快速移动的状态下立刻使脚步 停下来，并获得足部稳定的支撑，进而向不同的方向启动。制动的最后一步需要 前脚掌外侧制动，重心放在前脚上，后脚跟垫在后，保持身体重心不要惯性向前， 随后后脚可以稍向前脚收拢分担身体重心。 1 2 1 2 网球运动场地 网球运动能发展到今天这般精彩纷呈，场地器材方面的改良和创新是一个重 要的推动因素。在欣赏一场比赛或者欣赏一名球员的表演时，网球场总是充当着“大 舞台、大背景”的角色，球场的环境、设施，地表的颜色、质地等等，球员与它们 2 月球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究 i 前言 霉、妒矿 图1 _ l 网球鞋鞋底磨损实例 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究 l 前言 从功能方面，由于网球运动场地大，运动员跑动距离长，在场比赛中需要 3 0 0 - - 4 0 0 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 5 m g s ( 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 2 1 。鞋子每增加o 1 k g 质量，人体需 要多消耗约1 的能量1 3 】。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。 1 2 2 运动鞋鞋底止滑性的理论研究 鞋底的防滑设计中主要考虑到不同鞋底花纹的防滑效果。鞋底花纹一般分为 普通花纹和特殊花纹，普通花纹又可以分为规则花纹和自由花纹。规则花纹，大 多数都是规则的几何图形类骨骼结构。自由花纹，是一种不规则花纹。通常是仿 照自然界中的一些纹理，如树皮、碎石、皮革等，其不拘泥于一定的骨骼规律， 显得自然、轻便。花纹防滑性能的研究主要是通过鞋底花纹的滑动摩擦力大小来 进行判断，力学依据是滑动摩擦力的大小与接触面之间的法向载荷成正比。鞋底 花纹的止滑性随着摩擦次数的增加而越来越差。载荷显著地影响各种材料的磨粒 磨耗，且磨耗度与法向载荷成正比。当压力达到转折值时，磨耗度随压力的增加 变的平缓，这是由于磨粒磨耗形式转变的结果 4 1 。因此，耐磨也就成了防滑的前提。 场地的地面状况分析主要集中在其表面形态，地面形态特征对于鞋底的运动 功能及鞋底花纹设计有很大影响。任何大底花纹与地面接触表面都是由许多不同 4 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究l 前言 形状的微凸峰和凹谷组成。大底与场地接触面上粗糙峰顶的形状通常是椭圆体， 由于椭圆体的接触尺寸远小于自身的曲率半径，可近似地视为球体。两平面接触 可视为高低不平的球体相接触，并模拟理想状态的粗糙表面的接触来研究。场地 与运动鞋大底两个粗糙表面的接触实际上通常是一种混合的弹塑性系统，也就是 较高的峰点产生塑性变形，而较低的峰点处于弹性变形状态。当压力很小时，二 者表面接触属于弹性接触状态。随着载荷的增加，两表面法向变形量增大，而塑 性变形的峰点数亦相应增多，弹性与塑性变形混合存在，且载荷越大，塑性变形 所占比例也随之越来越大。所以，方向变形量可以作为衡量表面塑性变形程度的 指标。场地表面的特征，如其材料、表面强化硬度、微硬度和残余应力等对于大 底花纹止滑、耐磨耗等性能有着重要影响。在场地与大底花纹不断摩擦损耗过程 中，由于力和热的作用，接触表面将发生一系列的变化，这些变化对摩擦损耗性 能有很大影响。场地与大底花纹的表面形态和微观接触状态在摩擦中不断地变化。 同时，摩擦表面的微观颗粒也将发生破裂、脱落和转移等，从而影响接触表面的 形态，使得大底花纹止滑及磨耗性能受到一定的影响。因而，场地状况直接影响 到大底花纹的功能特性，对于不同场地应该设计不同的大底花纹。 罗向东等在g t - 7 0 1 2 1 3 型止滑试验仪上，试验了纵条纹、横条纹、折线纹3 种疏密不等的花纹的橡胶鞋底的止滑性，从鞋底花纹的形式和花纹的排列密度2 个方面出发探索了鞋底花纹和止滑性能之间的关系：在粗糙路面如水泥、柏油路 面上和干态大理石路面上，花纹中横向因素多的鞋底的止滑性较好，但在湿态的 大理石路面上，试验情况出现异常，花纹中纵向因素多的鞋底的止滑性反而更好。 罗向东更进一步研究了鞋底花纹的设计与鞋底止滑性能的关系。他选择了几种典 型花纹的橡胶鞋底，分别测试它们在3 种路面上的止滑性，不仅发现鞋底花纹的形 式和造型对止滑性有影响，也探测到花纹的深度和鞋底与路面的接触面积，对止 滑性有较大的影响，但是深入的研究没有进行下去，且鞋底材料只局限于橡胶【5 j 。 杜少勋等研究阐述了地面状况与运动鞋大底花纹相互影响的功能关系，根据实验 所测得的数据及相关理论，分析了不同因素如地面状况、大底花纹、法向载荷等 对运动鞋大底止滑性能和耐磨耗性能的影响，并对各种影响因素进行实验，定性 地测出摩擦系数和摩擦力，以图表的形式对实验测定的结果进行了归纳与对比， 分析推断出了合理性结论。其中提出二方连续鞋底花纹是横向的，当向前走时， 在前后方向上产生很大的摩擦力，并且由于二方连续鞋底花纹较薄，当穿用时， 5 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究1 前言 受到压力，片状花纹极易倾倒，倾倒后的胶片增大了与地面接触面积，从而产生 较好的抗滑移作用【6 】。如“”的波纹具有多向的防滑性。何香芹等在关于防滑鞋 摩擦系数的初步测定及探讨中，推导了测定摩擦系数的公式：& = h s ，其中h 为鞋 子从斜坡上滑下的高度，s 为鞋子滑动的距离【7 j 。 1 2 3 运动鞋鞋底能量回归的理论研究 由于运动时足部能量来源三个部分中的第一部分是与自身的肌肉做功有关。 第二部分与足部给地面的作用力有关，我们所要研究的是与运动鞋有关的第三部 分，即所谓的运动鞋能量回归。因此回归的能量指的是存储在鞋底结构中通过形 状的回复而返回给足部的弹性势能。能量回归的主要途径即鞋底结构。鞋底结构 一般包括外底和中底，中底主要的作用是减震、存储能量以及能量的返还。与外 底不同的是中底不外露、不直接与地面接触，其缺点是耐久性不理想，穿了一段 时间会变形，弹性势能的存储和返还也缓慢丧失。所以能量回归的途径就在鞋的 中底。中底也就成为球鞋能量回归设计的中心。 b a r t l e t t 讨论了中底e v a 部分的几何单元，发现接近外底的单元在3 2 0 0 k m 的跑 步后几乎被压平【8 】。m i l l s 和r o d r i g u e z p e r e z 研究t e v a 材料内空气的减少，缓冲功 能的降低【9 】。m i s e v i c h 和c a v e n a g l 耐e v a 材料进行了单轴快递重复的压缩测试，证 明中底的力学性能变化发生规律变化。但没有给出详细的e v a 材料的密度【1 0 1 。而 n i g g 等发现竞走运动中鞋中底的硬度并不影响外部垂直冲击力的大小和载荷率， 更不会改变冲击力峰值和地面反力的作用位置，也就是说，鞋中底的变化并不 会产生更好的缓冲效果。但是，鞋中底硬度的变化会影响外力对足内部结构的作 用，柔软的中垫会减小韧带力而增大关节力，坚硬的中底效果相反【1 1 1 。 g r u n d y 等人对人体行走时足底压力的研究中指出，随着鞋底的硬度增加，前 脚掌的负重功能明显的减弱【1 2 】。台北林丽芬和相子元研究在硬运动表面与软运动 表面上运动时，足底压力分布特征有显著性差异。o l f a t 等人使用n o v e lp e d a r 系统 研究在地毯、草地和混凝土上行走时的足底压力特征，结果显示相互间差异显著1 3 j 。 h e r m i g 和m i l a n a 研究2 2 个被试穿1 9 种市场上的跑鞋跑步时的足底压力，检测放置在 解剖结构位置的8 个离散的压力感应器是否合适，评价跑步时足部的加载总量【1 4 1 。 s h o r t e n 发现软的缓冲系统延长足部撞击冲击的缓冲时间并且扩大足底受力面积【1 4 】。 l e m m o n 等则对用于治疗足部疾病的特殊鞋类的内垫的效果做了有限元分析，并且 验证了用准静态平面应变有限元法研究跖骨前端的足鞋界面可以得到一个对足底 6 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究1 前言 应力分布的合理预测这一假设【1 5 】。此外，s h i a n g 还应用非线性有限元分析，研究了 不同鞋跟垫材料对足底冲击波的吸收能力，并且发现只有用二阶非线性应力应变 曲线才能正确地描述这些制鞋材料，肯定了f e m 在设计具有特殊功能的鞋类中起 到的关键作用u 酬。 b o b b e r t 等把人体模型化为7 部分刚体，考察了在跑步时足部着地阶段身体各 部分对足部地面反力f z ( t ) 的贡献，分析发现支撑腿是f z ( t ) 的第一个峰值的 主要来源，而第一峰值的大小则由身体其他部分决定，如果跑步姿势发生改变， 对f z ( t ) 作出主要贡献的部位也相应变化。他们同时还指出，如果考虑冲击力峰 值与足部受伤的关系以及跑步鞋对峰值力的影响，身体各部分对f z ( t ) 的影响的 计算将更具说服力旧。s a l a t h e 领导的研究小组，为明确韧带和腱对吸收冲击波的 作用，提出了一个从解剖学角度看来十分精确的模型，考虑到了足部所有的骨骼 并计算了关节的偏转以及韧带和腱的伸长。并利用这一模型检验了关于足部吸收 冲击波的假设，即当足部变形时，相应地控制韧带和腱的伸长可以吸收大部分在 冲击时损失的动能。同时发现最初由脚着地时产生的冲击力由下往上传递，即由 小腿、大腿、躯干，然后经6 8 毫秒后到达头部。当跑速达到3 8 米秒时，小腿 的加速度通常可以达到7 1 1 5 米秒。在冲击力的传递过程中，大部分的力被缓 冲掉了，这种加速度的变化主要源于跑步的动力、地面条件和跑鞋的类型。相关 实验还表明，当运动员的步长以1 0 的幅度上下波动时，步长与小腿的冲击力呈 正相关【1 引。 在现实生活中，能量回归设计也已经被广泛应用于运动鞋生产。耐克公司在 2 0 世纪8 0 年代推出的气垫鞋在具体做法上别出心裁，在中底内埋置空气垫( 中空 的塑料束，内充空气) 。气垫是一种吸震结构，其特点是每跑一步，气垫完成压扁、 复原的一次循环，也符合“能量回输”的原理。据测试，运动员穿着气垫鞋奔跑，可 节省吸氧量2 8 。气垫还起着能量储藏器的作用。阿迪达斯在运动鞋的设计上将 能量回归运用与实践，最新推出了以n b a 球星k e v i ng a r n e t t 代言的k gb o u n c e 篮球鞋，以及运用b o u n c e 技术生产的最新跑鞋。k gb o u n c e 使用了阿迪达斯最先 进的b o u n c e 球鞋技术，其前身就是大家熟悉的a 3 技术，在提供缓冲保护的同时， 最大限度将每次蹬踏的能量转化为帮助移动的动力。穿着者运动起来因此更加轻 松省力。b o u n c e 技术球鞋中没有常见的吸能材料，比如说泡沫塑料。体化结构 地中底是b o u n c e 技术的基本特征。它可以将每一步的能量都储存下来，然后在回 7 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究l 前言 馈到你的下一步运动中去。绝大多数运动鞋，都会采用高弹性泡沫塑料作为鞋底 缓冲的基本材料，因为泡沫塑料的确是一种非常有效的减震材料。但是在吸收震 动的同时，许多的能量也被永远吸收并且损失掉了。而b o u n c e 技术则完全不同： 先是一层异常厚而软的鞋垫将踏步产生的冲击力缓冲，接着鞋底就会反弹，帮你 更轻松的跨出下一步。鞋子中底看上去很酷的弹性单元，就是b o u n c e 技术反弹性 能的来源。它们会在压力下伸展然后迅速恢复原状，给穿着者跨出的每一步提供 更多的能量。运动因此变得更加省力，更加持久。国内的运动鞋品牌李宁也紧跟 国际步伐，在最近也推出了s a 同步协调系统即能量回归运动鞋，复合型三维t p u 支架系统与减震反弹材料同步使用，复合型t p u 贯穿鞋的前中后三部分。在快速 变向运动的开始阶段，利用鞋底上部特殊减震材料将能量传导到下部的反弹材料 中储存起来，在快速变向中期，鞋底由被动阻力用力过程逐渐向主动发力过程转 变，复合型t p u 支架保证过度的稳定和快速，在快速变向末期，反弹材料将储存 的能量经三维支架向运动方向快速释放，实现力的传导。 因为人体正常步态和脚后跟着地的运动中，脚后跟中心区域所受压力最大， 因此运动鞋能量回归设计主要在鞋的后跟，这样有利于减震以及利用较大的压力 来存储弹性势能。虽然这已经达到中底三个要求中的两个，可是能量的返还却不 理想。在正常步态以及跑步中我们大多是后脚跟着地，前脚掌离地，离地时主要 靠前脚掌发力来推动前进，存储在后脚跟鞋中底中的弹性势能只能在脚后跟离地 时返还一部分能量，而在离地时起主要发力作用的前脚掌却往往得不到返还的能 量。如果能够把后脚跟存储的能量返还到前脚掌，那么能量返回率可以得到很大 的提高。运动鞋能量回归中涉及到回归部位问题，原则上应该是鞋底离地的部位， 然而由于运动中离地部位会随着运动方式和地面状况的变化而不同。目前能量回 归设计的部位都集中在脚后跟部位，对某些运动项目来说只是形同虚设。 运动鞋能量回归的力学原理为鞋冲击地面后，鞋底受压变形，将动能转化为 鞋底材料的弹性势能，并储存在鞋的中底。当鞋底离开地面时，储存在中底中的 能量回归给着鞋者。 能量回归中的回归途径主要指能量如何从变形的鞋底中释放并转移到需要能 量的部位。运动时足部离地能量的主要来源有三部分。第一部分是自身肌肉收缩 做功产生的能量。第二部分是地面的反作用力通过鞋底传递使足部所获得的能量。 第三部分是存储在鞋底结构中通过形状的回复而返回给足部的弹性势能。根据牛 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究1 前言 顿第三运动定律，地面给脚的作用力是脚对地面作用力的反作用力，而人体的跑、 跳、走等各种运动都是靠足部与地面的作用才得以产生，理所当然能量应该回归 到足部才能真正起到作用。 1 2 4 表面肌电和测力平板系统及其应用 1 2 4 1 表面肌电测试系统及应用 自1 8 4 9 年d u b o i s r a y m o n d 首次检测到人体肌肉自主产生的电信号，肌电信号的 应用已逐步深入到临床康复医学以及其它学科领域【1 9 1 。表面肌电信号是从肌肉表 面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的一维时间序列信号，其变化 与参与活动的运动单位数量、运动单位活动模式和代谢状态等因素有关，能够实 时地、准确地和在非损伤状态下反映肌肉活动状态和功能【2 0 1 。由于s e m g 信号变 化与肌肉活动状态及功能状态之间存在较好的关联且s e m g 信号的获取与分析具 有实时性、客观性、敏感性及灵活性等特点，故s e m g 信号分析常被用于人体的 肌肉工作相关性研究，如肌肉工作技能协调性和合理性分析、步态分析、肌肉活 动状态及疲劳状态分析，其中肌肉活动状态及疲劳状态分析是目前研究较多的问 题【2 1 】【2 2 1 ： 肌电的产生是源于人体细胞对体内各种离子的选择性吸收能力不同，形成了 人体内环境中细胞内外的离子浓度的不平衡性。在安静状态下，由于浓度梯度、 电位梯度和细胞膜的选择通透性的作用，使k + 外流速度远大于n a + 的内流速度， 形成了细胞外的正离子浓度高于细胞内的正离子浓度，从而引起静息时细胞的内 负外正的跨膜电位，称为静息电位：当肌细胞受到刺激或接受了神经冲动的传导， 会引起细胞膜对n a + 的通透性突然增大，n 矿急速内流，使静息电位发生去极化， 肌细胞膜突变为内正外负，这一电位称为动作电位。动作电位能够沿着肌纤维膜 迅速传导，以引整个肌纤维的兴奋，从而引发肌肉收缩。肌肉收缩与肌肉的动作 电位之间有十分密切的耦联关系】【2 4 】，记录肌肉收缩时的动作电位的变化就是肌 电图。 肌电测量仪的研制目前正朝着多通道、微型、无创、快速、实时、遥测、动 态、智能化等方向发展。如芬兰的m e g a 表面肌电仪，有2 通道( 姬3 0 0 0 p 2 ) 、 4 通道( m e 3 0 0 0 p 4 ) 和8 通道( m e 3 0 0 0 p 8 ) 不同型号的产品，m e g a 公司自2 0 0 4 年又推出m e 6 0 0 0 最多有1 6 通道的表面肌电测试系统；美国的n o r a x o nt e l e m y o 表 面肌电遥测系统，可以将肌电信号通过无线电波传送至1 0 0 m 以外的接受器，系统 9 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究1 前言 提供1 0 个无线电波段；m y o s y s t e m l 4 0 0 的4 ，8 ，1 2 ，1 6 通道表面肌电测量仪器； 中国的合肥旭宁科技有限公司的s u n s o r - s e m g 运动肌电采集分析系统( 4 通道、 8 通道等) 包括在线测量和无线测量两种类型。表面肌电仪的缺点是无法测量深 层肌肉、只能测量表层肌肉的肌电变化，也不能测量肌肉内部某部位或某一运动 单位的肌电变化。另外，表面电极引导出的肌电是电极下许多运动单位产生的动 作电位互相叠加的结果，波形十分复杂，不易提取有效参数【2 5 】 目前肌电研究主要集中在以下一些方面： ( 1 ) 不同活动状态下肌肉力一电关系研究 近年来，应用表面肌电图及其分析技术研究不同活动和功能状态下的肌肉功 能变化，已成为职业医学、运动医学和人机工程学领域肌肉功能评价的一种重要 手段。有关的研究一致表明，各种肌肉负荷形式下肌肉收缩力或输出功率的变化 与s e m g 信号的振幅间存在着良好的线性关系，但它们与s e m g 频域分析指标如 m p f 和m f 之间的关系尚未彻底明确 2 6 1 。g e r d l e 等曾以4 块肩部肌肉为对象研究， 发现等长收缩形式下m p f 在0 6 0 m v c 范围内维持稳定，超过这一范围mp f 开始出现轻度下降【2 7 1 ；h a g b e r g 等测定了肱二头肌、肱桡肌、肱肌和咀嚼肌在等 长收缩时的mp f ，发现在低张力水平范围内mp f 具有渐增趋势【2 8 1 ；m o r i t a n i 等报 道肱二头肌的m p f 至少在0 - - 8 0 m v c 范围内具有张力依赖性【2 9 】；g e r d l e 等以1 0 名女性作被试，发现膝关节伸肌、股外肌、股直肌、和股内肌等长负荷时的mp f 在 4 0 - - 1 0 0 m v c 范围内均呈现明显递增的趋势，并且不同肌肉在不同活动水平时 的mp f 间也存在一定差异【3 0 】；虽然大部分的研究都观察到肌肉活动水平与s e m g 信号变化在一定范围内存在线性关联，但此关联的m v c 范围、关联度还进一步的 受到诸如性别、年龄、被检肌肉以及被试皮下脂肪厚度等许多因素的影响。 ( 2 ) 测定人体活动的反应时、运动时和电机械延迟 反应时是指人体接受信号后，开始作出反映的时间，电机械延迟是指肌肉开 始出现电活动后到人体开始产生机械运动这一段时间，运动时是指肢体从运动开 始到结束的时间。电机械延迟是一个比较重要的生理现象，它的大小反映一个运 动员的快速动作时肌肉力量的能力，对运动员选材有一定的帮助。一般来说快肌 纤维的电机械延迟比慢肌纤维的要小，疲劳前要比疲劳后小。 ( 3 ) 肌肉功能状态与s e m g 信号时频特征关系的研究 1 0 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究1 前言 无论是动态，还是静态运动，一般情况下伴随运动肌疲劳的发生和发展表面 肌电信号的傅立叶频谱曲线可以发生不同程度的左移现象，并且导致反映频谱曲 线特征的m p f 和m f 产生相应的下降【3 1 1 。就目前而言，在频谱左移现象发生的确定 性方面，似乎是静态运动优于动态运动，原因之一可能与动态运动中表面肌电引 导电极与被检肌肉肌纤维之间的空间位置关系始终处于相对变化之中有关；而在 频谱左移程度或m p f 、m f 下降幅度方面似乎与被检肌肉以及疲劳程度等不同有关。 肌肉运动诱发肌肉疲劳发生过程中所观察到的s e m g 频谱左移现象，目前认为 与中枢和外周两方面因素的作用有关。除肌肉疲劳外，某些肌源性因素的作用也 可能与疲劳时观察到的e m g 频谱左移有关。 国内的杨静宣、王瑞元、熊开宇等研了负荷模式、肌肉收缩形式等对s e m g 时、 频特征的影响，发现不同负荷重至疲劳条件下，i e m g 与mp f 具有不同的反模式【3 2 1 。 此外，离心收缩条件下的股四头肌i e m g 值明显小于向心收缩【3 3 1 。 ( 4 ) 应用e m g 信号特研究骨骼肌纤维类型 应用e m g 信号特征预测骨骼肌纤维类型是骨骼肌纤维类型无损伤预测的方法 之一，其基本理论依据是抗阻负荷过程中某些表面肌电信号特征( 主要是m p f ) 与i 型纤维比例的呈线性负相关，或与i i 型肌纤维比例呈正相关。m o r i t a n i 等曾 以5 0 m v c 的等长收缩作为负荷条件，发现股外肌i 与mp f 之间的相关系数为 o 7 9 ；为提高预测精度，w r e s t l i n g 等改1 0 0 m v c 等长收缩作为负荷条件，发现股 外肌i 与mp f 之间的相关系数为0 8 7 。w r e s t l i n g 等认为，不完全募集和激活可 能是造成5 0 m v c 条件下获得的低相关系数的主要原因【3 4 1 。国内的王立山、高强 等研究发现，受试者以此为基础7 0 m v c 作等长负荷至疲劳时，m p f 下降斜率与 受试者型纤维百分比呈明显正相关( r - - - 0 7 0 ) 【3 5 j 。 ( 5 ) 研究肌肉活动的协调程度 研究某个动作参加工作的肌内的活动情况，从生理学角度来说是肌肉之间的 协调关系，而从训练的角度来说是运动技术的问题。肌电图可以很好评定某个动 作的肌肉激活的先后顺序和肌肉发力的顺序，以及它们之间的协调性作用关系和 停止活动的先后顺序，这对运动技术是非常重要的。肌电图还可以用来评定运动 员的肌肉训练程度，无训练者在完成动作时，肌电活动一定是很杂乱的，并且不 该参与活动的肌肉也参与的作用，产生放电现象，而训练程度较高的运动员在完 网球鞋鞋底结构与生物力学性能的研究 1 前言 成相同动作时，肌肉放电整齐，并且有一定的规律性，而不会出现多余的肌肉放 电现象【3 0 j 。 近年来，肌电技术在鞋的研究领域也被广泛应用： 荣明运用肌电技术测试穿不同跟高拉丁舞鞋状态下跳舞时下肢左右腿主要做 功肌肉肌肉表面肌电( s e m g ) 信号，得出下肢四块肌肉平均做功值均随鞋跟高度 增长而增大的结论1 3 7 1 。 王佳音通过肌电测试结果也得出跳拉丁舞时穿着的舞蹈鞋跟越高，跳舞时疲 劳强度越大，受伤几率也越大【3 8 】。 而运用肌电研究运动鞋能量回归在国内外却很少见。运动鞋能量回归的目的 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运动鞋能量回归，为运动鞋能 量回归设计提供参考。 1 2 4 2 测力平板系统及应用 e m e d 平板系统能准确记录和评估各种表面所承受的动态压力分布。其测量方 法是基于标准化电容式传感器，平板由多达6 0 0 0 个传感器构成，可测量的参数包 括t 各点的压力、平均压力、接触面积以及压力中心位置。e m e d 系统不但具备静 态测量功能一测量静态站立时的足底压力分布，还能够以每秒1 5 0 0 0 0 传感器扫描 频率，记录动态数据，真实地测量出运动时足部的压力，多元化的分析软件可对 测量的压力数据进行详细全面的分析，并加以量化，如：步伐长度和宽度的改变， 内翻足和外翻组的位置，足部接触地面的面积，脚趾、关节、韧带等等。e m e d 系 统可同时连接其他测量系统( 例如：肌电系统、摄影系统等) ，并可