（运动人体科学专业论文）跑台的坡度与速度对人体足底压力的影响研究.pdf

摘要 跑步健身是最普通的运动方式 人们往往选用跑台以不同速度 坡度来增加 练习效果 运动过程中 足底会受到地面冲击力的影响 使足底各部分区域产生 不同的压力和负荷率 本研究以6 名东北师范大学研究生为受试者 在运动跑台 上分别以速度1 5 m s 2 m s 3 5 m s 4 m s 和坡度o 度 2 度 5 度 8 度进行运 动 使用比利时生产的 f b o t s c a ni n s o l es y s t e m 足底压力测试系统收集不同速度 与坡度的足底动力学数据 以了解练习者采用不同跑速与采用不同坡度运动方式 对足底动力学相关数值的变化情况 分别讨论6 名实验者足底压力情况 同时对 每名实验者足底各分区压力所得的数据进行单因素方差分析 p 0 0 5 得到如下 结果 1 在跑台跑步过程中 随着速度的提高 足底压力分布随之发生变化 足 跟部所承受压力随着速度增加随之增加 足前中部压力增大 足前部第二 第三 跖骨受力峰值加大 并且压力负荷率在足跟区域与足前中部变化出现类似增加的 特征 2 在跑台跑步过程中 足底压强分布随着速度的提高 其分布随之发生变 化 足跟区与足前部压强峰值随着运动速度增加而增加 压强负荷率的变化在足 跟区与足前中问区变化有类似的情况 随着跑速增加而增加 说明如长期跑台上 跑速过快可造成足舟骨应力性骨折 3 在跑台跑步过程中 随着坡度的升高 足底压力 压强峰值随之发生变 化 坡度的加大 对足前各区 足跟区域有很大影晌 4 通过6 名实验者在以不同速度与坡度在运动跑台跑时分析来看 对于跑 步健身者跑步时 速度控制在2 m s 3 5 m s 较适益 为了达到一定的负荷强度 时可采用坡度升高在2 度一5 度较适益 也可以采用速度在2 n 1 s 一3 5 m s 与坡度 在2 度 5 度坡度组合跑 这样既达到了健身的目的又最小限度减少过高的冲击 力对足底损伤 关键词 速度 坡度 跑台 足底压强 负荷率 a b s t r a c t r u nf i t n e s si sb a s i ce x e r c i s em e t h o df o rm o s tp e o p l e p e o p l eu s u a l l yc h o o s et o u s eo ft r e a d m i l lt oi n c r e a s e p r a c t i c er e s u l tw i t ht h ed i f f e r e n ts p e e d s l o p e 1 ns p o r t p r o c e s s p l a n t a rw i l lb es u b j e c t e dt oag r o u n dt oh u n l ed y n a m i c a li n n u e n c e m a k i n g p l a n t a re a c hp a r t so fd i s t r i c t sp r o d u c ed i f f e r e n tp r e s s u r ca n dl o a dr a t e t h i sr e s e a f c h t a k e s6 伊a d u a t es t u d e n ti nn o r t h e a s tn o 咖a lu n i v e r s i t i e sa ss u b j e c t s b ee x e r c i s i n gt o1 1 j na no nt h et f e a d m i l ld i f i e r e n c et 0c a r r yo ns p o nb ys p e e d1 5 n l s 2m s 3 5m s 4m sa n ds l o p e0d e 萨e e s 2d e g r e e s e s 5d e g r e e s e s 8d e 黟e e s e s u s eb e l g i a np r o d u c t i o no f q f o o t s c a ni n s o l es y s t e n l t oc o u e c td i f f e r e n ts p e e da n dt h e p l a n t a rd y n a m i c sd a t ao fs l o p e w i t hu n d e r s t a n d i n gp r a c t i c ea d o p td i f f e r e n tt u mo f s p e e d a n d s i o p ed y n a m 斌 r e l a t e dd a t et o c h 柚g e ac i r c u m s t a n c et ot h e p l a n t a r d i s c u s s6p r e s s u r ec i r c u m s t a n c eo ft h ee x p e r i m e n tf b o tb o t t o m sr e s p e c t i v e l y i i lt h em e a n t i m et oe a c ho n ee x p e r i m e n tt h ep l a n t a ri se a c hr c 西o nd a t ag a i n e db y p r e s s u r ec a r r yo no n e w a ya n o a p o 0 5 b eg o ta sf o l l o w sa sar e s u l t f i r s t nt h ep r o c e s so fn l 衄i n gt r e a d m i l l w i t ht h es p e e do fi n c r e a s e f o l l o w e d p i 柚t a rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc h a n g e s t h eh e e lb yt h ed e p a n m e n tu n d e rp r e s s u r ew i t h i n c r e a s i n gs p e e di n c r e a s e s s e c o n d m n n i n gi nt h et r e a d m i l lp r o c e s s t h ep l a n t a fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw i t ht h e r a t eo fi n c r e a s e h e e la n df o o ta r e ab e f o r et h ep e a ko ft h ep r e s s u r ea st h es p e e d i n c r e a s e d s u c ha sl o n g t e 珊t r e a d m i l ls p e e dm n n i n gt o of a s tc a nc a u s en a v i c u l a rb o n e s t r e s sf r a c t u r e t h i r d 1 1 j n n i n gi nt h ep r o c e s so ft r e a d m i l l w i t ht h es l o p eo ft h ei n c r e a s e dp f e s s u f e 0 nt h ef 的t t h e nt h ep e a kp r e s s u r ec h a n g e s i n c r e a s et h es l o p e0 ft h ef o o tb e f o r et h e d i s t r i c t t h er e g i o nh a s 伊e a ti n f l u e n c e0 nt h eh e e l f b r t h p a s s6t e s ta n a l y z et os e ew h i l e1 1 l n n i n gb yt h ed i f f e r e n ts p e e da n dt h e s l o p e d oe x e r c i s et ok e e pf i tt on l n n i n g t h es p e e dc o n t r o l si n 童h e2m s 一3 5 m sp r o p e r b e n e f j t f b ra t t a i n j n gc e r t a i nb u r d e ns t f n g t hc a na d o p ta s 1 0 p et 0g ou pi n2d e g r e e s 一5 d e g r e e sp r o p e rb e n e f i t k 酊 w o r d s p e e d s l o p e l f c a d m j l l p l a n t a rp r e s s u f c l o a dr a t e i i 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指导下独立进行研究工作所取得 的成果 据我所知 除了特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 对本人的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中作了 明确的说明 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 缎蕴同期 伽客 l3 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留 使用学位论文的规定 即 东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权东北师范大学可以采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编本学位论文 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论文全文数据库 中国科学技 术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 日 期 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 指导教师签名 兰幺 堕兰 日 期 凇挈 臣 电话 邮编 盘 东北师范大学硕士学位论文 1 前言 随着人们生活水平的提高 休闲与运动成为人们生活的重要组成部分 走步 与跑步往往是人们锻炼身体的主要运动形式 而跑台便成为人们首选的运动健身 器材 在跑台上运动可以发展有氧运动 提高心血管的能力和增加腿部的力量 人们在不出家门的情况下就达到了锻炼身体的目的 然而 人们为了达到更好的 健身效果 使身体充分承受一定的负荷强度 往往增加跑台的坡度或提高跑速来 满足健身锻炼的目的 采用这种健身方式 足部会受到来自地面反作用力产生的 极大的足底压力 因此了解足底压力变化 用于矫正步态 预防运动损伤 以有 效地采用不同的坡度和速度练习 我们有必要去了解足底这些动力学特征 1 1 足底压力的研究现状 1 1 1 国外研究现状 发达国家足底压力分析研究比较早 积累了大量的参数 我国对足底压力研 究比较晚 人们对足底和支持面之间的压力分布的测量可以为研究足部的结构 功能和体态控制提供大量有用的信息 还可利用这些信息对一些足部疾病作出合 理解释陷 m a 珂j o s e p h i n e h e s s e n 等眇1 用足底压力测试鞋垫 测试了9 名年 青人和6 名老年人在跑台上行走 测试一个完整步态阶段参数特征 包括平均 最大压力和压强值 结果表明 足从接触地到离地时足底压强参数在年青人和老 年人之间明显不同 两者不同之处压强在足底分区的不同 老年人在足的内侧区 平均压强与压力比外侧小 说明老年人从足跟触地到足尖离地阶段 支持体重在 足的外侧区域 n i g g 和b a h l s e n 等眨2 1 对十四人在力台上和高速摄影进行测试 发现跑速影 响外部冲击力的峰值 但鞋中垫的硬度并不影响外部垂直冲击力的大小和载荷 率 更不会改变冲击力的峰值和地面反作用力的位置 但是 鞋中垫的硬度变化 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 m o n i k ah o r v a t h 2 引等对1 1 名偏瘫病人的步态进行了动力学和运动学分析 发现偏瘫一侧足的支撑时问短 用这一侧去支撑和转换体重 当足放平地面时 偏瘫一侧负荷率明显增加 当足尖离地时 偏瘫一侧负荷率显著降低 用非偏瘫 侧弥补偏瘫侧肢体的运动幅度 导致俩侧肢体的髋 膝 踝的不正常运动 说明 了偏瘫者的步态特征 当足放平到足尖离地时这个阶段是冲击力和负荷率的变 化 m o r a g 3 等收集了5 5 个健康人行走时的足底峰值压力和功能数据 建立 了一个预测足底峰值压力的模型 说明建立预测模型能观察到足底压力的升高 发现病学因子 帮助降低高风险人的足底压力 东北师范大学硕士学位论文 1 1 2 国内研究现状 2 0 世纪8 0 年代开始 对足底压力的研究才开始在国内受到重视 近2 0 年 来 随着测量技术的发展以及先进系统的引进 国内取得了不少成果 1 9 9 4 年 汤荣光嵋们使用m u s g r a v e 平板系统测量3 0 名正常中国人赤足站立 行走和奔跑 时的足底7 个区域的压力 发现双侧足的峰值压力无明显差异 除第2 跖骨头外 男女性的足底压力无明显差异 国内足底压力研究大多是关于运动鞋的研究 吴 剑 李建设h 3 通过录像解析系统和f s c a n 足底压力分布解析系统对青年女性穿 高跟鞋行走时的步态运动学和动力学测量和分析 结果表明 青年女性穿跟高 6 5 c i i l 以上的高跟鞋行走时 足底第一跖趾关节最大受力值是青年女性穿球鞋行 走时该点最大受力值的4 倍 是青年女性穿中跟鞋和松糕鞋行走时该点最大受力 值的2 倍 2 0 0 2 年毛宾尧等口 使用f s c a n 步态分析仪测量5 3 例j 下常人行走 站立时足底7 个区域的压力 建立了一套数据库 还进行了重心分析 验证了 人体的重心运动轴线与足内侧纵弓相吻合的运动规则 但是以上两项研究存在样 本含量小的局限 2 0 0 4 年袁刚口别等使用自行研制的测量仪 检测1 5 8 例正常 人的足底压力 发现中国人足底压力与文献报道的其他种族不完全相同 男女性 无明显差异 年龄 身高 体重与足底峰值压力呈弱相关 1 2 跑台上运动与陆地上运动的差异 跑台上运动是在实验室进行 更容易控制条件 并且它与地面跑有相似的空 间要求 大多数跑的生物力学和生理学研究 都让受试者在室内跑台上进行 许 多研究者已经检测了跑台与地面跑的不同 结果常常相互矛盾 关于跑台上与地 面上走或跑的不同 不同学者有不同的看法 目前还没有统一的结论 受试者站 在跑台上落地时放脚的姿势与地面上跑是不同的 同时发现 个体之问这种不同 具有不一致的趋势 跑台上的有关跑的运动学的结论 对地面跑可能是不适合的 地面跑与跑台跑相比的区别往往是微妙的 3 跑台作为健身活动和运动训练是很方便的器材 同时应用跑台进行实验研究 也是很好的仪器 跑台的速度和坡度可以随意调节和控制 不会受场地和条件的 影响 a m t h o n vg s c h a c h e p e t e rd b l a n c h 等h 习通过陆地和跑台上跑进行了三维 影像学分析 发现陆地与跑台比 步时 步长和摆动阶段增加 支撑阶段减少 虽然跑台和陆地上运动极其相似 但稍微不同是髋关节屈 伸的幅度不同 同时 还指出跑台的功率大小和皮带运动的速度对人产生影响 即人在高功率的跑台和 皮带速度慢的跑台上运动 对人影响小 w h i t es c y a c kh j 等u 刨认为跑台和陆 地两种形式的运动 垂直反作用力曲线模式几乎是相同的 但稍不同的是力的大 小 指出在台上运动数据的收集应该考虑中一后支撑阶段与陆地上的不同 1 3 不同坡度跑运动生物力学相关研究 人体在适合的坡度上运动不仅可以达到锻炼与健身的目的 而且还可以避免 2 东北师范大学硕士学位论文 运动损伤 同时足底压力与地面反作用力对人身体产生积极的影响 但是不合适 的坡度可能对人体的运动产生不良影响 t o s h i h a my 0 k o z a w a n o r i h i s af i l j i i 等 引对六名男运动员在三种下坡条件下运 动进行了研究 发现当足接触地面后冲击力比平地上变大 但是冲击力和负荷率 并不随着坡度的升高而增加 说明运动员在较陡峭的破面上运动接触地面时可以 避免过大的冲击负荷 使髋伸加大和增大了膝关节的运动速度 运动员能吸收额 外的冲击力和机械能 但o l f a t 等晒1 采用影象解析的方法研究人体坡面运动时 足底压力及其分布特征的变化 研究认为 斜面的坡度变化导致足底压力及其分 布特征随之变化 陆毅琛 李建设吲也认为坡面的变化对足底压力及其分布特 征发生变化 闫松华等口习在1 0 2 0 3 0 4 度跑道上进行了百米跑研究 发现 在3 0 斜坡上训练提高速度最快 1 4 不同速度跑运动生物力学相关研究 跑是最简单的移动和健身方式 人在跑步时 足部与下肢各组织将地面反作 用力化解掉 以减少下肢关节和身体的负荷 所以足部基本功能包括支持体重 吸收走路时能量 减少下肢关节受力 跑步与走没有严格的区别 一般认为 步 行速度为1 1 6 m s 慢跑的速度大约在3 5 m s 快跑速度大约在3 8 4 5 i i l s 左右 k e im a s a n i m o t o k ik o t u z a l in 2 1 在跑台上研究了行走过程中地面反用力的变 化情况 研究对象为1 0 名年龄在2 8 岁左右健康的男性 身高和体重分别为1 7 0 c m 和6 6 k g 左右 测量了三维地面反作用力 行走速度为3 ok m l l 4 0l l l l l 5 0 k i l 油 6 ok l 劬 7 ok m l l 和8 0 k m h 测得三个方向的力分别为f x 水平方向的力 f y 左右方向的力 f z 垂直方向的力 结果f z 和f x 的力随着行走速度的 增加而增大 然而f y 左右方向的力 在中等速度 5 0 k m h 比低速 3 o k m h 和高速 8 0 k m 1 1 显著的小 作者讨了为什么足底压力的分量f z 和f x 随着走 的速度 3 8 k m h 的增加变大 而f 在中等速度 5 5 5 8 k m 1 1 变化的是 非常小 其原因是神经调节下 常速行走时步态控制最稳定 g r o s s 和b u n c h 眩副对十名跑步者的研究发现 当跑步速度增大时 足底各 部分的平均峰值应力也会有显著增大 测量到的最大应力发生在第二 三跖骨前 端和大趾底部 为解释跑步者经常发生趾骨 疲劳骨折 现象提供了理论依据 n i g g 和b a h l s e n 等眩引对十四人在力台上高速摄影进行测试 发现跑速影响外部 冲击力的峰值 w i t 和c l e r c q 等眩7 1 在研究中让九位实验者穿鞋和赤足两情况下 以三种不同的速度跑步 发现赤足跑步会产生较大的外部载荷率和足部接触率 并认为足底接触率的增加可以帮助赤足跑步者减小足跟处的局部压力 1 5 跑步与足伤害的研究 不正当的跑步可发生运动损伤 然而足和踝是最易伤害的部位 这种损伤与 骨 关节重复载荷相关 重复载荷可使关节软骨面局部负荷和磨损增加 刺激软 3 东北师范大学硕士学位论文 骨发生炎性改变 另外 跑步落地时对髋关节 膝关节 踝关节储备能量多 容 易产生伤害 这是关节软骨过劳性损伤的病理改变基础 己有研究表明长时间大 强度重复 冲击性 扭转或剪切性的运动则容易产生运动性损伤甚至骨性关节炎 在这些损伤所致足 踝 膝关节结构发生改变的过程中 足底是首先受到力的部 位 因此 了解不同模式跑步对足及其它关节软骨的损伤具有重要作用 所有与运动损伤有关的力来说 决定损伤性质和程度的因素有7 个 作用力 的大小 力施加于身体的部位 力的方向 力作用的持续时间 力作用的频繁程 度 在作用过程中力的大小是稳定的还是变化的 力以何种速度作用于身体 引 对跑步者运动伤害的原因有个人因素与训练因素 个人因素方面主要包括性别 年龄 跑步经验 身高与体重 关节柔软度与肌力 及先天的运动伤害等 训练 因素方面包括跑步的距离 比赛经验 伸展运动 跑步的地面 每周跑步的次数 跑步的速度 脚着地时的动作以及跑鞋等 这反应出 力无疑是损伤研究中的重点 大多数损伤都与力及其相关因素有 关 是决定损伤可能性和严重程度的基本因素 所以对跑步者而言 预防重于治疗 了解简单的预防伤害的知识是有必要的 若在跑步时只注重了身体机能而忽视不同的跑步形式对肌肉 骨骼承受的负荷或 压力 就会造成伤害 所以跑步者在运动时注意自身状况 选择适当的强度和跑 速 如此必定能享受跑步的乐趣 1 6 研究的目的及意义 运用动力学手段对足底压力进行分析 国内文献相当少 国内对足底压力的 研究大多是关于医学方面和运动鞋的分析 而国外对步态的研究是热点之一 在 跑台上运动时 足底来自地面反作用力 如不充分了解足底压力特点 可能发生 运动损伤 然而足和踝是最易伤害的部位 过度重复载荷对骨 关节造成伤害是 最相关的 这种变化的力对人的影响还不清楚 为此 在跑台上运动 通过不同 速度 坡度 探讨足底压力对人足底的影响 揭示其步态特征 进一步掌握足的 运动机制和功能特殊性 预防运动损伤 为体育健身服务 随着运动的普及 对健康的关注 参加跑步健身的人越来越多 跑的距离也 越来越长 跑台成为人们首选的健身器材 人们往往增加跑台的坡度或速度来满 足这种健身效果 同时人们对防止运动损伤更加重视 因此测量不同坡度或速度 下的足底压力参数特征 了解随着跑速的增加或坡度的增加探讨更适合普通健身 者的跑步的速度与坡度 科学指导人们体育健身 4 东北师范大学硕士学位论文 2 研究方法与步骤 2 1 研究对象 实验者为东北师范大学普通在校研究生 男1 0 人 年龄 2 6 4 身高 1 7 2 0 0 8 m 体重 6 7 7 7 9 k g 下肢无受伤史 经过足部检查 确定其无足部疾病 和足部损伤 并且无扁平足 身体状况以及运动能力良好 2 2 实验设备 1 使用比利时生产的f o o t s c a ni n s o l e 鞋垫系统 目前最先进的离线式设计 系统采样率可达5 0 0 h z 压力传感器采用阻尼方式设计 精确 鞋垫厚度0 7 2 2 毫米 每个鞋垫有3 2 5 个传感器 传感器密度4 个 c m 2 系统界面清晰明了 软 件功能强大 可以提供步态的时间 重心 压力 压强 动态 静态分析 提供 左右对比 平衡分析 角度测量 数据库管理及参考值提供等 2 德国h p c o s m o s 跑步机 3 笔计本电脑 4 双星牌运动鞋5 双 溺圃圃 图l 足底压力实验议器图 2 3 实验步骤 让受试者充分做好准备活动 然后受试者根据自己脚的大小选择适合自己的 跑鞋和测试鞋垫 连接好足底压力测试系统 先在跑台上慢跑约一分钟 以适应 鞋垫在鞋中的感觉 受试者站在跑台皮带两侧 启动跑台 受试者以手扶住跑台 上的扶手 当跑台速度逐渐达到所要求的实验速度时 脚步跟上跑台运动速度后 放手开始跑 待步态稳定后 收集8 秒的数据资料 之后对数据资料存盘 同时 5 嚣一蘩 东北师范大学硕士学位论文 受试者将跑台速度降至走路时的速度 收集完资料之后进行下一速度的测试 不 同坡度测试时 受试者先站立在跑台皮带两侧 启动跑台 受试者以手扶住跑台 上的扶手 当跑台速度逐渐达到所要求的实验速度时 让脚步跟上跑台运动速度 后 放手开始跑 步态稳定后 收集8 秒的资料 之后在速度不变的情况下测试 其它坡度的足底压力 实验流程如图2 所示 图2 实验流程图 2 4 实验数据处理过程 首先应用f o o t s c a ns o f l a r e2 3 9 测试软件 检查1 0 人步态是否稳定 足底压力曲线是否完整 波动是否过大 若有将其实验者数据删除不用 之后筛 选出6 名实验者的数据作为本实验研究的数据 进行足底压力数据提取 提取数 据时选取步态稳定后的左脚第二步或第三步足底压力 各分区足底压力峰值 压 力负荷率 压强峰值 压强负荷率的数据值 再保存为奉 x l s 格式文件 用w i n d o w s e x c e l2 0 0 3 表格整理各分区数值 用s p s s l 3 o 统计软件 进行单因素方差分析 整理各受试者平均后各分区峰值压力 压力负荷率 各分区峰值压强 压强负荷 率作出比较表与长条图 6 东北师范大学硕士学位论文 2 5 足底压力分区方法 足底压力分区方法 根据足底压力分布与人体足底解剖学结构特征 将足底 分为三个区 分别为 足跟区 f i d f o o t 足中区 m i d f o o t 足前区 r e a m o t 足 前区又分为足前内侧区 第一跖趾区 足前中问区 第二 三跖趾区 足前外 侧区 第四 五跖趾区 所以整个足底细分为五个区域 足跟区 足中区 足前 内侧区 足前中间区 足前外侧区 如图3 所示 图3 足底压力分区图 7 东北师范大学硕士学位论文 3 结果与分析 3 1 不同速度对足底压力的影响 人在运动过程中 对地面施加一个作用力 同时足底会受到同样大小的地面 反作用力 这个力就是足底压力 足底压力的数值是压力鞋垫分区所有传感器在 测试阶段受到的合力 而各分区压力峰值是压力鞋垫特定区域所有传感器测得的 平均最大压力 3 1 1 足底平均压力 时间特征 图4 9 是6 名实验者无坡度的条件下在运动跑台上以速度1 5 m s 2 i n s 3 5 m s 4 m s 跑时 其足底压力随时间变化曲线 从图 9 可以看出6 名实验 者足底压力曲线都呈双峰型 第一峰是冲击峰 其波峰小而陡峭 第二峰是运动 峰 其波峰大而较平缓 第一峰是足首先接触地面时产生的 代表的是足落地时 支撑阶段的前期 实验者1 实验者3 实验者5 在速度4 n l s 时的冲击峰值明显 高于其它速度跑 呈现的规律是随着跑速增加冲击峰逐渐增大 而运动峰在4 m s 时也大于其它速度的峰值 但跑速度2 m s 3 5 l i i s 与4 n 临比较时 运动峰值差 别并不大 实验者2 在跑速3 5 m s 与跑速4 m s 时 冲击峰要明显高于跑速为 1 5 m s 与2 m s 冲击峰随着速度增加而增加 运动峰值基本相同 实验者4 实 验者6 冲击峰在跑速4 m s 时要高于其它速度 冲击峰总的趋势随着跑速增加而 增加 运动峰值基本无变化 所以6 名实验者速度从1 5 m s 到4 m s 跑时冲击峰 值都增加 而运动峰值无此规律性 但在2 m s 跑时 所有实验者其冲击峰与1 5 m s 跑时冲击蜂比较变化幅度不大 与其它速度跑比较时 3 5 m s 4 m s 冲击峰差 别很大 由于冲击峰值是造成跑步运动损伤的主要因素 说明健身者采用2 l i l s 跑的运动速度健身 产生损伤的可能性小 8 东北师范大学硕士学位论文 图4 验验者1 不同速度足底压力时间曲线 图6 实验者3 不同速度足底压力时间曲线 图5 实验者2 不同速度足底压力时间曲线 图7 实验者4 不同速度足底压力时间曲线 图8 实验者5 不同速度足底压力时间曲线图9 实验者6 不同速度足底压力时间曲线 西 东北师范大学硕士学位论文 3 1 2 足底各分区峰值压力 不同跑速下测得的各分区峰值压力 f m a x 经单因素方差分析 o n e w h y a n o v a 后得到表1 结果 由表中可以得知不同速度跑时 1 5 m s 2 m s 3 5 l i l s 4 m s 只有足跟区 足前中间区有显著差异 p 0 0 5 其他分区无显著性差异 由此可知不同跑速对足底压力峰值及其分布产生很大影响 分别对足跟区 足前 中间区加以分析 其它分区由于无显著差异不加以讨论 由图1 0 可以看出足跟区的足底压力峰值会随着跑速增加增大 说明足跟在 着地期冲击力随之增加 4 m s 与1 5 n l s 跑速时足跟区压力最大值差值1 5 0 n 左 右 其原因是足部着地的动作不同 速度从1 5 n 1 s 至4 m s 是介于慢速跑至快速 跑阶段 人正常慢跑时 足跟首先接触地面 之后再过渡到前脚掌 随着跑速加 快 足跟快速落地再加上速度增快动用的肌肉多 导致足跟区最大压力变大 再 有 可能随着跑台速度增加人体足离地后 要求更快落地 结果导至足底最大压 力增加 这可能是跑台上跑与陆地上跑的不同之处 足前中间区最大压力随着跑速增加而增大 足前中间区在人体足底解剖位置 上来说 包括第二 三跖骨和第二 三趾骨 第二 三跖骨是跑步时蹬伸阶段主 要区域 支掌阶段要增加跑速必须对地面施加作用力 产生较大的力 再有跑台 上跑与陆地上的跑的支撑阶段与摆动阶段不同 跑台上跑支撑时间增加 摆动阶 段减小n 5 随着跑速增加 支撑时间要减少 使不同速度下足前中间区压力峰 值不同 从全足来看 最大足底压力随着跑速的增加发生在足跟区与足前中间区 易造成足舟骨应力性骨折 而对于高足弓者若反复承载这种应力性骨折更易发 生 表1 不同跑速下各分区峰值压力统计分析表 p 值 o 0 2 60 3 2 20 3 4 6o 0 3 20 2 3 30 5 4 4 显著无显著无显著差显著差异无显著差异无显著差 差异差异异异 1 0 东北师范大学硕士学位论文 诅h 田 御 足壤鹾 足中区足前外侧区足前中问区足前内侧区 j 一 图1 0 不同速度下足底各分区峰值压力比较图 全足区 3 1 3 足底各分区压力负荷率特征 足底压力负荷率 l o a dr a t e 是某特定分区压力单位时间内的变化情况 单 位 n m s 在研究足部伤害原因时 除了考虑峰值压力外 也需要考虑接触时 问长短的效应 压力负荷率的计算方式为某区域平均足底压力与时间的比率 压 力负荷率在一定时间内只有一个数值 由此可知压力负荷率有其重要性 跑步中 压力变化率越大 越易受到损伤 不同跑速度下测得各分区压力负荷率值 经单因素方差分析得表2 结果 由 表中可以看出 不同跑速下足底压力负荷率足跟区 足前中间区 全足区有显著 性差异 而其它分区无显著差异 表2 不同跑速下各分区压力负荷率统计分析表 由图1 1 可以发现不同跑速下足底压力负荷率在足跟区 足前中间区的值非 常接近 除了全足区外 这两个区的负荷率与其它分区比较也是最大的 而且随 着速度的增加 足底压力负荷率也变大 在足跟区足底压力负荷率在速度为 3 5 m s 与4 5 m s 下明显要比速度1 5 m s 与2 m s 大 参考压力峰值 足跟区和足 前中问区有同样结果 提示这两个分区在慢跑到中等速度的变化情况下 速度的 改变对足跟区与足前中间区的作用和影响是很大的 是造成足部损伤的因素所 在 全足区压力负荷率随着速度的增加负荷率增大 但速度从1 5 m s 到4 m s 足底压力负荷率的变化不大 负荷率增大的原因可能是全足支撑阶段时间减少造 0 o 一 加 一 一弓r 嗵 0 o o o o o 0 m 东北师范大学硕士学位论文 成的 而在其它分区内负荷率没有增大 可能是不同人跑步时足底着地的方式不 同产生的 足跟区足中区足前外侧区足前中同区足前内翻区 垒足区 图1 1 不同跑速下足底压力负荷率比较图 3 1 4 足底各分区峰值压强 足底峰值压强是压力鞋垫每个传感器在单步中测得的一个最大压强值 是各 分区所有感应器的力除以各感应器的面积后所得到的最大值 所代表的是单位面 积所受到的最大的地面反作用力 它反映的是足底各区在跑步中所达到的最大水 平 因此可以比较各分区之间的差异 不同跑速 1 5 m s 2 m s 3 5 m s 4 m s 下各分区压力峰值 p m a 经单 因素方差分析得到如表3 结果 表3 不同跑速下各分区峰值压强统计分析表 由表中我们可以得知在不同速度 1 5 m s 2 m s 3 5 m s 4 m s 跑时 在 足跟区 足中区 足前外侧区 足前中问区 足前内侧区都有显著差异 p 0 0 5 由此可知跑速不同对最大足底压强有很大的影响 以下分别讨论 由图1 2 可以看出 足跟区随着跑速的增加其峰值压强有逐渐增加的趋势 说明随着速度的增加 足跟在着地期所承受的压强也随之增加 其原因是随着速 度增加 足跟着地的面积逐渐减少 而踏地的力增加 结果足跟区峰值压强增加 在足中区 峰值压强随着跑速增加而随之变大 足中区是足部足弓所在 随 着跑速增加足部着地的方式不同 其受力面积发生变化 导致压强峰值发生变化 足前外侧区随着跑速的增加峰值压强有减小的趋势 这与其它分区随着速度 1 2 东北师范大学硕士学位论文 的增加表现的不同 足前外侧区代表是足部第四 五跖 趾所在部位 速度增加 足前中间区受力面积增加 而压力转向足内侧部位 使足前外侧区峰值压强减小 足前中间区与足前内侧区都随着跑速的增加峰值压力增大趋势 这两个分区 也是人体运动时承受压强最大的区域 尤其前足中间区随着跑速增加的幅度压强 变化的最大 这和g m s s 与b u n c h 眩们测得的结果相同 因为速度提高前足力 加大 使足底压强增加 足跟区足中区足前外侧区 意瓣巾麟鹾足前内侧区 一 一 图1 2 不同跑速 1 5 i l 蜘 2 m s 3 5 i i l s 4 n 妇 下足底峰值压强比较图 3 1 5 足底各分区压强负荷率 l o a d 瑚t e 压强负荷率是足底特定区域的压强与时间的比值 单位 n c m m s 足部承 受的能量与足部病变有相当大的关系 在跑步中我们很难了解足底各分区所承受 的能量 为了解足部所承受的能量 因此只能以跑步中压强负荷率对足底的影响 表4 不同跑速卜 各分区压强负荷率统计分析表 表4 不同速度足底各分区压强负荷率 经单因素方差分析后的结果 由表中 可以看出足跟区 足前中间区 足前内侧区有显著差异 而足中区 足前外侧区 无显著差异 由图1 3 可以看出足跟区 足前中间区 足前内侧区随着速度增加压强负荷 率增加 参考峰值压强 足跟区 足前中间区 足前内侧区压强负荷率与峰值压 强有相同的特征 都随着跑速增加其值变大 而压强负荷率较大的区域也同时在 1 3 一s s 一 一 一 一m s m s 一一5 5 一 m m 一 一1 2 3 4 一 一团 口口一 一p l i p l 一 舯 加 o 鼙 蓄 田 臻憾 罐一 东北师范大学硕士学位论文 足跟区 足前中间区 足前内侧区出现 其原因是人体大腿部 与足部肌肉积极 工作增加跑速 对地面的压强增大 支撑时间减少 使足底三个区域压强负荷率 增加 垮 引 足跟区足中区 是i 秽 嘿o i参前中问区 足前内侧区 图1 3 不j 司跑速 1 5 m s 2 m s 3 5 m s 4 n 怕 f 足底压强负荷率比较图 3 2 不同坡度对足底压力的影响 3 2 1 足底平均压力 时间特征 图1 4 1 9 给出了6 名实验者在跑台上分别以0 度 2 度 5 度 8 度的坡度 以2 m s 跑的情况 从这些实验者图中可以看出冲击峰随着坡度的升高逐渐下降 运动峰除实验者6 外 其他5 人随着运动坡度的升高而峰值下降 实验者1 与实 验者3 实验者4 在0 度坡度与2 度坡度上跑的冲击峰值明显大于5 度与8 度坡 度上跑的冲击峰值 所有实验者在5 度坡度跑时冲击峰要比0 度小很多 但与8 度坡度跑时差别不明显 可见 对于健身者采用5 度坡度跑时既达到负荷强度的 要求又能减少足底损伤可能性 r 嘲8 0 0 i 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 i 2 0 0 1 0 0 0 一 00 0 5nlo 1 5o 2o 2 5o 3o 3 5 时同 s 图1 4 实验者l 不同坡度跑足底压力时问曲线图1 5 实验者2 不同坡度跑足底压力时间曲线 1 4 东北师范大学硕士学位论文 o 口 0 誊仉lo 1 50 20 2 5o 30 3 5 时间 s 图1 8 实验者5 不同坡度跑足底压力时问曲线图1 9 实验者6 不同坡度跑足底压力时间曲线 3 2 2 足底各分区峰值压力 不同坡度跑足底峰值压力 f m a x 经单因素方差分析得到如表5 结果 由 表我们可以看到不同坡度跑时 0 度 2 度 5 度 8 度 足跟区 足中区 全 足区有显著差异 p 0 0 5 足前外侧区 足前中间区 足前内侧区 无显著差 异 由图2 0 可以发现不同坡度跑时在足前各区的峰值压力相当接近 但在足跟 区 足中区 全足区有明显的差异 足跟区 全足区随着坡度升高足底峰值压力 下降趋势 而且0 度与其它坡度跑比较时 其峰值压力最大 2 度 5 度 8 度 跑时其峰值压力下降的幅度不大 足中区随着坡度升高足底峰值压力升高趋势 这是因为 所有实验者在水平地面跑时足跟首先接触地面 但是由于坡度角度的 增加 实验者足落地时 更多用中足着地 从足跟区峰值压力随坡度升高其峰值 压力下降 也可以表明这种情况 足前区 足前外侧区 足前中问区 足前内侧 区 随着坡度升高 足底峰值压力变化无规律性 这种无规律性是由于不同实验 5 东北师范大学硕士学位论文 足跟区足巾区足前外侧区 图2 0 不同坡度跑时足底峰值压力比较图 一 二 霹 羹 熏 藤曩n 匾网i l 2 度 i 口5 度9 邀j 3 2 3 足底各分区负荷率 不同坡度跑足底压力负荷率的值 h a dr a t e 经单因素方差分析得到如表 6 的结果 由表中可得知不同坡度跑时足底压力负荷率 除了足中区 足前内侧区无显 著差异外 其他分区皆有显著差异 由图2 1 可以看出 足跟区随着跑的坡度升高足底压力负荷率下降 参考足 跟区峰值压力 足跟区压力负荷率与压力峰值具有一致性 都是随着坡度升 高其 值下降 足跟区压力负荷率变小的原因是坡度升高后 足落地时 足跟区接触地 面的面积减少 平均压力减小 结果使足底压力负荷率减小 足前外则区 足前 中间区随着坡度升高其压力负荷率下降 原因是坡度升高后 足支撑时间延长导 致足底压力负荷率变小 从各分区来看 在2 度坡度上跑时 负荷率下降得最多 而在5 度 8 度坡度跑与2 度坡度跑时比较 负荷率下降不是很多 由于压力负 荷率越大对足产生损伤的可能性越大 由此可以认为2 度坡度上跑是比较合适 1 6 东北师范大学硕士学位论文 的 在2 度坡度上运动负荷率不大而且运动强度不大 更适合健身者运动 可以 减小运动损伤 表6 不同坡度跑 卜各分区压力负衍率统计分析表 ji l i l mm 目 足前外侧区足前中间区足前内侧区全足区 宙 度 一2 度 口5 度 i 口8 度 图2 1 不同坡度跑下足底压力负荷率比较图 3 2 4 足底各分区峰值压强 不同坡度跑各分区峰值压强 p m a x 经单因素方差分析得到如表7 结果 由表中我们可以得知在不同坡度跑时 在足跟区 足前外侧区 足前中间区有显 著差异 p 0 0 5 只有足中区没有显著差异 由此可知坡度的改变对各分区足底 峰值压强有很大影响 由图2 2 可以看出 足跟区峰值压强随着坡度升高有下降的趋势 在足前外 侧区 足前中间区峰值压强随着坡度升高有增加的趋势 而0 坡度与2 坡度峰值 压强几乎相同 说明2 度坡度上跑峰值压强升高不明显 而在5 度与8 度坡度上 跑时 峰值压强升高的幅度大 足跟区峰值压强随着坡度增加峰值压强减小 而 足前中问区 足前外侧区随着坡度增加 表明足底峰值压强随着跑的坡度增加 压强向前足移动 足前内侧区峰值压强随着跑的坡度增加 变化没有规律性 只 是5 度时压强峰值比其它坡度跑时要高 1 7 东北师范大学硕士学位论文 表7 不同坡度跑各分区峰值压强统计分析表 图2 2 不同坡度跑时足底峰值压强比较图 3 2 5 足底各分区压强负荷率 不同坡度跑足底压强负荷率 l d a dr a t e 经单因素方差分析得到如表8 结 果 由表中我们可以得知在不同坡度跑时除了足中区无显著差异外 其余四个区 域都有显著差异 表8 不同坡度跑各分区压强负荷率统计分析表 由图2 3 可以发现不同坡度跑时足底压强负荷率在足跟区 足前中间区有下 降的趋势 也就意味着随着坡度的升高 受试者在跑步运动过程中 足的着地方 式发生了变化 足前中间区着地面积增加 足底第二 第二跖骨与地面的接触时 1 8 一度度度度一 一o 2 5 8 一 一囝 口口一 东北师范大学硕士学位论文 间延长 导致足前中问区压强负荷率下降 在不同坡度问比较 足中区2 度坡度 与5 度坡度足底压强负荷率差别不大 而2 度坡度与0 度 8 度坡度压强负荷率 差值大 足前外侧区2 度 5 度 8 度跑时压强负荷率差别不大 但与0 度比较 其值小于0 度 由此表明2 度坡度跑时压强负荷率在各区域变化不大 不易造成 足底各区域负荷率值过大 更适合健身者锻炼的目的 图2 3 不同坡度跑下足底压强负荷率比较图 1 9 东北师范大学硕士学位论文 4 结论与建议 4 1 在跑台上运动 随着跑速增加 足底冲击峰逐渐增加 但运动峰变化 不明显 4 2 在跑台上运动 随着坡度增加 足底冲击峰逐渐下降 运动峰也逐渐 下降 4 3 在跑台跑步过程中 随着速度的提高 足底压力分布随之发生变化 足跟区所承受压力峰值随着速度增加随之增加 足前中部压力增大 足前部第二 第三跖骨受力峰值加大 并且压力负荷率在足跟区域与足前中部变化出现类似增 加的特征 4 4 在跑台跑步过程中 随着速度的提高 足底压强分布随之发生变化 足跟区与足前中问区压强峰值都随着运动速度增加而增加 压强负荷率的变化足 跟区与足前中间区变化有类似的情况 随着跑速增加而增加 说明如长期在跑台 上跑速过快可能造成足舟骨应力性骨折 4 5 在跑跑台步过程中 随着坡度的升高 足底压力 压强分布随之发生 变化 坡度的加大 对足前各区 足跟区域有很大影响 4 6 通过6 名实验者以不同速度与坡度在跑台跑时分析来看 对于跑步健 身者跑步时 速度控制在2 m s 3 5 m s 较适益 为了达到一定的负荷强度时可 采用坡度升高在2 度一5 度较适益 也可以采用速度在2 m s 一3 5 m s 与坡度在2 度一5 度坡度组合跑 这样既达到了健身的目的又最小限度减少过高的冲击力对 足底损伤的可能性 东北师范大学硕士学位论文 参考文献 1 吴剑 李建设 步态生物力学研究进展 j 中国体育科 2 0 0 2 3 8 1 1 6 2 6 2 王人成 朱德有 莫明军等 行走两种步态模式的实验分析 j 中国康复医学杂志 2 0 0 2 1 7 4 2 3 3 2 3 5 3 王兰美 郭业民 潘志国 人体底压力分布研究与应用 j 机械制造与研究 2 0 0 5 3 4 1 3 5 3 8 4 吴剑 李建设 青少年女性穿不同鞋行走时步态的动力学研究 j