现代运动鞋科技创新综述2

现代运动鞋科技创新研究综述朱菡笑，李建设，陆毅琛，顾耀东（鄞州职业教育中心学校体育组；宁波大学体育学院）摘要:以运动时人体足部各环节与运动鞋设计、材质、使用性能之间的关系为研究对象。对制鞋材料、防震体系等进行材料学、生物力学、生理解剖学等多方面的分析和研究。旨在指导设计适合各种运动需要的运动鞋，使运动鞋的使用更科学、安全、可靠。关键词:运动鞋；防震体系；弹性；能量回归；透气ASummarizeResearchoftheScienceandTechnologyInnovationintheSportsShoesZHUHanxiao,LIJianshe,LUYichen,GUYaodongAbstract:Theresearchstudiestherelationshipbetweenthetachesoffootandthedesign,thematerial,thecapabilityoftheshoesforsportsinordertohelptheathletesmakingperfectperformancewithfoot.Thematerial,theshockproofsystemandotherinnovativedesignsforsportsshoesareanalysedandstudiedinthefieldsofSportsBiomechanicsandFunctionalanatomy,etc.Theaimofthisresearchistousescienceandtechnologyguidingthedesignforsportsshoeswhicharerequiredforallkindsofmovements.Keywords:Sportsshoes;Shockproofsystem;Springiness;regressionofenergy;Breathefreely前言：随着社会经济和科技的发展，运动鞋的内涵已不断扩大。运动不仅在竞技场上如火如荼的演绎，更是渗入大众的业余休闲生活中。现代科技作用于体育装备，可以促使运动效果更为显著，运动水平更为优秀。因此，作为最基础的运动装备——运动鞋已实实在在地渗透到每一项体育运动中。广义上的运动鞋（包括专业运动鞋和普通运动鞋）在一些体育和经济发达国家的鞋类消费总量中已占1/3。现代运动鞋已不只是满足耐用舒适的功用，而是从不同运动中寻找运动特点、最佳防震性能和最佳稳定性。其中运动鞋的防震体系又成为众多要素中的焦点问题。2.运动防震鞋的种类及生物力学分析2.1材料的力学特性制鞋材料的力学特性包括弹性、质量和强度等。特别是鞋底的前脚掌部分材料和防震体系材料的弹性对跑、跳等活动将产生很大的影响。在蹬地时相，材料受到冲击载荷的作用，将被压缩。落地缓冲时相，材料又受到冲击而再次压缩。其力学意义有两个方面：（1）由于鞋底为地面与人体之间的中间体，因而对人体而言，由于鞋底的弹性，地面对人体的冲击力将得到有效的缓冲。可使下肢肌群退让性工作适当减少，以利于后蹬阶段肌群的克制性工作。（2）从能量转换的角度分析，由于弹性，可储存部分弹性势能，实现能量的二次利用，增加后蹬时的后蹬力。方鞋的质量大绑小亦对运动才能力产生影怒响，鞋是人析体的附加物尸，鞋的质量节越大，在运共动过程中消宿耗的能量累椒积也越大，伞在保证足部他运动安全保妙护的前提下扩，适当减小堡鞋重是非常兽有效的。耐饱克公司为百领米女飞人琼搬斯特别设计湾的无后跟跑粪鞋就应证了卷这一点。畅2.2假鞋足系统虹的整和性刊坦鞋足系统的喂整和性主要芒指鞋的内部仔结构、形状世与人体足部峡结构与形状沈的匹配问题汉。特别是运座动时足部的具变形特点以于及蹬离和落毫地方式不同财，从而对鞋椒内不同部分危的作用力有援显著的运动巴项目特征和躲人体个性特巨征。另外，笨为了使运动篮时蹬伸更有环力，落地缓数冲时足部受掏压更小，鞋档子防震体系凳设计往往越归来越复杂，迫但这就容易形增加增加鞋仅底的高度，梦使得鞋足之托间的稳定性羞下降从而使羞足部受到运突动创伤。最阅后，在运动散时鞋内部的亦温度也影响浓运动员的舒锹适感，因为例运动时足部颠释放大量的忧热和汗，一之般性运动时在，足每小时徐产生15毫怨升左右的汗珠水，剧烈运疫动时，足每做小时产生3格0毫升左右犹的汗水。如婚果制鞋材料功的透气性不移佳，热和汗献将无法及时挤散开而造成誉水泡、脚藓肝等疾病。鞋贿足系统如果注在以上提及宾的任何一处业不协调，都管将影响运动刮鞋的舒适感百，进而对运明动动作结构塔产生不利影轮响从而影响萄成绩。此外拜就是能量回畜归，运动中价当脚落地冲雄击地面时，森鞋通过受压萄变形而吸收壮能量，当人卖举步离地时配鞋又能将能搏量回输给穿昼鞋人，此称钢为气“弟能量回输劈”刊，这种能量乱回输能强化土动作，使跑泼步更快，跳腹跃更高，人松更省力。根返据这一理论番，要求鞋底戚具有双重特移性乔——诸减震和回弹残。挨2.3脊运动防震鞋隶的种类及力节学分析片捕美国最大牌骨运动品尘——勉耐克（NI宫KE）搬AIRMA金X气垫防震厉系统是以高遣压方式将一森种特殊气体芳灌入一个坚贯韧合成的橡款胶层内，气珍垫中的气体庭不会因外来荣冲击力而流土失，气垫内查不同压力的警气室，提供渔不同MAX汁AIR，捞针对不同运投动的需要。啄ZOOMA歪IR气垫防赵震系统是气清室内放置弹哭性功能佳的枪尼龙立体织俗物，没有任败何接缝，表禾面光滑。能辩使脚更贴近专地面，以降躲低重心增加既稳定性。超梦薄外型减少解使用中底材火料，且使用河PHYLO夸N为中底，否比使用PU将中底轻。气狭垫表面无接验缝，比其他绕多50%容其量，减少空托间以换取更颠大避震效果详。TUBU夏LARAI脑R气垫防震讯系统是以八宴脚章鱼般的两管状气室设院计使气室互萄相流通，使掀脚下作用力诉更为顺畅，匹增加落地时你的稳定度。哀SHOX防纵震是在鞋跟饲部位装了数穷个COLU嫌MNS（回瓣力柱），这令些回力柱采垒用的特殊高牲弹性发泡材歇料与一级方殊程式赛车的丘悬挂系统的半概念如出一河辙，而且质或地轻盈、吸考收地面传来截的冲击力，忽受压初期迅隐速压缩以缓盼和足部动作丈，然后迅速刑恢复到原来烘高度的过程痰中再释放出涌动力，保护瓣腿部各关节赠并同时降低丝脑部受到震挖荡的危害。王描美国最早的拒运动鞋生产诸商尘——糟锐步（R炎EEEBO镜K）瞒蜂窝式气垫扰防震系统是出由若干个犹情如小蜂室的饶小气囊组成彼，各自是独挡立的气室，翼整块气垫犹漆如蜂窝，各鲜个气室能承秒受运动时足每部不同的分板压，从而分蛾散对足部的认压力而得到吗缓冲。DM季X活气垫防摧震系统是运军动鞋前脚掌融拥有一个大末气室，后脚腰掌除配有一慎个大气室外旧，更附加了做后脚跟及侧引边气垫，可残以防止足部舅侧翻。其中坑缓冲式的空近气调节阀使臭空气流通更恶稳定，保护蓬足弓肌肉。扁此外，为避估免扭伤足踝荒，舒缓脚后巨跟的反作用旱力，避免脊遥椎、膝盖受致到的压迫，怖鞋后跟采用鱼弧型斜脚设匠计，使后跟播足部先着地忧，再借由T薯UP支撑片处将稳定性提舅高，通过活彼气垫气室中和空气的流通史，发挥吸震仪、抗压与舒返适的功能。秒吸德国体育用焦品元老战——授阿迪达斯（伤ADIDA夺S）道扭力系统是锣基于该公司拣于20世纪济80年代提漠出的颂“剂纠正跑步扭驱偏肾”呀的理论。根灶据该理论，贷鞋底的前掌茅和后跟被扭月力槽分隔成酷两个部分，矩断开的部分惹称为扭力槽顿（或扭力条垒）连接。由僚于扭力槽的都存在，脚可牌以根据跑步劳姿势的需要遣，顺其自然染的产生扭动蹄而产生扭力才，并在扭力扇的作用下，菠有效的控制简扭转角度，这把扭幅控制下在一定的范社围内。当跑查步离地时，耗扭力条因脚三的摆动而弯孩曲，产生杠挡杆力，控制逃扭转角度，税可以在一定貌程度上加大歉跑步的能量萝，又可以补熟偿因腿的扭懂摆所带来的客危害。当扭叨力产生时，拴若鞋底不足克以阻止扭力坡造成的脚踝菜“付外倾哨”戒或径“夜内倾锤”督，必然使脚雕步弯曲，这浅样就失去了垮对脚的保护拦，且能量不呆能有效的回爪归腿部，致扰使能量消耗针增大，影响片运动水平的该发挥。庙2趣.蚁3.勉4设德国体育用钩品商护——钻彪马（PU尚MA）。它搞在足球鞋的薯制作上独树厨一帜，19镇54年防滑尸球鞋和保护涉脚踝的鞋诞藏生；196转0年首创硫绒化粘合鞋面霸和鞋底；7东0年代，P凭UMA推出妥PU多功能肤钉鞋底及可测拆除的防滑日片，令足球偶鞋更富弹性跑、耐用、轻圾便；80年弯代首推可换电钉的多功能予足球鞋，它袜的吸震EV撇A广泛成为财业内标准；亏90年代，岸PUMA在盟鞋面加入K盗ELVAR仪物料，采用乞金属防滑片辽，在鞋头及挠易损耗的鞋艳钉上加上摩恋擦系数更大链的氧化铝锐,党以便提高足誓球鞋的耐用嗽性。现2.蛙3.私5输意大利斐乐穗（FILA侧）注FILA拥两有3A专利辱（3AC考TION系宴统），它满虽足了直向及污横向运动的室需要。前掌尺3ACTI钻ON小心保戚护脚趾，同亡时提供适当叶柔软度。后溪跟位置的3塌ACTIO谅N能保护脚诵跟在着地时张受到的冲击权。脚跟独立生的3ACT于ION更能睡包容不同步持态带来的震斗荡，防止脚养外倾，降低送扭伤。透明驳封闭式气囊溜吸收低频率嫁冲击，创新脱形状有效吸约收高频率冲梦击。气囊+圾核心能提供证持久减震、霞超级稳定和唱有效的能量像回归。在其肥他方面FI洒LA还有类川似F1赛车内式的流线性巧外体鞋型，识以减少空气串阻力。压缩犹橡胶（CM搅R）中底、置脚窝模胶以召加强稳定性践。泊2.丙3.勾6色日本美津浓概（MIZU甲NO）桌MIZUN爆O采用创新司的波浪防震扯技术，即鞋叼的前脚掌和摇后脚跟由一孝块压缩橡胶寒（CMR）芦制成的波浪嗓型，而且中撤空的鞋掌和打鞋底与整个屈鞋底胶合，毯从而充分利扮用压缩橡胶听的柔韧性有贤效缓冲运动赌中落地时对煎脚的冲击。单2.概3.普7移美国匡威（钓CONVE剥RSE）南CONVE次RSE采用密REACT碑减压避震系势统，可有效所分散冲击力佳，仅中底部弃的油包（内驶容物是胶固晃体）就能承否受1800畏磅的垂直冲皱击力。此外景CONVE咽RSE还独绿创稀有气体脚氦气填充的犯氦气垫。氦踩气则比空气伶轻7倍（空趴气质量是氦听气的7倍）霉，因此整个志防震系统就愿减轻了鞋本厘身的重量负欢荷，以提高砍轻便性。卸2醒.充3.仇8郑其他品牌。瓜茵宝（UM吉BRO）、织乐途（LO芦TTO）、胃王子（PR遥INCE）午、威克多（遗VICTO饺R）、李宁妻（LINI钞NG）等其螺他运动厂商满在各自擅长踪的领域，如帜足球、网球凝、羽毛球、舞体操都有各悉自不同的研吓究与贡献，稿但归纳起来钱不外乎以上窑所涉及的类隔型。衬2王.括3.糖9阁卡除安“断美津浓套”蠢和分“跟匡威篮”臣以外，各类哑防震技术都固不同形式的娱采用了气垫胸技术防震，坐就像高级轿养车的安全气每囊一样，达还到不同程度缓、形式和要沾求的脚步冲扒击力缓解、讲能量回归和充足部保护的所功能。其中术不少运动鞋扑厂商也采用崖了邪“讯鞋中鞋双”陷技术，即内喘鞋由柔软舒卧适、透气性理好的面料制观成并配有防辩震体，外鞋娃由提供保护躺和耐磨的T绒PU框架及贩尼龙网布构铃成。由于各厨种气垫鞋在艰保护足部的员同时不可避想免地使脚底执离地面的高望度相对提高沈，从而使得米运动时轻松岂自如的控制利能力相对降仔低，且脚的释稳定性不同棵程度的降低宽，彩“户鞋中鞋渠”眯技术使脚底肉离地面的距岭离比普通鞋润减少了25读%，有利于泪脚在运动时彼更贴近地面板，更自如的咱改变运动方性向而不扭伤遭脚踝。荒“通美津浓急”若波浪防震和屑“军匡威脸”榜油包防震设励计避免了气扫囊式运动鞋期容易被尖锐均物品刺破而灭失效的弱点暑，这两种设握计满足了不点同运动场地方条件下运动轨的避震保护释效用。剧3.足部壶机能解剖特从性与鞋足防仇震系统的结寻构分析参3.1睬踝关节（称距小腿关节备）在冠状轴裁上除可作背喇屈、跖屈运钻动外，当跖差屈时，距骨似滑车较窄的鸟后部进入宽聋大的关节囊桃，故可在垂链直方向上可江作轻微的侧妥向（收、展屑）运动，收霉展活动角度趟均离中位2夺0度。跗骨鬼间关节多为尼微动关节，符有距跟关节剪、距跟舟关尤节和跟股关启节等，其中羽前二关节在严运动时能使足足内翻和外龙翻踝关节，妻内翻、外翻骂角度均离中析位35度。陪运动时，内亏翻通常伴有姿跖屈，外翻矩通常伴有背祝屈，因此，竞运动中踝关俭节内翻时，接脚底平面与励地面的夹角饿是35度，埋踝关节外翻篇时脚底平面究与地面的夹得角是15度阳。所以在运酬动鞋防震体震系的设计上剩必须遵循这记一生理解剖盟特点。足内萍翻时防震体歪在受到压力默压缩缓冲过横程中，鞋内帜底内侧和外伤侧受到的冲冈击不同，因狂而防震体的咬变形度大相屡径庭，鞋内乓底受到不同族压力而变形双（内侧高，鞭外侧低）后劲的倾斜面与才地面夹角不勾得大于35坊度，否则踝响关节必将在刊运动中因防循震体系自身阔的缺点而损躺伤韧带。从叹机能解剖上被看，踝关节宁外侧副韧带字较内侧薄弱取，足内翻肌冒群较外翻肌圈群肥厚，所仔以在足踝剧杠烈运动时，兄容易产生踝窃关节内翻过披度，导致外燃侧副韧带损丈伤。同样，捆在足外翻时铜，鞋内底受尤压变形（内野侧低，外侧拐高）后形成弯的倾斜面的戏平面与地面您夹角不得大来于15度，扔以防止内侧响副韧带损伤凤。职3.2院费跖趾关节的盗活动范围在闻水平脚面的搬上下45度坑内，因此，位运动鞋前端姑位于跖趾关瓣节处应注意席弯曲度不得晚大于45度盗，否则运动维时的一些意饰外伤害中，昌跖趾关节将厨很有可能被嘴扭伤。干3.3纲足弓部位的遣鞋型设计要帮符合生物力乒学原理剩【6】费。足弓部位络鞋垫较为高精突的设计有许利于维持足娃跟部运动的敬稳定性，防犁止跗中部、灰足跟因形成沃局部承重点零所导致的运怪动时或运动滚后的疼痛和驾跖腱膜炎的织发生。表1疼是10名被屋试在有足弓充垫突起鞋和斧无足弓垫突座起鞋两种状付态下的足部异平均压力值茅及占体重百护分比的比较歇。盖表1：两种匙状态下足部均平均压力值围及占体重的鉴百分比宅部位勒无足弓垫突次起鞋（神g,址%赔）区有足弓垫突政起鞋羞(g味,%)斧前足采6712膛g哨，27.燥7%售3767命g,赛14.6%性足弓忙6494偷g,崭26.8隙%棚14732李g,辞57.1中%注后足乒11025那g,申45.5壳%绕7301雅g,呈28.3%纺表1显示：糟在鞋型设计喝上有足弓垫寿突起的状态抛下，人体前哑足的平均压编力是无足弓秘垫突起状粒态下的56叛.12%，哥减少了43脑.88%，里体重百分比妻减少了13秋.1%；人悼体足弓部分牺受的平均压突力是无足弓队垫突起的2子26.86易%，增加了军126.8孝6%，体重娘百分比增加阶了30.3运%；人体后江足部分受的趋平均压力是退无足弓垫突睛起的66.律22%，减她少了33.敲78%，体肺重百分比减椒少了17.宵2%。所以滴足弓垫突起贷的设计，有露利于分散人煮体对前足和开后足压力，肿转移一部分栽压力至足弓虏部分。它能登减轻前、后叛足负重，增素强足纵弓的红支撑力，缓功解跖腱膜的污牵张力，对晋于防治足跟凡部运动创伤偷而引起后遗副症是一种符董合生物力学印规律的设计递方式。秧3.4迟鞋尖适度外贞翘，以减少珍鞋尖的着地舟面积，起到守保护足尖的舅作用。跟部栋加厚，在鞋圈楦设计上加与大后翘（1历2质mm—15存mm负）而形成一披定的坡度，国使运动时身卫体前倾，有尿助于减少踵座腱受伤，鞋累跟部每升高逃1疮mm堪足踵腱松弛饰率是8%。陈3.5爸人体正常站堂立时，在足耽与地面接触前的部分，足群跟约承受负耐荷的50%吧，其余50跨%由1-5释跖骨承受。敌但由站立转押向步行、跑绵、跳等运动骑时，足跟提属起，身体重核心前移，负帜荷集中于第忽2跖骨头和怕第2近节趾阿骨底上。因傻此，运动鞋取设计必须遵寻循这一机能奴解剖学的特溪点，在防震水体系设计上觉要依照上述吹特点，在受膝力点上应设嗓计缓冲效果严更佳的弹性盟或气垫材料鞭，以便缓冲燥运动中地面铲对足部这些歌受力点的压辣力，保护运再动员的足部磨。柜4.实验研购究分析河4.1你陆毅琛等，剧采用中国国芹家体育科学槽研究所设备右-德国no斩velp越edar足索底压力分布奸测试系统对躁人体足部三财种不同状态写下（即裸足融、穿着普通卡防震运动鞋霜、穿着全掌该气垫防震运朵动鞋）被试谎连续纵跳过玉程进行脚底保压力、压强谨的分布解析层。棚4.2甜实验研究结寸果分析脉浆代（图1.1闻）赖钞边（图1遵.2）施木稀泳（图1顶.3）酒以上三个3浇D-MVP出图（平均足山底压力分布悉三维图）分垄别显示了人泡体裸足（图悦1.1）、牺穿着运动防先震鞋a(图枣1.2)、铅穿着运动防涉震鞋b(图饿1.3)三伯种状态下人察体进行连续纷纵跳过程的拦足底压力分财布情况。由覆以上实验图招象1.1可炼以明显地定璃性看出人体割在纵跳时，健裸足状态下项在足部各个希主要落地点据即前脚掌各职个跖骨点以雾及拇趾和第谈2、3远节组趾骨点的平文均压力值明吉显高于足部旨其他部位，和特别拇趾是辫足部平均压占力最高的部陈位，各点平贪均压力分布屑差异性大，鬼这与人体纵计跳过程中，狭落地缓冲力捕和起跳时地魄面对足部的抹反作用力大笼部分作用于杨如上所言的贺作用点，符领合自然条件杰下运动生物愁力学规律。咏通过图象1懒.2的定性猴分析，可以滚发现前脚掌饥各个跖骨点兄以及拇趾和尤第2、3远猛节趾骨点的申平均压力值伤较高于足部袖其他部位，请拇趾还是足嘉部平均压力浑最高的部位懂，但是各点软平均压力有复所减小，分修布差异性明牛显变小。再请定性分析图夹1.3，可贤以知道足底纳平均压力分具布情况与图税1.2有所慢相似，但是啦从平均压力背分布区域来籍看，脚弓以堤及足跟部位编压力分布范济围更加大，茎平均压力值卖更加趋于平翅衡。面4.3跪实验研究总欣结通过脱对裸足和不称同类型防震犁运动鞋的状需态下人体连库续纵跳过程友中足底平均体压力分布特将点的定性分仗析与比较研拴究，可以发背现防震运动恨鞋可以有效讯减低纵跳时乏外界对人体搭足部的冲击膨，对减少对再足部各个部堵分的伤害，争降低肌肉、迷肌腱以及神晓经、血管的猪受压力，提努高运动竞技跟能力有着不挪小的功效。祝此外，不同碌类型的防震摊运动鞋对人谁体足部的防荡震功效又有驱着特殊的差禁异性。5.结论例5.1糊运动鞋的功眯能要求。对昼运动鞋性能袄要求应着重多于两方面：箱一是满足运贵动的功能；贞二是在降低菠运动员体能具消耗的同时享对足部骨骼餐肌腱起保护纺功能。其中拖包括运动鞋若的：（1）耀轻质化：确唯保鞋牢靠的烟前提下减轻抖质量，减少士能耗。（2萄）透气：鞋仿要有良好的首透气、透水谷性。为此一愉方面从材料紧着手，另一肉方面是采用帜自动进行吸概气冲洗的循饲环底等结构奶。（3）弹届性：鞋需具末有良好的弹盯性，不仅有淡助于获得良贡好的弹跳，够还可起到节咳能、蓄能的只作用。（4姥）减震：利秤用减震系统张的减震功能揉可减少运动灯对人体的冲梨击强度。鞋石腔和足部形荣状达到吻合烫，更可提高蛛减震效果。推希5.2杰运动鞋的制押鞋材料要求尽。（1）大禽底：运动鞋敏大底的功能灾是保护脚底届，同时起到安助弹跳、制毁动、防滑和衔减震等作用袭。常用的材随料是全胶、区全塑、橡胶仙及PU等。膜（2）内底陕：大多内底筹材料一直延凑用以EVA搂为主体的微驼孔体。（3英）防震体系牺：一般材料氧包括气体（敌空气、氦气烫等）、液体挤、塑胶、全求塑、全胶等搬。（4）帮须衬：主要使珍用的材料有奥天然革、棉可帆布、尼龙斑织物、合成暴革、复合面案料等。庄5.3疲运动鞋的签弊端特运动鞋和旅臂游鞋鞋底较姻平坦，可塑存性大，富有诵弹性，对青击少年跑、跳犹起到一定的快缓冲作用，定因为相当青渴少年学生喜够欢。但长期察穿着的弊端驶是：由于鞋青内温度和湿屋度的提高，句脚部的韧带佳容易变松拉口长，脚掌逐箩渐变宽，久捆而久之变成括平足。运动宫鞋的用料大街多是橡胶、焦塑料、海绵援、尼龙、帆粒布等，透气胳性较差，汗碎脚长时间在浇这