足球鞋生物力学设计对运动表现和损伤的影响,运动生物力学论文.docx

足球鞋生物力学设计对运动表现和损伤的影响,运动生物力学论文20世纪70年代以来，随着运动鞋研究的积极展开以及足球运动的广泛开展，足球鞋也逐步得到关注与研究。在所有足球有关的运动装备中，足球鞋作为一种功能性鞋具与足球运动的关系最为密切和直接。足球鞋的鞋面是主要与足球接触的部分包括鞋头、鞋舌、鞋带、鞋身；鞋底是直接与场地接触的部分包括中底、外底、鞋钉。鞋钉一般按形状划分为常见的圆钉和刀状鞋钉1;随着足球运动的广泛开展，足球鞋的分类也越来越细，根据不同鞋底设计将足球鞋划分为下面几种类型：合适外表松软自然草地的SGSoft Ground系列、合适外表较硬自然草地的FGFirm Ground系列、合适较软的泥地、沙地和 草 茎 短 的 人 造 草 地 等 硬 场 地 的HGHardGround系 列、适 合 人 造 草 地 的AGArtificialGround和TFTurf系列及合适室内足球的INIndoor系列等2,这几种类型足球鞋的差异具体表现出在不同构造、形状、数量、长度的鞋钉设计上，如SG系列足球鞋一般是6到8个金属长圆钉、FG和HG系列足球鞋一般是采用合成树脂或橡胶材质制造的鞋钉，鞋钉较短、TF系列足球鞋已经不具备鞋钉，而是与鞋底一体化的橡胶颗粒，俗称 碎钉 、IN系列足球鞋没有鞋钉，取而代之的是橡胶或牛筋鞋底3.本文的目的是总结足球鞋生物力学设计对足球运发动的运动表现和非接触性运动损伤风险的影响，为人们根据场地以及本身特点合理选择功能性足球鞋提供建议和指导。 1足球鞋设计对运动表现的影响 足球运动的特点决定了运发动经常需要在短时间内完成快速启动、侧切、急停转身、快速射门和传接球等技术动作，足与地面之间的良好缓震、足够的牵引力和稳定性是完成这些技术 动 作 的 前 提 条件4,36,一双具有良好功能设计的足球鞋往往能够为这些技术动作的出色完成提供保障。 1.1足球鞋鞋底设计对运动表现的影响 足球鞋鞋底是直接与运动场地接触的部分，也是足球鞋中最具有科技含量的部分，它需要为运发动在场上的加速、转身、急停等动作提供足够的抓地力、稳定性和摩擦力5;鞋底设计主要包含鞋钉设计、鞋底软硬度设计和减震设计，不同运动场地对应的足球鞋的差异不同主要具体表现出在鞋钉设计上。 Cawley等6研究发现有鞋钉的足球鞋与其它运动鞋相比在自然 草 皮 上 能 产 生 更 大 的 抓 地 力；Clarke和Carr 7测量了不同场地条件下不同鞋钉设计足球鞋的垂直位移、鞋钉抓地力和鞋钉有效浸透面积，总结出在自然草皮上，抓地力的增大是依靠鞋钉与草皮之间互相浸透的有效横截面积的增大，而在人工草皮上，鞋钉没有完全穿透草皮外表，与草皮之间没有互相浸透压缩；Clemens M ller等8对15名足球运发动在人工草皮上分别穿着两种不同形状和三种不同长度鞋钉的足球鞋见图1进行障碍跑和直线。 加速跑，结果显示穿着刀状鞋钉足球鞋成绩显着高于圆钉足球鞋、在一定范围内鞋钉长度越长对应的成绩越好见图2，通过结果分析得出刀刃状鞋钉通过增加与地面的接触面积进而增大鞋底的抓地力，鞋钉的长度应介于50%和100%之间，并且随着鞋钉 长 度 的 增 加 抓 地 力 也 随 着 增 加；McGhie D等9布置22名专业男性穿着三种不同鞋钉设计的足球鞋在三种不同的人造草皮上进行直线冲刺跑和90 侧切两个动作，结果显示，鞋与地面之间的峰值牵引力、侧切滑动速度有显着性差异，但牵引系数并不随着鞋钉构造和草皮状态而改变，这可能是由于球员对足与地之间的牵引力有主动的调节作用；Sterzing等10研究发现鞋钉数量和构造的不同会对跑动速度有显着性影响，综上研究，鞋钉的形状、长度、数量、构造直接影响了足球鞋的抓地力和稳定性，进而对运动表现造成影响。 1.2足球鞋鞋面设计对运动表现的影响 足球鞋的鞋面是直接与足球接触的部分，鞋面生物力学设计与舒适度、击球触感、准确度、球速等密切相关11.Sterzing和Thorsten12研究了三种鞋掌围度的足球鞋分别是较窄围度、中等围度、较宽围度对运发动的舒适度、活动灵敏性和跑步速度的影响，发现，中等围度和较宽围度足球鞋具有较高的舒适度，鞋掌围度不同对活动灵敏性和跑步速度没有显着性影响；Fraser等13对三种不同鞋面设计和材料的足球鞋进行抗弯曲性试验，发现鞋面材料和设计的不同显着影响了足球鞋整体的抗弯曲刚度，进而影响球鞋舒适度；Hennig等14研究发现，鞋面设计对击球准度和球速有显着性影响；Ishii等15运用三维有限元模拟的方式方法对五名足球运发动穿着不同鞋面设计的足球鞋击球时球的出射角度、速度、旋转度、形变程度进行建模分析见图3，得出足球鞋面的弹性模量、摩擦系数对球的出射角度、速度、旋转度均 有 一 定 影 响，但 不 显 着；Sterzing和Hen-nig16研究了四种不同摩擦系数鞋面的足球鞋鞋面，发现对同一个人一样动作击球后球的速度产生显着影响；Kuo等17研究 发现鞋带在鞋面上位置的不同对球员击球准确度有显着影响；综上表示清楚，球鞋的鞋掌围度，鞋面的弹性模量、摩擦系数、鞋带位置等因素会对球鞋舒适性和击球触感、球速、准确度等产生影响，进而影响运动表现。 2足球鞋设计对非接触性运动损伤的影响 足球非接触性运动损伤日益增加，致使很多优秀的专业足球运发动和业余喜好者运动生涯的提早终止。导致非接触性运动损伤的原因很多，并且主要集中在下肢的膝关节、踝关节、足部33,文章主要从足球鞋的角度出发讨论足球鞋与足球运动中非接触性运动损伤的影响。 2.1足球鞋设计对膝关节损伤的影响 膝关节是人体最大、最复杂的关节，足球技术动作中有很多快速启动、急停转身、侧切启动、大力射门等快速反响动作，这些动作的反复累积会引起膝关节过度旋转、内外翻而导致各种急慢性损伤的发生。膝关节损伤大部分集中在十字韧带损伤、半月板损伤、内侧副韧带损伤等处34,35.如今很多的鞋钉设计都要求在不同方向的运动上提高抓地力，有学者37,38研究发现鞋底与地面之间过高的牵引力是导致非接触性膝关节损伤的主要因素；很多学者18,20-22研究发现较小的膝关节屈曲角度、较大的伸膝力矩、外展力矩、扭转力矩和膝关节外展角度、较大的垂直和向后地面反作用力可能会导致膝关节半月板和前穿插韧带ACL损伤风险的增大；Gr-und等19使 用 一 种 新 型 的 气 动 牵 引 装 置TrakTester见图4能够实现对足球鞋与地面互相作用的牵引力进行精到准确测试，发现过高的牵引力会增大膝关节的扭转力矩进而导致膝关节损伤风险的增加；Hewett等23研究发现，女性运发动中，膝关节外展力矩更大者ACL损伤损伤风险也增大，同时，膝关节外展力矩比膝关节屈曲角度能够更好地预测ACL损伤。Smeets等24研究表示清楚随着鞋钉长度的增加，抓地力会显着增大，而过高的抓地力会导致膝关节外展角度和外展力矩增大导致膝关节损伤风险的增大。Butler等25对14名男性专业足球运发动和14名女性专业足球运发动分别穿跑鞋、刀状鞋钉足球鞋、碎钉鞋纵跳落地时的运动学数据进行采集分析后发现，在三种不同用鞋条件下的膝关节屈曲角度具有显着性差异，并且男性运发动穿着刀状鞋钉足球鞋落地时膝关节背屈角度平均增加1 ，女性运发动穿着刀状鞋钉足球鞋落地时膝关节背屈角度平均减少3 ，得出落地力学机制随着性别、鞋的不同发生变化；Kaila等26对15名业余足球运发动在标准人工草皮上进行直线加速跑和急停转身的动力学数据进行采集，结果发现急停转身动作与直线加速跑动作相比膝关节载荷、膝关节外翻力矩显着性增大，这可能会增加ACL损伤的风险；综上研究，足球运动中非接触性膝关节损伤往往是由于不适宜的球鞋选择和不当的球鞋设计，导致运发动在侧切、急停转身等动作中膝关节过度外展、外旋进而引起膝关节损伤的发生。 2.2足球鞋设计对踝关节与足部损伤的影响 足球是大运动量项目，世界上优秀的足球运发动一场比赛中的运动距离要到达1万m左右，再加上不断的奔跑、腾空等动作经常会引发踝关节和足部损伤，足球运动中的踝关节损伤多为急性损伤且大多集中于外侧副韧带27,足部损伤主要表现为足底 筋 膜 炎 和 跟 腱 炎 等 慢 性 损 伤。 Hennig和Ewald28测试了足球运发动在正常跑动、加速冲刺、急停转身等动作的足底压力分布发现具有显着性差异，这可能是导致足底损伤的原因。 Bentley等29对29名业余男性足球运发动分别穿圆钉足球鞋和刀状鞋钉足球鞋进行障碍跑并进行足底压力测试图5，结果显示圆形鞋钉足底压力分布是趋于正常的，刀状鞋钉具有偏高的足底压力被以为是足底筋膜炎的发病诱因。 Eils等30使用足底压力鞋垫对21名专业足球运发动分别进行正常跑动、侧切、冲刺跑和射门这几个经过进行足底压力数据采集，数据分析后发现，侧切、冲刺跑的足底压力值要显着高于正常跑动时足底压力值，并且足底压力值最高的部位集中在足中部和足外侧，这可能会导致足底损伤的发生。 Slim等31研究了专业足球运发动踝关节损伤与鞋钉设计和运动场地的关系，得出运发动非接触性踝关节损伤是足、鞋、地面互相作用的结果，足球运发动应合理的选择适宜的鞋钉尺寸和鞋底构造的足球鞋并应根据场地条件自然草皮和人工草皮的不同来选择适宜的足球鞋，对于有踝关节损伤史的运发动能够考虑在鞋内加内垫或矫形器以防止损伤的进一步加重。 Smith等32对6名男性专业足球运发动分别穿SG自然软草场钉鞋和普通训练鞋在自然草坪上直线跑并采集动力学参数，结果显示，穿SG钉鞋的地面反作用力和作用力的加载率均显着高于普通训练鞋，这可能是导致足球运发动足部损伤的因素。以上研究表示清楚，足球鞋设计尤其是鞋底构造与运发动踝关节和足底损伤密切相关，不当的鞋底设计经常会导致踝关节过度内外翻或足底压力的显着增大，易引起踝关节和足部损伤的发生。 3总结 回首国内外关于足球鞋生物力学方面的研究成果可见，足球鞋作为合适足球运动的一种功能性鞋，无论对于专业足球运发动还是业余喜好者来讲都具备非常好的帮助，它的设计要素主要具体表现出在既能知足在训练和比赛的运动表现提高，又能减少非接触性运动损伤的发生。运动表现的提升一方面需要足球鞋鞋底提供良好的稳定性、抓地力和缓震性能，另一方面需要鞋面提供良好的舒适度和适宜的弹性模量、摩擦系数等。然而，过度重视足球鞋运动表现方面的研发例如为降低鞋身重量的超轻足球鞋，为提高鞋与地面之间抓地力而增加鞋钉长度，超轻足球鞋可能会降低球鞋的缓震性能降低对足的保卫作用，过高的抓地力可能会导致急停转身、侧切等动作中膝关节伸膝力矩、外展力矩增大进而对运发动膝关节造成损伤。因而，足球鞋的设计应在保持运发动运动表现不出现下降的同时，更需关注球鞋设计对运发动下肢的保卫以减少运动损伤的发生。图略 以下为参考文献 1Lees A,Nolan L.The biomechanics of soccer:a re-viewJ.J Sports Sci,1998,163：211-234. 2Hilgers MP,Walther M.Evolution of soccer shoe de-signJ.Footwear Science,2018,163：123-126. 3Matsuo K,Moriyasu K,Nishiwaki T.Basic study oncleat shape design in soccer bootsJ.Footwear Sci-ence,2018,31：101-102. 4Schrier NM,Wannop JW,Lewinson RT,et al.Shoetraction and surface compliance affect performance ofsoccer-related movementsJ.Footwear Science,2020,62：69-80.