運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域中的運(yùn)用,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)論文

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域中的運(yùn)用,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)論文運(yùn)動(dòng)鞋的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新技術(shù)日異月新，而運(yùn)動(dòng)鞋的核心就在于運(yùn)動(dòng)鞋的功能性特征，在運(yùn)動(dòng)鞋的功能性特征上常用運(yùn)動(dòng)鞋具有其一般特性和專項(xiàng)特性。制鞋材料、鞋的構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)功能問題，都是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究的主題和核心，故運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域中扮演著舉足輕重的地位。1常用運(yùn)動(dòng)鞋的一般特性常見的運(yùn)動(dòng)鞋能夠分為球類運(yùn)動(dòng)鞋和田徑運(yùn)動(dòng)鞋兩大類[1].運(yùn)動(dòng)鞋的功能性主要表如今它不僅保衛(wèi)運(yùn)發(fā)動(dòng)不受損傷，同時(shí)還要提高運(yùn)發(fā)動(dòng)的成績。所以球類運(yùn)動(dòng)鞋和田徑運(yùn)動(dòng)鞋都具體表現(xiàn)出了運(yùn)動(dòng)鞋的一般特性。1.1輕量化運(yùn)發(fā)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)的經(jīng)過中進(jìn)行各種技術(shù)動(dòng)作消耗體能，要想獲得好的運(yùn)動(dòng)成績同時(shí)防止運(yùn)動(dòng)損傷，就要求盡量減少本身體重外的負(fù)荷。有研究表示清楚，鞋的重量每增加1%,人體運(yùn)動(dòng)的體能消耗將增加3%-10%[2],故鞋重成了主要的考慮因素，要在確保運(yùn)動(dòng)需要的前提下減少鞋的重量，運(yùn)動(dòng)鞋是必需要有輕量化的特征。1.2透氣、透水性運(yùn)動(dòng)鞋的透氣、透水性是影響舒適性的一個(gè)重要因素。研究表示清楚，運(yùn)動(dòng)鞋內(nèi)的鞋內(nèi)溫度和濕度越低則舒適性越好[3].因而，必需要有良好的透氣性和透水的環(huán)境。運(yùn)發(fā)動(dòng)在劇烈運(yùn)動(dòng)的經(jīng)過中，全身都會(huì)分泌很多的汗液〔即無機(jī)鹽〕，假如運(yùn)動(dòng)鞋的透氣透水性較差，長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致鞋內(nèi)溫度升高[4],腳分泌的汗液滯留在鞋腔內(nèi)過度潮濕，影響鞋內(nèi)的環(huán)境，發(fā)生新的化學(xué)反響[5],運(yùn)發(fā)動(dòng)感覺不適，出現(xiàn)腳臭，嚴(yán)重時(shí)還發(fā)生腳在鞋內(nèi)打滑現(xiàn)象，直接影響到運(yùn)發(fā)動(dòng)的技術(shù)動(dòng)作的發(fā)揮進(jìn)而影響比賽成績，同時(shí)鞋內(nèi)打滑也會(huì)增加摔跤等現(xiàn)象的發(fā)生造成腳部的損傷。1.3彈性鞋的反彈力是用來幫助運(yùn)發(fā)動(dòng)更好的將其反彈力轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)中提高運(yùn)動(dòng)成績。彈性好的運(yùn)動(dòng)鞋能夠提高能量的回輸，減少著地時(shí)的沖擊力，進(jìn)而加快運(yùn)動(dòng)速度和增加跳躍的高度。但因運(yùn)動(dòng)的需求不同，其要求彈性的程度也不一樣，例如籃球運(yùn)動(dòng)隊(duì)鞋的彈性要求就十分高，由于籃球的跳躍動(dòng)作多，假如鞋的彈性不好，則會(huì)影響跳躍的高度以及增加落地時(shí)腳部的損傷率。1.4減震性美國材料測試協(xié)會(huì)ASTM對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋的減震功能定義為：借助外力作用時(shí)間的增長，使沖擊力峰值的能量降低，撞擊經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間越長，形變量越大。減震緩沖功能越好[6].在運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中的運(yùn)動(dòng)量大而劇烈，會(huì)和地面產(chǎn)生撞擊。實(shí)驗(yàn)證明，腳后跟和前掌與地面的沖擊力對(duì)人的關(guān)節(jié)、軀干和大腦的危害都很大，是造成運(yùn)動(dòng)損傷的一部分因素。利用減震的運(yùn)動(dòng)鞋能夠減輕運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中對(duì)人體的沖擊程度，起到減震效果，保衛(wèi)足部及身體的健康。1.5防滑性鞋底的防滑性直接影響著鞋的安全性及舒適性。防滑性有靜態(tài)防滑性和動(dòng)態(tài)防滑性兩種，是通過鞋底紋路設(shè)計(jì)的紋峰與地面的接觸產(chǎn)生摩擦到達(dá)的，運(yùn)動(dòng)時(shí)與地面接觸，前后左右各個(gè)方向的移動(dòng)，主要靠的是鞋底的不同紋路以到達(dá)防滑的效果，但是在不同的運(yùn)動(dòng)鞋其鞋底的設(shè)計(jì)紋路是不一樣的。因而根據(jù)不同的場地和項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)來合理設(shè)計(jì)鞋底摩擦性能，提供安全防滑的功能，同時(shí)摩擦系數(shù)一定要在適宜的范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)摩擦系數(shù)過大出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷[7].1.6耐磨性和耐曲撓在運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中，長時(shí)間的鞋底和地面的摩擦，會(huì)使鞋底花紋的紋峰磨損，摩擦系數(shù)降低，使運(yùn)動(dòng)鞋的防滑性減弱，所以，運(yùn)動(dòng)鞋的耐磨性是運(yùn)動(dòng)鞋防滑性的前提。同時(shí)在運(yùn)動(dòng)中足部的跖趾關(guān)節(jié)不停的跖屈和背屈，使得運(yùn)動(dòng)鞋相應(yīng)的底部件愈加的容易到達(dá)疲憊極限，進(jìn)而會(huì)在外表層產(chǎn)生細(xì)小裂紋，經(jīng)太多次的彎曲變形又復(fù)位，裂紋也會(huì)逐步的加深，最后導(dǎo)致底部的徹底斷裂，所以耐磨性和耐曲撓在運(yùn)動(dòng)鞋的特征上也是非常重要的。1.7穩(wěn)定性穩(wěn)定性對(duì)于運(yùn)發(fā)動(dòng)來講很重要，有了好的穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)技術(shù)才能完美的發(fā)揮出來，同時(shí)還不會(huì)失衡導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)損傷。穩(wěn)定性一般指在運(yùn)動(dòng)時(shí)由一個(gè)由動(dòng)態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為相對(duì)靜態(tài)的經(jīng)過。由于運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)的身體會(huì)在力的慣性作用下繼續(xù)向運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，而身體的重心要停留在著地的腳步位置，兩者互相矛盾，容易導(dǎo)致不穩(wěn)定。穩(wěn)定性跟運(yùn)動(dòng)鞋的防滑性和減震性都有密切關(guān)系，減震效果好的運(yùn)動(dòng)鞋能夠增加其穩(wěn)定性。2常用運(yùn)動(dòng)鞋的特性2.1常用球類運(yùn)動(dòng)鞋的特性足球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)比賽時(shí)間長、比賽場地范圍大、對(duì)抗非常劇烈的活動(dòng)，十分是在腳的對(duì)抗和靈敏上。腳是和足球不發(fā)生直接接觸的，其主要的動(dòng)作完成都和足球鞋有非常密切的關(guān)系，最重要的表現(xiàn)就在于抓地牢，又由于場地的原因，故足球鞋鞋底一般都有鞋釘，在抗前后滑移和左右側(cè)滑的性能上，鞋頭一般是低而平的，為了愈加好的控球鞋面一般是背平的，運(yùn)動(dòng)中急停扭轉(zhuǎn)變向的動(dòng)作多，鞋的耐磨性和抗曲撓能力要很強(qiáng)[9],為知足射門的需要，鞋頭以偏圓形，鞋前幫多為較厚彈性好的材料。為知足運(yùn)動(dòng)中跑、騰空、側(cè)滑移等組合動(dòng)作，要求后鞋幫有一定的剛性和彈性以保證不會(huì)有太大的形變和翻轉(zhuǎn)?；@球運(yùn)動(dòng)中要求運(yùn)發(fā)動(dòng)腳下要有靈敏而快速的移動(dòng)動(dòng)作，如啟動(dòng)、急停、側(cè)身跑、滑步、側(cè)身滑步、變速跑、變向跑、轉(zhuǎn)身、后撤步、攻擊步、起跳等。運(yùn)動(dòng)鞋要有良好的高幫三維扭距系統(tǒng)[13-15],防止腳各部位扭曲受傷是籃球鞋和其他運(yùn)動(dòng)鞋最不一樣的地方，優(yōu)良的減震和彈性是籃球鞋最重要的部分。所以籃球運(yùn)動(dòng)鞋必須具備很好的彈性，有利于運(yùn)發(fā)動(dòng)更好地發(fā)揮，而落地的一霎時(shí)，鞋底的前尖部位要承受很大的沖擊，因此要求鞋底具有很好的緩沖和減震作用，否則運(yùn)發(fā)動(dòng)的腳很容易受傷。在緩沖減震、彈性和踝關(guān)節(jié)的保衛(wèi)上籃球鞋最好。排球運(yùn)動(dòng)中運(yùn)發(fā)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向是不確定的，但是當(dāng)進(jìn)攻時(shí)主要還是球網(wǎng)的方向，所以在排球鞋的鞋底花紋設(shè)計(jì)上是根據(jù)符合排球需要的設(shè)計(jì)，方向是每個(gè)方向都要考慮到的，在蘇聯(lián)的瓦西里耶夫等關(guān)于(專業(yè)運(yùn)動(dòng)鞋的制造工藝和發(fā)展前景〕中對(duì)指出排球運(yùn)發(fā)動(dòng)在助跑起跳的霎時(shí)雙足之間的角度為30，所以在鞋前掌的花紋應(yīng)該在與矢狀面逆時(shí)針偏離15的位置設(shè)置，足后跟設(shè)置在順時(shí)針偏離15的位置，以增加起跳時(shí)的地面摩擦力[6].排球鞋幾乎都是比擬輕薄、簡便的設(shè)計(jì)。鞋幫為低幫，便于踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)發(fā)動(dòng)都會(huì)以其他的方式保衛(wèi)關(guān)節(jié)，比方護(hù)踝和護(hù)膝的使用。在緩沖減震、彈性和踝關(guān)節(jié)的保衛(wèi)上，排球鞋不及籃球鞋。羽毛球鞋和網(wǎng)球鞋類似的特性，主要表如今鞋底部件的設(shè)計(jì)上。運(yùn)動(dòng)步法的靈敏性需要后底有優(yōu)異的防滑、減震和翻轉(zhuǎn)控制功能，鞋幫以矮幫為主，使得腳踝不受束縛。運(yùn)動(dòng)步伐一般為并步和穿插步，要求前掌部位花紋在左右和前后方向有較強(qiáng)的抗滑移能力，較多的迅速止滑運(yùn)動(dòng)要求大底要有優(yōu)異的耐磨性。在上網(wǎng)和后退擊球時(shí)，移動(dòng)腳步，要求鞋底前掌外側(cè)和后跟部位耐磨和止滑性好。在跨步接殺球及上網(wǎng)時(shí)，鞋前掌部位用力較大，該部位的耐磨性和彈性要求較高[10-11].在身擊球時(shí)，要求鞋具有良好的翻轉(zhuǎn)控制功能[12].在上網(wǎng)步法中，上網(wǎng)速度較快，這種慣性的停止要有一個(gè)減速運(yùn)動(dòng)經(jīng)過，著地時(shí)要有一定的緩沖，要求大底和中底的減震性能好。發(fā)球后和接發(fā)球的站位要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。綜上所述是鞋底前尖和后跟部的硬度要稍小、耐磨、有彈性、減震性好，鞋前掌部位耐磨性、彈性和防滑移性能好，前掌外側(cè)的耐磨性能好，翻轉(zhuǎn)控制功能。2.2常用田徑運(yùn)動(dòng)鞋的特性短跑，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間短。一般為田徑比賽場地，路況都比擬平坦。主要是前腳掌受力，跖趾關(guān)節(jié)抓地，鞋和腳之間的要求十分高，因而楦頭的前尖放余量需要較小，幫面的腰窩收緊，前掌部位，需安裝鞋釘。有研究表示清楚對(duì)短跑鞋鞋釘分布的合理性進(jìn)行生物力學(xué)分析與評(píng)價(jià)，8釘鞋三排最符合足底受力分布實(shí)際情況，其次是三排7釘鞋，最差的為兩排7釘鞋[16].其跑鞋的前掌的減震成效要求好以避免鞋釘對(duì)腳部的沖擊。長跑時(shí)腳底下一般是較堅(jiān)硬的地面，道路一般較彎曲復(fù)雜，不1度一般后跟大于前掌，由于跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)要求運(yùn)發(fā)動(dòng)積極向前，后跟厚度大于前掌，利用后跟高造成的坡度，使運(yùn)發(fā)動(dòng)的本身重心自然前傾[17],以提高運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)成績.鞋子重量要輕，幫面和大底彎折效果要好，同時(shí)鞋子還需具有一定的減震和耐磨性能。同時(shí)鞋底的彎折方向是前后方向。慢跑鞋鞋頭最大的特點(diǎn)是鞋頭設(shè)計(jì)成有點(diǎn)上翹，由于人腳在自然提起時(shí)腳趾和腳板會(huì)構(gòu)成一定的角度，鞋底的橡膠上翻到鞋頭上，是為方便腳趾用上力增加跑動(dòng)時(shí)的摩擦力。在足部與地面接觸時(shí)，地面對(duì)腳的支撐反作用力會(huì)傳送至全身：走路時(shí)最高可達(dá)1.5倍的體重，跑步時(shí)約為3-3.5倍的體重[18].2.3球類運(yùn)動(dòng)鞋與田徑運(yùn)動(dòng)鞋的特性球類運(yùn)動(dòng)中步伐變化多樣，身體的動(dòng)作是極其復(fù)雜的，腳部動(dòng)作基本可分為走、跑、跳、旋轉(zhuǎn)4種，但在這最基本的4種腳部動(dòng)作里又有好多的變化和衍生的技術(shù)動(dòng)作的互相融合及互相轉(zhuǎn)換，而在田徑運(yùn)動(dòng)中主要是比擬單一和重復(fù)的，故球類運(yùn)動(dòng)鞋在防滑性、耐磨性和耐曲撓以及穩(wěn)定性比田徑運(yùn)動(dòng)鞋的要求要高一些[6,13-14].田徑運(yùn)動(dòng)鞋在輕量性的特征上要比球類運(yùn)動(dòng)鞋的要求更高層次，其影響成績的比重因素也是如此。在鞋腰窩曲線設(shè)計(jì)上，田徑鞋的設(shè)計(jì)和腳愈加一致、收得愈加緊湊。球類運(yùn)動(dòng)鞋的鞋底紋路一般是各個(gè)方向不確定的，彎折方向也是各個(gè)方向，便于動(dòng)作的改變與轉(zhuǎn)換；但是田徑運(yùn)動(dòng)鞋的彎折方向主要是前后兩個(gè)方向，這樣就更便于跑步動(dòng)作，同時(shí)可以以防止左右方向的踝關(guān)節(jié)扭傷。3運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域中的運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域上的應(yīng)用主要是在運(yùn)動(dòng)功能性測試的研究上開發(fā)出來的[4],運(yùn)動(dòng)鞋不同于普通的日常生活休閑鞋。除具有在運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中符合各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作活動(dòng)的需要穩(wěn)定足部。避免損傷的功能，還有降低運(yùn)發(fā)動(dòng)能量消耗、便于發(fā)揮運(yùn)動(dòng)動(dòng)作提高運(yùn)動(dòng)成績的功能。由于足部的構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)特性都是固定不能改變的，但是為知足以上兩點(diǎn)需求，只能根據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理對(duì)鞋的構(gòu)造設(shè)計(jì)和特性加以改變與優(yōu)化，以知足運(yùn)動(dòng)的需要。故運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域越來越得到廣泛的重視與運(yùn)用；在運(yùn)動(dòng)鞋的設(shè)計(jì)和技術(shù)的創(chuàng)新上都必須符合運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的原理，制鞋材料、鞋的構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)功能問題，都是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究的主題和核心，在運(yùn)動(dòng)鞋功能研發(fā)與制作經(jīng)過中扮演著舉足輕重的作用。李建設(shè)等對(duì)國內(nèi)外的運(yùn)動(dòng)鞋的核心技術(shù)的應(yīng)用上，從運(yùn)動(dòng)鞋的構(gòu)造與材料上進(jìn)行了原理上的研究，揭示了各類運(yùn)動(dòng)鞋的創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計(jì)上基本的原理是差不多的，關(guān)鍵技術(shù)就在于鞋底的科技，主要就是減震緩震、能量回歸、模擬裸足和足跟的控制[19].專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)鞋的要求主要表如今兩個(gè)方面：1〕動(dòng)能的轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)移、變向和動(dòng)作慣性作用對(duì)腳、踝關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)和技術(shù)動(dòng)作的影響；2〕其他的一些特性因素，如舒適度、安全保衛(wèi)、減震與沖擊力、透氣、防滑、耐磨、衛(wèi)生等其他要求[20].其實(shí)不同類型的運(yùn)動(dòng)鞋最主要的不同就在于表如今運(yùn)動(dòng)力學(xué)上的方向和作用點(diǎn)的著地點(diǎn)以及踵心的角度的方向性。下面從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論和制鞋材料力學(xué)特性兩個(gè)方面來闡述運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域的應(yīng)用。3.1運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論在制鞋領(lǐng)域的應(yīng)用重心在運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中的決定了其動(dòng)作的穩(wěn)定性；鞋底的支撐面的大小決定了其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性，鞋底是一個(gè)彈性剛體，受力后會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)力的大小在鞋底的彈性形變和恢復(fù)形變的范圍內(nèi)就比擬穩(wěn)定，包括正向的穩(wěn)定性能和側(cè)向的穩(wěn)定性能。正向的穩(wěn)定性能是指鞋在垂直于鞋內(nèi)底并指向其內(nèi)部的穩(wěn)定性能；側(cè)向的穩(wěn)定性是指鞋底尤其是鞋跟部位在遭到側(cè)面剪切力時(shí)側(cè)向不滑移、不變形。下肢骨大多都是屬于負(fù)重的長骨，在反復(fù)的應(yīng)力作用下，容易發(fā)生應(yīng)力性骨折，長期穿用前撓、后跟地面不適宜的鞋，很容易使骨骼和關(guān)節(jié)的應(yīng)力集中，如人在行走或是運(yùn)動(dòng)時(shí)，足尖著地，足弓是彎曲的，足底遭到了牽拉的張應(yīng)力，足背遭到了壓應(yīng)力，引起應(yīng)力性的骨折，這一點(diǎn)在鞋楦的設(shè)計(jì)上是很重要的。運(yùn)動(dòng)鞋的能量回歸性是通過落地緩沖階段鞋底產(chǎn)生的形變以儲(chǔ)存能量，離地蹬伸時(shí)將吸收的能量回輸?shù)侥_部以增加跳躍的高度或者是加快速度，判定運(yùn)動(dòng)鞋的能量回歸性能能夠通過測量離地前的霎時(shí)鞋內(nèi)施加在腳底的作用力F2,作用力F2與霎時(shí)著地時(shí)鞋底遭到的沖擊力F1的比值越小，則講明其運(yùn)動(dòng)鞋的能量回歸性能越好。足底壓力測量技術(shù)是揭示人體的足底壓力分布特征的方式方法之一，通過足底壓力的分析能夠判定在運(yùn)動(dòng)鞋的功能性的強(qiáng)弱，進(jìn)而應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)功能鞋的設(shè)計(jì)、功能開發(fā)和檢測3個(gè)方面中[21],以知足不同類型運(yùn)動(dòng)鞋的功能性需求。3.2材料生物力學(xué)在制鞋領(lǐng)域的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)鞋的核心技術(shù)主要具體表現(xiàn)出在材料和構(gòu)造方面，材料決定了性能，構(gòu)造決定了功能[22].在運(yùn)動(dòng)時(shí)，支撐反作用力在垂直方向的分力是用來克制身體重量用以進(jìn)入騰空階段的力，鞋底的材料設(shè)計(jì)和鞋底的花紋設(shè)計(jì)決定運(yùn)動(dòng)力學(xué)傳播途徑的支撐點(diǎn)的反作用力，支撐反作用的前后方向是運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，鞋的前部包括長度、寬度、高度等都應(yīng)該有一定的活動(dòng)量，支撐反作用力的左右方向是運(yùn)動(dòng)方向的改變，鞋內(nèi)底采用一定硬度的墊心托住腳心，這樣使重心通過腳心而分散到腳的其他部位，腳的各個(gè)部位受力比擬均勻，腳不易產(chǎn)生疲憊。運(yùn)動(dòng)鞋的能量歸性能要求運(yùn)動(dòng)鞋底的材料有一定剛度和彈性，NIKE是通過后掌的彈性懸空氣囊，可使人體的下肢肌群作退步忍讓性工作適度減小，以利于后蹬階段肌群的抑制性工作，而對(duì)于衛(wèi)生性來講，彈性好的鞋內(nèi)材料能夠更好的吸收汗液，同時(shí)減少汗液的分泌，具有一定的吸附功能。運(yùn)動(dòng)鞋的材料減震緩震主要是鞋的中底材料具有特殊的減震性能的材料，國際一線品牌運(yùn)動(dòng)鞋普遍采用的是加熱壓縮的EVA〔乙烯樹脂醋酸纖維〕發(fā)泡橡膠混合物質(zhì)，采用一層比擬軟的具有減震功能夾在外底和鞋面的材料〔高密度PU〔聚氨基甲酸乙脂〕材料也常被用在后掌的中底夾層〕，Nike的籃球鞋就是將PU制成圓柱形