基于足底压力测量的篮球鞋鞋底功能需求分析

崔丽娜

(泉州师范学院美术与设计学院， 福建 泉州 362000)

0 前 言

篮球运动是一项非常受青少年喜爱的运动项目，该项运动体能消耗大，运动中常发生各种意外损伤或由于足部长期受到较大的压力冲击而引起慢性疲劳性损伤或应力性疲劳性损伤，因此对于篮球运动员而言篮球鞋是其降低身体能量消耗、减少运动损伤发生的重要运动装备之一.众所周知，篮球鞋是由鞋帮和鞋底组成，显然，鞋底是篮球鞋的重要组成部分，其对降低各种疲劳性损伤的发生起着非常重要的作用.

本文作者运用动态足底压力测量系统测量了篮球运动爱好者在走、跑、单脚落地等几组不同动作下的足底压力分布情况，结合测量数据分析、人体足部生理结构及篮球运动的运动特点等综合因素分析得出了篮球运动鞋鞋底的功能需求，并指出了设计鞋底时应注意的问题.

1 动态足底压力测量实验

1.1 被测人员及样本量

本实验的样本选择50名19～26周岁的中国男性青年，热爱篮球运动，无任何足部疾病.

1.2 实验设备

本研究采用由比利时Rsscan公司研发的Footscan足底压力测试系统测量被测者在做各种动作时的足底压力分布情况，该系统的平板测量设备有0.5 m×1.0 m和0.5 m×2.0 m的测量板.本实验中采用该系统的0.5 m×2.0 m平板测量，系统数据采集频率在125～300 Hz之间，在本实验中设定数据采集频率为235 Hz.

1.3 实验条件

1.3.1 实验环境

应保证被测者在赤足状态下进行走或跑时感觉舒适.实验环境要求：(1)环境温度在(25±3) ℃；(2)环境湿度在(60±10)%.

1.3.2 实验步骤

运动过程中人体各部位的变化都比较复杂，尤其在篮球运动中，足部的运动更为复杂.在篮球赛过程中足部经常会出现一些应急性的足部动作，这类动作被测人员在正常的状态下很难做出，且这类动作的使用频率不高，所以在本实验中选取篮球运动员在篮球运动中使用频率较多的足部动作来获取动态的足底压力分布数据.经分析选用以下3组动作：行走、慢跑、从20 cm高的平台上单脚起跳并单脚落到测量板上.

被测者在测量过程中要求上半身稍微前倾，目视前方，赤脚完成走、跑、跳等要求动作.为了使双脚均落在测量板上获得完整的步态数据，在进行走、跑测量时起始脚应为左脚.被测者要求每组动作做3次，以减少数据误差.

2 数据采集及分析

Footscan足底压力测量系统可以自动报告出步态时间周期、足底压力变化与身体位移的相对关系、足底压力分布、足部平衡分析、左右脚足底压力对比等内容.考虑到实验的最终目的，我们从足底压力测量系统中选择获取与实验目的相关的实验数据. Footscan足底压力测量系统将足部在地面的投影区域或足底着地区域分为10个区域(如图1所示)，分别是：第一拇指区域，即toe1(T1)、脚第2～5指区域，即toe2～5(T2～5)、第一跖骨区域即Meta1(M1)、第2～5跖骨分别记为Meta2(M2)、 Meta3(M3)、 Meta4(M4)、 Meta5(M5)、脚心处所在投影区域记为Midfoot(MF)、脚后跟里踝投影区域 Heel Medial(HM)、脚后跟外踝区域Heel Lateral(HL).该系统将某一足从足跟部着地的时间到其前掌蹬伸离开地面的这一段时间分为3个阶段，即：后跟触地阶段、足中部着地阶段、前掌离地登伸阶段.

图1 足底各区域 图2 足部平衡数据

2.1 行走时足底压力分布情况

对被测者进行行走测量时，可以依据被测者行走时测量的足底压力分布情况判断其足部内、外翻转情况.在行走时足部有明显内外翻情况者，在慢跑或是急速跑时其足部内、外翻转情况仍然存在，甚至更加严重.如果某人的足部在行走时被测量出有过度的内、外翻情况，那么在快速跑动时极有可能造成身体不能保持平衡，从而导致各类意外损伤的发生，尤其在篮球运动中这类人群踝关节受伤的可能性较大.

通过测量足底10个区域的足底压力分布情况，可以分析出足部的内外翻情况，足部内外翻的平衡理论如下：

Φ=∑F(M1+M2+HM)-∑F(M3+M4+M5+HL)(Φ>0, 足部外翻;Φ<0, 足部内翻)

(1)

图2是一名被测者在行走时足部内外翻平衡图示，图中两条灰色的竖线将整个黑色的区域分为3个不同的区域，这3个不同的区域从左向右依次分别对应足后跟触地阶段、足中部着地阶段、足前掌离地蹬伸阶段.图中线条1、线条2分别是被测者左脚、右脚在不同阶段的内外翻转情况.图中的白色带状区域是该被测者内外翻转的安全区域，当线条1或线条2在某一阶段离白色区域越远，那么该只脚在其所处的阶段即出现过度内翻或外翻情况，在该阶段足部受损伤的风险也就越大.

表1 被测者足部翻转情况表数量

图3是被测者足部内外翻转正态分布的P-P图，表1是所有被测者足部内外翻转的情况.从图3和表1可以发现每个被测者足部的内外翻转情况都不同，数据显示被测人员双脚均外翻的人数占到全部被测者的44%；左脚外翻右脚内翻的比例为22%；左脚内翻右脚外翻的比例为20%；双脚内翻的比例仅占7%.从数据来看双脚外翻的人数较多，双脚内翻的人数较少.

图3 被测者足部内外翻转情况P-P图

2.2 跑步时足底压力分布情况

跑步是篮球运动中最常见的运动状态之一，本研究测量了被测者在跑动状态下足底压力的分布情况，通过分析足底压力数据可知足底出现压力峰值的区域或合力最大的区域.足底出现压力峰值的区域是指在测量过程中足底的某一部位出现最大压力值所在的区域.合力最大区域则是指按照投影区域将区域内所有的压力进行求和，其值最大的区域.通过该实验数据分析跑步时足底哪些部位会受到较大的应力，即足底哪些部位的软组织或肌肉会受到较大的外力冲击.针对这些受力较大的区域，指导鞋底相应的部位选材和结构应当比较柔软，以降低这些区域的受力，起到更好地保护这些部位软组织的作用.

如图4所示，数据显示所有脚型在跑步时足底压力峰值分别出现在T1区域、M1区域、M2区域、M3区域、M4区域、M5区域、HM区域、HL等7个区域，其中在M3区域、M1区域、HM区域出现峰值的人数较多.在跑步运动中这些区域较容易受到较大的力的冲击，合力的最大值分布在T1区域、M2区域、M3区域，其中多数被测者的前掌各区域的合力最大值分布于M2区域、M3区域，只有少数脚型前掌最大值分布于T1区域.被测的所有脚型后跟部位各区域的合力最大值分布在HM区域、HL区域，其中HM区域合力最大的分布人数较多.

图4 足底压力分布

由图4可以发现M1区域出现压力峰值的脚型有18只，但该区域并不是区域合力最大的区域，这说明在这一区域除了有少数几点的受力较大外该区域大部分点的受力值较小，同时我们发现在M2区域出现压力峰值的脚型仅有3只，但该区域合力最大的脚型数占到58只，说明在这个区域虽然出现压力峰值的情况较少，但该区域受到的平均压力比较大.由于足底压力峰值出现的区域和合力值最大的区域长时间受到较大力的冲击，足底相应部位的软组织的弹性机制会逐渐减弱，因此可能造成足底相应软组织或骨骼的疲劳性损伤.在本实验中采集了被测者在测量时的足底压力峰值，并计算出其与人体重力的比值，从而获得了足底压力峰值较为直观的数据.50名被测者足底最大压力峰值与人体重力的比值的平均值为3.3.如某一被测者足底压力峰值最大值为4 339.1 N，该名被测者体重为60 kg，其身体的重力约为：60×10=600 N，其比值为7.23，这就说明该被测者跑步时其足底压力峰值产生的部位承受的力的大小是其自身所受重力的7.23倍.

该足底压力动态测量系统可以报告出足底任意部位的足底压力随时间变化的曲线.本实验采集被测者足底前掌压力峰值部位和后掌压力峰值部位人数分布较多3个部位的足底压力随时间的变化曲线，如图5所示为某位被测者足底采集点的压力随时间变化的曲线，其中线条3是足跟部所受压力随时间变化的曲线.从曲线的走向来看，其最大值出现在脚跟接触地面的瞬间的人数占到测量总人数的87%，随着时间推移而逐渐减小.这说明脚在落地瞬间，足跟部受到的冲击力最大，随后逐渐减小.图5中线条2和线条1分别是第一跖趾关节第三跖趾关节压力随时间的变化曲线，从其线型随时间的变化来看接触后其受到的压力值较小，随时间的推移，其相应部位受到的压力有增大的趋势，当达到最大值后又开始逐渐减小，说明在跑步时前掌部位承受的最大压力不是在前掌着地时，而是在前掌蹬伸的时刻.

图5 足底压力峰值点的压力-时间曲线 图6 被测者运动时的重心分布情况

该足底压力动态测量系统还可报告出任意时刻人体重心的分布情况.如图6所示，由黑色的圆点组成的虚线是被测者身体重心随时间的分布情况，图中贯穿足跟至脚前端的直线为足部的中轴线.本实验中该足底压力动态测量系统设定数据采集频率为235 Hz，即数据采集的间隔时间相同，人体重心点与点之间的距离越大，说明其运动的速度越快.图6中右侧脚型是某位被测者跑步时人体重心的分布数据，左侧脚型为其走路时身体重心的分布数据.被测者跑步时人体重心分布曲线的每一个重心点分布得较为分散，同时离足部的中轴线较远.被测者行走时身体重心的分布情况与跑步时不同，行走时被测者身体重心点分布得较为密集，尤其在足跟部和前掌部位，且重心点距离足部的中轴线较近.由图6可发现在足跟部和足中部着地阶段左右两脚重心分布的差异甚大，如在此阶段被测者的脚步出现明显的内翻或外翻情况，速度加快时被测者就容易失去身体平衡，因此足部受伤或踝关节扭伤的风险就大大增加.在跑步和走路状态下人体重心在足部前掌着地或蹬伸阶段分布相对比较密集，这一现象说明这时人体重心运动速度较慢，这一阶段为下一步态周期提供了推动力.实验证明，人体重心点分布较为密集且靠近脚的中轴线时，不容易发生各类运动损伤.

2.3 单脚落地时足底压力分布情况

单脚落地的情况在篮球运动中时常发生，在篮球运动中球员跳跃后单脚或双脚着地的情况非常普遍.在本实验中测得了被测者从20 cm的高度跳下单脚落于测量板上时足底的压力数据.多数数据显示，在被测者足部着地的瞬间足部的第三、四、五跖趾关节最初接触到测量板，这说明多数人在单脚落地时首先保证身体平衡的部位在足前掌的外侧.图7和图8分别显示了在足部着地过程中足部各区域受到的最大压强与足底不同区域传感器显示的压力最大值.

图7 足底各部分压强 图8 足底各部位压力

3 篮球鞋鞋底功能需求分析

篮球运动是一项体能消耗大且时常伴有意外损伤事故和应力疲劳性损伤发生的运动项目.因此，篮球鞋是运动员的重要装备之一，其应有降低运动员能量消耗和运动损伤发生的作用.基于以上对足底压力的测量数据分析，本文提出篮球运动鞋鞋底应具有如下性能：

(1)稳定性.篮球鞋鞋底的稳定性包括两个方面：其一，鞋底用材料和特殊结构的稳定性；其二，篮球鞋鞋跟部位与前掌部位应有合理的高度差.

鞋底用材料和特殊结构的稳定性是指鞋底在受到外力的冲击作用下具有恢复原状的能力，这里的外力包含垂直于地面的正压力和平行于地面的剪切力.通过足底压力测量实验获知每个人的足部在运动过程中都有不同程度的内翻或外翻情况，因此决定了每个人足部对鞋底的作用力的方向不可能垂直于地面而是与地面成一定的夹角，人体足部对鞋底的作用力可以通过正交分解的方式分为垂直于地面的力和平行于地面的力.因此，篮球鞋鞋底的稳定性应在两个方向均有体现，垂直于地面的方向和平行于地面的方向，即在鞋底受到垂直于地面的力消失时，其应该有竖直方向形状恢复原状的能力，同时在水平方向的剪切力消失后，鞋底不产生水平方向的位移或变形.

篮球鞋鞋跟部位与前掌部位应有合理的高度差，这个高度差可通过鞋内底与地面之间形成的鞋底坡度角θ来衡量.通过足底压力动态测量实验数据分析出人体重心的移动规律，即跑步速度越快人体重心点距离脚的中轴线越远且分散的更为稀疏，说明人体重心从后跟部位转移到脚的前掌部位的速度较快，此时前掌部位出现了明显的足内、外翻转，则运动员在身体重心过渡到前掌的过程中很有可能失去身体平衡，甚至造成足部的扭伤或踝关节扭伤.通过设计篮球鞋鞋跟部位与鞋前掌部位保持合理的高度差，可以重新分布人体在移动时的重心.当存在合理的高度差时可以使人体重心的移动更加平稳，其分布更加靠近足部的中轴线.通过分析足底压力的分布数据，当θ∈[10°，20°]时，在运动中人体重心分布较为密集且靠近脚的中轴线.

(2)防损伤性.通过对比足底压力实验数据和篮球运动中下肢损伤常发生的部位发现，足部的运动损伤多发于足底受力较大的部位.通过上面3组实验数据得知足底压力较大的部位分布在足第二、三跖趾关节、脚后跟里踝区域、脚后跟外踝区域.调查数据显示篮球运动中的损伤大致可分为意外损伤和应力疲劳性损伤，其中足部的应力疲劳性损伤多为肌肉损伤和软组织损伤，多数软组织损伤分布于足跟部和跖趾关节部位，且这些易受伤的部位与足底受力较大的部位相对应，这说明足底受力较大的部位发生应力疲劳性损伤的可能性较其他部位更大.意外损伤则是运动过程中由于特殊的环境或条件所致，因此对于各类不同的运动损伤而言，意外损伤在一定程度上是不可提前预知并预防的，但应力疲劳性损伤是可以预防的一类损伤.预防或降低应力疲劳性损伤发生的措施在于合理设计篮球鞋鞋底，鞋底是人脚与地面之间的媒介，其主要作用是尽可能吸收或降低地面对人体的反作用力.鞋底设计的主要目的在于减小足底较大受力部位的受力或通过鞋底结构的特殊设计将足底各部分的压力进行重新分布，以减小足底局部的受力值.因此，为了减小足底局部的受力或对足底压力进行重新分布，可以通过鞋底材料的选择和特殊结构的设计来实现.

(3)轻量化.篮球运动是一项体能消耗较大的运动项目，所以鞋底的质量也是影响运动员成绩发挥的重要因素之一.鞋底质量对运动员最大的影响在于体能的消耗方面，前人的相关研究表明，当鞋子的质量每增加1%时，人的体能消耗在3%～10%左右.体能消耗越大，运动员的运动效能就随之下降，因此设计运动鞋时鞋底的轻量化是整双运动鞋质量降低的基础，鞋底的轻量化也是鞋类造型设计师应该考虑的主要内容之一.

4 结束语

本研究采用Footscan动态足底压力测试系统获得了不同运动状态下足底压力的分布数据，并对这些数据进行分析获知了足部内外翻转情况、足底压力分布情况以及不同运动状态下人体重心的分布情况.基于此总结出了篮球鞋鞋底的稳定性、防损伤性、轻量化等功能需求，同时针对篮球鞋设计人员指出了一些注意的因素以帮助运动员提高运动成绩，减少运动损伤发生.

参考文献

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