基于足底压力对竞走运动员跑鞋的研究

朱兴涛，贾 谊，于 芳

竞走是田径比赛中具有特殊规则的比赛项目，也是我国在世界大赛中具有很强竞争力的项目之一。竞走属于技术、耐力性项目。我国积极吸收国外竞走技术训练方法，从生理学、生物力学和人体解剖学基础理论对竞走技术训练理念进行了创新。竞走技术的合理性，对于竞走比赛成绩的取得具有重要意义。在2012奥运会上我国男子竞走项目夺得了冠军，说明我国竞走项目处于世界领先水平，也标志着我国在竞走技术方面取得了骄人的成绩。“工欲善其事，必先利其器”。竞走运动技术可以通过鞋底类型的改变，进而使鞋底与接触地之间的相对运行方式发生变化，从而改变竞走运动员的下肢相关肌肉群的收缩活动，降低竞走运动员的身体能耗、增加竞走速度来进一步提高竞走运动员的运动成绩。

1 竞走的特点(设计理论基础)

(1)竞走运动是由单脚支撑与双脚支撑相互交替，逐步向前的周期性运动。竞走运动的技术特点除没有腾空、步频快、步幅大、走速高、有髋转动作外，主要是在动作结构要求前脚跟在接触地瞬间必须伸直，直至与身体垂直，膝关节不得弯曲。在竞走时头部正直，两眼平视，躯干正直或稍前倾，摆臂时两臂以肩为轴，前摆两手不超过身体中线、向上不超过下颌;后摆时肘关节稍向外，大小臂夹角一般在90°左右，摆臂起到维持人体平衡、增大步幅、加快步频的作用。下肢动作是竞走技术中的重中之重。在竞走过程中不得腾空，评判的标准仅通过人眼成像的时限42ms。有研究表明42ms为合理腾空时限，42ms～70ms为模糊时限，大于70ms为犯规腾空时限［1］。在直线竞走的过程中，两脚着地在一条直线上，脚尖指向正前方，髋关节的转动、髋部速度有绕垂直轴转动的水平速度、额状轴左右转动速度和绕矢状轴转动的垂直分速度合成等特点。

(2)从竞走技术定义来看，竞走是一种“复合钟摆运动”，髋和下肢肌肉群的放松是核心。根据解剖学结构，髋部关节是肌肉包绕盆骨的“枢环”关节。髋部周围肌肉群放松是关键，后蹬结束后摆动腿只有在放松状态下髋部才可以在矢状面、额状面和水平面进行三维运动［2］。笔者将在肌肉力学、解剖学、生物力学和物理学等多学科知识的支撑下，对竞走运动员下肢模型进行重新认识和建立。

2 竞走模型的建立及分析

(1)竞走与步行的主要区别在于:速度显著加快，双足支撑时间缩短到最低限度，且严格禁止出现腾空现象。在竞走训练中，要求运动员尽量保持躯干垂直，摆动腿的足底贴近地面，支撑腿在着地时刻和垂直位置处充分伸直，同时使身体的重心尽量沿水平直线轨迹运动(见图1)，避免上下起伏和左右摇摆。正是由于竞走技术和规则要求，运动员竞走时脚跟先着地，着地脚的膝关节不能前屈，前后两脚在同一直线上，腿与人体中心线有一定的角度，导致脚在着地时踝关节关节角不仅前后变而且左右也在变化，着地线沿足的外侧滚动至前脚掌。竞走的行走方式是受到竞走规则制约的，然而竞走运动员下肢伤病的性质和位置都反映出其在一定程度上与竞走运动独特的行走方式有关，因此有些研究者就将竞走规则认定为造成损伤的原因。如:1978年Payne［3］发现，竞走时足底左右方向的受力明显大于正常行走，是可能造成伤病的原因。他们分析足底左右方向受力较大的原因可能是运动员要补偿异侧髋关节和同侧肩关节位置的降低，这样的受力会增大支撑腿的紧张程度而造成损伤，认为损伤的原因主要是竞走规则规定运动员在支撑状态不能有屈膝动作造成的;1980年Palamarchuk［4］对31名竞走运动员做了统计，得出足跟、足趾处水泡、跟腱损伤和踝关节内侧伤痛是竞走运动常发病的结果;1988年Francis［5］对682名竞走运动员的大样本测试，其中60%的运动员在职业生涯中发生过一次以上的伤病。在这些伤病中膝关节和足部是受伤最多的位置，跟腱扭伤、骨膜炎和韧带扭伤也就成为了竞走的常见病症;1990年Messier［6］指出，踝关节外翻会引起下肢伤病。所以笔者结合前人的研究，对竞走提出了新的认识和自己的见解，希望通过改变竞走鞋鞋底的形状，使运动员在竞走过程中减小踝关节外翻角度。

(2)根据竞走运动员采用足踵触地、踝关节背屈滚动式着地技术，双脚着地需在一直线上，且着地直腿。髋关节的运动模式和自行车车轮有相似之处，因此建立竞走下肢模型——“车轮模型”。根据竞走运动员在规则的要求下，理想的竞走状态设计:髋关节与自行车花鼓、腿与自行车辐条、竞走鞋为自行车轮胎建立竞走车轮模型(见图2)。

不考虑膝关节、髋关节对外界载荷的敏感性和膝关节处的受力情况，只研究腿的运动模型。运动模型采用数学方法描述各环节的运动轨迹，不做关节内部的组成及受力分析。对模型进行优化得到图3。

3 模型分析

V为竞走运动员的速度，H1为髋关节重心的高度，θ3为两大腿夹角，r半径等于h1，L1为髋关节的长度，o为髋关节的中心，θ2为下肢与人体矢状面的夹角，θ1为竞走运动员在着地瞬间足底与地面的夹角。由三角函数关系得出:

公式(1)、(2)中，L1、L的长度可以通过实际测量得到。由于髋关节的环绕动作，使得人体重心起伏降低，由h1到H1实际重心降低的高度等于髋关节做环形动作的半径r=h1－H1，所以在竞走过程中额状面的扭髋动作能够起到降低重心，使重心平稳的作用。对图3进行优化得到抽象图4。

由图4可见，在竞走过程中，竞走运动员在脚跟着地的瞬间是脚跟外缘先接触地面，由于竞走技术的特殊性，使得踝关节外翻，在着地时关节所承受的压力为身体体重的二至三倍。此时的踝关节在矢状面和额状面上都有夹角，关节间隙较大，受力不均，因此关节容易受伤。为了使竞走运动员在脚着地时踝关节不外翻，把鞋底设计为楔形，楔形角度θ1由运动员自身的下肢长度、髋关节宽度和实际竞走中运动员落脚位置决定。由于竞走摆腿过程中，膝关节不得弯曲，竞走运动员的鞋底与地面之间为滚动关系，所以依据车轮模型将竞走鞋鞋底设计为在脚落地的相对运动方向上的弧形鞋底见图5。弧度的半径为支撑腿在运动过程中的相对长度L，楔形的高度为鞋的宽度S和θ1角度的正弦值及Y=S×sinθ1，X为竞走运动员的鞋长，鞋底的弧度由L、X决定。

图5 弧形鞋底

4 讨论

通过探讨竞走运动员下肢在竞走过程中各环节的运动方式，从脚的着地与摆动来看，为了减少踝关节外翻和竞走运动员的重心起伏，对竞走运动进行建模和分析，竞走鞋类似于负跟鞋和船型鞋时，可以减少能耗和受伤几率。王健老师在《鞋底类型和步行速度对行走相关肌群平均肌电活动的影响》一文中指出，穿着船型鞋开始行走时，人体重心降低且重心线位于鞋后部，此时，踝关节角度比穿着有跟鞋小，小腿比目鱼肌处于被动拉伸和较高载荷工作状态，反射性地引起后续用力相肌肉活动加强。而穿着船型鞋和负跟鞋导致腰部肌肉活动增强则可能是鞋跟降低导致踝关节活动范围增大，踝关节不稳定支撑工作时间相对延长，反射性引起腰椎稳定肌保护性活动增强所致［7］。通过改变竞走鞋鞋底类型来改变竞走过程中踝关节的角度的变化，使其在运动过程中变化范围减小，使关节损伤降低。

从另一个方面来讲，竞走鞋可以起到对竞走运动员减少关节运动从而降低能量消耗的作用。竞走鞋鞋底由以前的相对滑动变为滚动，可以提高运动员的竞走速度，使支撑腿在整个摆动的过程中符合钟摆运动。鞋底对接触地面减少摩擦，减少运动员的体能消耗。

［1］王峰，游江波.中国优秀男子竞走运动员关键技术研究［J］.北京体育大学学报，2009，32(9):122 ～124.

［2］李厚林.“复合钟摆”运动生物力学原理在竞走技术创新中的应用研究［J］.西安体育学院学报，2013，30(2):196～203.

［3］Payne AH.A comparison of the ground reaction forces in racewalking with those in normal walking and running.In:Asmussen E.Jorgensen K，eds.Biomechanics VI-A.Baltmore，MD:University Park Press;1978:293～302.

［4］Palamarchuk R.Racewalking:a not so injury free sport.In:Rinaldi RR，Sabia ML，eds.Sports medicine’80.Mt.Kisco，NY:Futura publishing Co，1980:19 ～20.

［5］Francis PR，Richman NM，Patterson P.Injuries in the Sport of Race walking，Journal of Athletic Training，1998，33(2):122 ～129.

［6］Messier SP，Pittala KA.Etiologic factors associated with selected running injuries Medicine and Science in Sports and Exercise，1988(20):501～505.

［7］王健，杨锆，刘志平.鞋底类型和步行速度对行走相关肌群平均肌电活动的影响［J］.体育科学，2011，31(5):55 ～58.