篮球鞋在纵跳中功效性与舒适性的动力学研究

陆毅琛

(浙江万里学院文体部，浙江 宁波 315100)

篮球运动包含了大量的起跳、落地缓冲、急停转向等复杂而强度极大的下肢技术，因此一双设计绝佳的篮球鞋能给运动员带来事半功倍的运动效果和足部保护。在运动鞋的研究中，篮球鞋也一直是研究人员关注的重点。篮球鞋的功效性和舒适度则是篮球运动员和研究人员共同关注的焦点，功效性包括篮球鞋对足部的保护性能、承载足部力的传导的有效性能等方面的内容，舒适度则是运动员穿着篮球鞋在运动中的主观感受，当然这种主观感受在足底的动力学参数上是有据可循的，本研究通过Novel Pedar－X(Germany)足底压力测试系统和Kistler(Switzerland)三维测力台同步测量篮球运动员穿着两款不同鞋底结构设计篮球鞋纵跳时足底和鞋底的力学参数，对比研究两个界面间的力学参数特征，评价这两种篮球鞋在纵跳中的功效性与舒适性。

1 研究方法

1.1 实验被试与测试用鞋

选取男性大学高水平篮球运动员10名作为被试者，身体健康，实验测试近期无运动损伤，无足疾和运动性障碍，足部形态功能正常。所有被试者均实验前受某CUBA高水平代表队篮球主教练的技术培训，测试动作的稳定性较好。正式实验前，通过预实验，结果显示测量数据可靠度高。两款测试用鞋分别采用气垫结构篮球鞋和普通篮球鞋。

1.2 实验方法

实验要求每名被试者分别穿着气垫结构篮球鞋和普通篮球鞋进行测试。测试采用Novel Pedar－X(Germany)足底压力测试系统，采集被试者纵跳时足底的力学参数。测试同时又采用Kistler测力台，同步测量他们鞋底的力学参数。

1.2.1 过程设计

要求每位被试者分别穿着这两款篮球鞋各进行10次竭力纵跳，每次间隔5min以便让被试充分休息。为了控制纵跳过程中，每名被试者的摆臂差异给结果带来的影响，实验要求被试者完成无摆臂纵跳(即双手叉腰)，Novel Pedar－X(Germany)系统的压力鞋垫被平置于鞋内，同时被试者双脚在Kistler三维测力台上自然开立，听到实验员给予的起跳信号后被试者开始无摆臂竭力纵跳，双脚离开测力台后结束，完成一次测量。两套仪器分别记录被试者穿着每款篮球鞋时竭力纵跳各十次相关的足底和鞋底的力学参数。

1.2.2 仪器设备与同步方法

Novel Pedar－X(Germany)系统测量的是人体足底的力学参数。测量前，压力鞋垫需要被平铺在测试鞋内，用Pedar insole Cable数据线与信号放大转换盒(Pedar mobile cable box)连接，并将信号放大转换盒稳固的固定在被试腰间，用Acer Bluetooth连接计算机，并在计算机Pedar－x Expert软件中采集测试数据。

Kistler系统测量的是鞋底的力学参数。计算机连接并控制测力台，分析记录每次足对测力台的力学参数，并通过软件BioWare Version转换实验数据。

本研究采用的是两套非同种测量仪器的同步测量，由于Novel Pedar－x足底压力测试系统和Kistler测力台各自自带的操作软件(Pedar－x Expert和BioWare Version)中点触按钮系统启动到系统开始稳定记录数据之间分别存在不一致的时间差。另外，可用于这两套系统同步测量的同步装置尚未研发，没有现成可用。因此无法采用“直接同步”的同步测量法。

由于以上原因，测试中只能根据实验动作设计的特点，在采集的数据中采用“测试数据同步法”，即首先将两系统依次启动，等待其稳定记录数据后，给予信号让被试完成无摆臂纵跳，纵跳结束后依次关闭两套系统(无须同时)。根据力学理论—力的作用是相互的，只有被测的两个界面间有了接触(力的相互作用)后，才能记录力值参数，当被试下肢末端纵跳后离开地面时，足底和鞋底这两个界面不再发生力的相互作用时，则两套系统一定是同步记录的压力值为零(PS:实验前需要将Novel Pedar－x足底压力测试系统进行“零标定”，即每位被试者穿好鞋和压力鞋垫后的双足在腾空时，压力鞋垫在足底界面轻微接触而产生的微弱压力值标定为零)。本研究采用的“测试数据同步法”就是以两套系统记录数据中的这一临界点为同步标志，时间坐标轴逆向同步的方法。

2 结果与分析

2.1 两款篮球鞋舒适性的比较研究

足底压强是篮球鞋穿着者感受保护性能和舒适度的重要指标。同时，压强与受力面积成反比，受力面积越大，则压强越小，对足底局部的冲击就越小，带给穿鞋者相对更好的舒适度感觉。从表1统计结果看，受试者穿着气垫结构篮球鞋，足底受力面积平均值较大，峰值压强和压强的平均值均比较低，并且与穿着普通篮球鞋相比，差异显著。再结合图1比较明显的差异来看，我们可以推论气垫结构款的保护性和舒适度要优于普通款。

表1 两款鞋足底受力面积、压强

图1 两款篮球鞋足底受力面积和压强

2.2 两款篮球鞋功效性的比较研究

纵跳高度最终是受人体完成蹬伸后下肢末端(穿鞋者即鞋底)与地面作用力的大小影响。此时，篮球鞋的功效性差异就是它们将人体足部施加给篮球鞋(即足底)的作用力传导到鞋底对地面的作用力的能力差异。

如表2两款篮球鞋足底与鞋底峰值压力值差异显著性t检验结果和表3平均压力值差异显著性t检验结果所示，绝大多数被试足底的峰值压力和平均压力这两个指标参数中，气垫结构款低于普通款(图2)，且均差异显著。同时两种篮球鞋在峰值压力和平均压力指标参数中的有效降压值(ΔMean Max Force＆ΔMean Force)也均表现为差异显著。但是，在鞋底界面上，绝大多数被试穿着两款篮球鞋时最大压力值和平均压力值差异均不显著.

从以上结果可知，这两款篮球鞋在功效上是都无法影响被试下肢末端对地面的作用力来提高纵跳高度。但是，它们可以通过各自不同的结构设计，分别在一定程度上降低足底峰值压力，扩大受力面积，使得穿着者感觉到不同的舒适感(如图3)。在此，本实验研究的气垫结构篮球鞋要优于普通篮球鞋。

图2 两款篮球鞋足底峰值压力

图3 两款篮球鞋足底峰值压力3D

表2 两款篮球鞋足底与鞋底峰值压力差异显著性t检验相伴概率P值

表3 两款篮球鞋足底与鞋底平均压力差异显著性t检验相伴概率P值

3 研究结论

3.1 篮球鞋的功效性和舒适度的力学参数特征

运动鞋是人体在地面运动时，位于足部与地面之间的介质。足底是足与鞋作用的界面，而鞋底则是鞋与地面作用的界面。不同鞋底结构设计篮球鞋功效性和舒适度的力学研究，最重要和最基础的就是足底和鞋底这两个界面上的动力学参数的比较研究。本实验结果显示:受试者穿着气垫结构篮球鞋，足底受力面积平均值较大，峰值压强和压强的平均值均比较低，并且与穿着普通篮球鞋者相比，差异显著。但是，在鞋底界面上，两款篮球鞋的平均压力和峰值压力都无显著性差异。足底和鞋底两界面上的峰值压力和平均压力的差值(ΔFmax＆ΔFmean)，气垫结构款高于普通款，且差异显著。

由此，可以推论，被试者穿着这两款篮球鞋在无摆臂纵跳中，最后对地面施加的作用力大小没有差异，表明两款篮球鞋的功效性(即对纵跳成绩的影响)上没有差异。只有提高鞋底与地面的作用力与反作用力，人体才能跳得更高，因此，无论这两款篮球鞋的鞋底结构设计如何，都是无法让人跳得更高。但是，两款篮球鞋还是存在一定的差异，实验结果显示气垫结构篮球鞋的保护性和舒适度确实要优于普通款。也就是说气垫结构设计可以通过自身的结构特点来有效降低足底压力，保护足部，提高舒适度。

3.2 关于实验测量方法和仪器设备

多机同步测量是本实验研究的关键，实验结果的准确性和客观性直接与测量仪器的先进性、精确度以及同步方法等因素密切相关。多机同步测量，如果多种设备的测量频率高低不同，实验员则必须降低所有高频率测量仪器的采样频率，使得所有设备的采样频率与最低采样频率设备的水平一致。由此一来，多机同步测量，各种设备测量频率水平的先进性势必影响到整个实验的客观性与准确性。例如，本研究采用数据在时间轴逆向同步的方法，因此，准确找到两套设备记录的数据同步点是关键，由于Kistler测力台的测量频率最高可达1000Hz(采样周期为0.001s)，但是Novel Pedar－x足底压力测量系统的最高测量频率仅50Hz(采样周期为0.02)，因此两机同步时，需要将Kistler测力台系统的测量频率降低至50Hz。因此，50Hz的测量频率完全不能达到足底和鞋底分别达到峰值压力时的时间先后差异等深入研究的要求，足底和鞋底分别达到峰值压力的时间先后差异是在瞬间的鞋底结构缓冲和力传导过程中产生，这是研究篮球鞋功效中的敏捷性与有效性的重要指标。所以，此类问题的研究必须等测量系统的进步更新后再深入进行。

［1］AN.Natail，A.Forestiero，E.L.Carniel，etc..Investigation of foot plantar pressure：experimental and numerical analysis［J］.Medical＆Biological Engineering＆Computing，2010.10，V48(Issue12)：1167 －1174

［2］G.Gobbi，D.Galli，C.Carubbi，etc.Assessment of body plantar pressure in elite athletes：an observational study［J］.Sport Sciences for Health，.2013，Volume 9(Issue 1)：13 －18

［3］Sicco A Bus，Mark LJ Arts，Roelof Waaijman，etc.The effectiveness of using in－shoe plantar pressure assessment and monitoring in prescription therapeutic footwear to prevent plantar foot ulcer recurrence in diabetic patients：a multicenter randomized controlled trial［J］.Journal of Foot and Ankle Research，2012，4(5)：011 －012

［4］S.Cox，I.Birch，S.Otter.The effect of Masai Barefoot technology(MBT)shoes on ankle joint complex kinematics and plantar heel pressure distribution［J］.Journal of Foot and Ankle Research，2010，3(3)：4 －5

［5］T.J.Lane，K.B.Landorf，D.R.Bonanno.etc.The effect of shoe－sole hardness on plantar pressure and comfort in older people with forefoot pain［J］.Journal of Foot and Ankle Research，2013，6(6)：7 －8

［6］J.Arnold，R.Causby，S.Jones.etc.The relationship between body mass and peak and mean plantar pressure［J］.Journal of Foot and Ankle Research，2011，4(4)：2 －3

［7］R.Schuh，H.J.Trnka，A.Sabo.etc.Biomechanics of postoperative shoes：plantar pressure distribution，wearing characteristics and design criteria：a preliminary study［J］.Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery，2011，V131(Issue2)：197－203

［8］E.C.M.Teodoro，J.E.Tomazini，S.R.G.P.Galera.etc.Deve－ lopment of a Prototype for Measuring Plantar Forces［J］.IFMBE Proceedings，2010，V25(4)：767 －770

［9］李建设，顾耀东，陆毅琛，等.运动鞋核心技术的生物力学研究［J］.体育科学，2009，29(5)：40－48