不同速度下裸足与穿鞋跑时下肢运动学分析

金 倩，胡柏平

1 研究目的

跑步现如今是最平常的体育活动之一，研究已证实跑步有很多益处，坚持长期科学跑步可以增强心血管机能，还可以促进身体和心理健康。就跑步而言：一方面，跑台成为室内运动者的首选，但跑台跑与地面跑相比下肢呈现出不同的运动学参数；另一方面，在2006年8月17日的北京世界田径青年锦标赛上，肯尼亚少女图伊贡光着脚在女子3000m障碍赛中夺得冠军后，裸足跑也得到了更多关注，但裸足跑与穿鞋跑具有不同的下肢运动学参数。研究对比跑台上不同速度下裸足与穿鞋跑时下肢运动学参数具有重要意义。

因此本研究目的在于运用运动生物力学的研究方法，对受试者在跑台上进行裸足和穿鞋运动时的下肢关节角度进行对比，分析不同速度下的运动学参数，探寻裸足与穿鞋跑步的差异，以便更好的探寻跑步时下肢的运动规律，达到了解和预防损伤的目的。

1.1 文献综述

1.1.1 人体步态周期

步态是指人或动物在地面上的移动模式，人类步态包括走、跑、跳等，正常的步态模式是协调对称的。一个完整的步态周期是指从一侧足跟着地至该侧足跟再次着地所经过的时间。按其运动特征可以化分为两个时相：支撑时相和摆动时相。支撑时相：从一侧足跟着地至该侧足尖离地，足与支撑面的接触阶段；摆动时相：从一侧足尖离地至该侧足跟着地，足离开支撑面的阶段。

跑与走相似，但在跑的过程中，有身体与支撑面不接触的阶段，即腾空阶段。此外，跑的过程中，不存在两脚与支撑面同时接触的阶段。

1.2.2 跑台上跑步的生物力学分析

二十一世纪的今天，跑台成为室内健身和康复训练的必备器材，同时也作为研究与人体跑步相关问题的实验设备。这是因为跑台有区别与室外跑的优点，跑台可以在跑步过程中控制运动强度等，同时还可以在一个较小的范围内进行运动。最重要的是跑台可以配合更多的设备进行实验，跑台也越来越受到研究人员的关注。

跑台跑不同与地面跑。人在地面上运动是以地面或者地面上的物体作为参照物的，而在跑台上运动是以跑步机的跑带作为参照物的，并不是以地面或者跑台作为运动参照物［1］。

李建微等人研究了跑步机平台下人体运动参数分析［1］。实验对3名受试者同一速度下在平地和跑台跑步时，一个步态周期内的数据进行比较计算。他们发现平地跑与跑台跑相比需要更长的摆动时间、更长的摆动距离和更短的支撑时间。此外，跑台跑时膝关节调节是一个被动的过程，调整时间短、足落地范围小和膝关节角度变化大；而平地跑和水平跑台跑在步态进入摆动相后，踝关节角度变化趋于平缓。由于在摆动阶段踝关节不会受到地面反作用力的冲击，在该阶段主要调整角度和角速度，相比而言，跑台跑较平地跑摆动时间短，所以调整时间也短，因而在落地阶段跑台跑时踝关节角度比平地跑时大。该实验数据只有三组，应增加数据量进一步分析计算。

张美珍等人研究了跑台和地面上跑动时的生物力学分析［2］。12名有一定运动训练经历的男性大学生分别在跑台和地面上进行三种速度下的跑步测试，采集运动学数据，利用Spss13.0进行地面和跑台间步态参数的双尾配对样本T检验和三种不同速度间进行单因素方差分析。研究发现在跑台上跑步时步频增加、步长变短、步态周期缩短和腾空时间变长，且与地面相比具有极显著的差异。此外，不论是在跑台上还是在地面上跑步时，随着跑速的增加膝关节的运动幅度也随之增大，地面上各速度之间增加更显著。另外，研究中还进行了肌电数据分析。

1.2.3 裸足跑的生物力学分析

裸足跑作为跑步方式的一种，在世界范围内越来越流行。同时，裸足跑鞋也成为了流行的趋势之一。探究裸足运动的研究也随之增加，研究者从运动学和动力学两个方面对裸足跑的生物力学特征进行分析，并对裸足跑的优势及潜在风险进行总结。从而，为想要尝试裸足运动的人提供合理建议。

王然等人研究了赤足与穿鞋及跑速对普通人跑步着地方式的影响［3］。对15名普通大学生分别在其最大跑速，90%、80%、70%和60%最大跑速下以赤足和穿跑步鞋两种情况下在数字跑道上进行测试，拍摄其跑步动作，进行数据分析。研究发现，赤足和穿鞋两种状态下的着地角都随着速度的增大而减小。另外，随着速度的减小踝角变化幅度较赤足跑步时小，赤足跑步着地时足部更倾向于跖曲，赤足跑步时足部着地位置更加偏向于前脚掌，因此在同样速度跑步的情况下，赤足跑步着地时受到的碰撞力也较小，也意味着足部发生慢性应力性损伤的概率较小。此外，受试者穿鞋跑步时的膝关节屈曲幅度随速度的增加而增大，而赤足跑步时的膝关节屈曲幅度减小。

李晓东等人研究了青少年赤足与穿鞋运动的生物力学分析［4］。实验对象为40名中学生，受试者分别穿着丝薄袜子和慢跑鞋，压力鞋垫平整地置于丝袜或鞋垫与足底间。受试者在10m跑道上进行1.5m/s、3.0m/s和5.0m/s3个速度下的足底压力测试。进行数据处理后，研究发现赤足运动时的步态周期值都要比穿着慢跑鞋时的值小，进行独立样本T检验后，发现步行时穿着慢跑鞋和赤足的步态周期差异不显著，然而速度增加后，步态周期值差异变得非常显著。此外，还发现3个速度下最大地面反作用力为赤足时大于穿着慢跑鞋时，且运动速度越大，差异越明显；赤足时足底所受到的最大足底压强比穿着慢跑鞋时大得多，进行独立样本T检验，表明3种运动速度下，赤足与穿着慢跑鞋运动时足底各区的最大足底压强值差异显著。穿着慢跑鞋跑步，鞋底后跟部位缓冲地面的反作用力，起到加强保护人体的作用。

郝琦等人研究了裸足与穿鞋下跑步生物力学及损伤特征的研究现状［5］。笔者总结了大量高水平研究论文，通过运动学测量、能量消耗和生物力学来比较穿鞋和裸足跑步者的相似处和差异性。研究发现穿鞋跑步者跑步时通常采用足跟到脚趾的步态方式，而裸足或者最小化支撑跑步者倾向于一种脚趾到足跟的步态跑步形式。裸足跑步者更倾向于在矢状面进行足底触地，伴有更大程度的踝关节跖屈和膝关节屈曲。引起跑步损伤的因素有冲击力、关节制约和跑步界面硬度等。

目前，没有科学证据直接将损伤与跑鞋相联系，同时也没有证据证明裸足跑或裸足跑鞋可以防止损伤或提高跑步运动水平，所以选择和进行裸足训练要慎重。

2 实验方法

2.1 研究对象

受试者为北京体育大学运动人体科学学院普通男性学生6 名，年龄：22±2 岁；身高：182±6cm；体重：85±23Kg，测试前没有从事过剧烈运动，并确认其下肢及足部无明显损伤。

2.2 实验设备

1）跑台：德国h/p/cosmos para graphics专业运动跑台。

2）高速摄像机：采样频率为250Hz。

3）运动鞋：国内市场出售的某品牌跑鞋两双，43码和44码。

2.3 测试流程

实验测试过程中受试者穿短裤和统一的运动鞋，将6个反光标志点粘贴在受试者的左腿上，分别为髋关节与膝关节连线上的一点、膝关节、踝关节、足跟、第五跖趾关节和第二趾尖处的骨性标志点上。拍摄前受试者以7.5（±0.2）km/h、10（±0.2）km/h、12.5（±0.2）km/h 速度在跑台上试跑，以便适应三个速度。实验开始后，受试者在裸足和穿鞋两种情况下以三个速度在跑台上跑步2分钟左右，使用高速摄像机拍摄其左侧跑步图像作为有效数据，选取其中图像质量好的左脚支撑时相的视频图像进行分析。

2.4 数据处理与分析

首先，使用视讯录像解析系统对支撑时相跑步动作图像进行解析，得到左侧下肢6个体表标志点的坐标；其次，使用Excel2010，利用坐标点计算着地角度（第二趾尖标志点和第五跖趾关节标志点）、膝关节屈伸角度（髋膝标志点和膝踝标志点连线的夹角）和踝关节屈伸角度（膝踝标志点和踝趾尖标志点连线的夹角）；最后，使用Spss17.0统计软件分析，并进行配对样本T检验对不同速度下裸足与穿鞋下肢关节相应指标差异进行分析。

数据结果描述以“平均值±标准差”的形式表示，所有统计结果的显著性水平设定为P<0.05。

3 结果

3.1 裸足与穿鞋支撑时相时间和着地角度比较

3.1.1 支撑时相时间

通过拍摄的支撑时相画面帧数计算，如7.5速度下裸足支撑时相平均帧数为 85.5，时间为（85.5×1／250）=0.342s。 因此可以得到不同速度下裸足与穿鞋支撑时相的时间。

表1 不同速度下裸足与穿鞋支撑时相时间（s）（n=6）

通过表1比较可以得出：同一速度下支撑时相时间为穿鞋时大于裸足时；不论裸足还是穿鞋，支撑时相时间随着速度的增加而减小。

3.1.2 着地角度

利用Excel2010计算着地角度后，对不同速度下，裸足与穿鞋的着地角度变化进行分析；对同一速度下，裸足与穿鞋组的着地角度进行配对样本T检验。

表2 不同速度下裸足与穿鞋着地角度（度）（n=6）

通过表2分析可知，同一速度下裸足与穿鞋着地角度存在变化；不同速度下裸足与穿鞋着地角度变化不明显。

表3 同一速度下裸足与穿鞋着地角度成对样本相关系数（n=6）

由表3可知，同一速度下裸足与穿鞋时着地角度没有显著性差异（P>0.05）。

3.2 膝关节角度

3.2.1 不同速度下裸足与穿鞋膝关节角度变化趋势图

利用Excel2010计算支撑时相膝关节角度，到得不同速度下裸足与穿鞋膝关节角度变化趋势图（如图1、2、3）。

图1 7.5km/h速度下裸足与穿鞋膝关节角度变化趋势图（受试者1）

图2 10km/h速度下裸足与穿鞋膝关节角度变化趋势图（受试者1）

图3 12.5km/h速度下裸足与穿鞋膝关节角度变化趋势图（受试者1）

3.2.2 不同速度下支撑时相脚着地时刻膝关节角度

对不同速度下支撑时相脚着地时刻膝关节角度变化进行分析，并进行配对样本T检验。由表4可知，同一速度下着地时刻，穿鞋时的膝关节角度大于裸足时；随着速度增加着地时刻裸足时膝关节角度减小，

表4 不同速度下着地时刻裸足与穿鞋膝关节角度（度）（n=6）

而穿鞋时先增大后减小。

表5 同一速度下着地时刻裸足与穿鞋膝关节角度成对样本相关系数（n=6）

由表5可知，7.5、12.5速度下着地时刻裸足与穿鞋膝关节角度变化趋势没有显著性差异（P>0.05）；但10速度下着地时刻裸足与穿鞋膝关节角度有显著性差异（P=0.025<0.05）。

3.2.3 不同速度下支撑时相脚离地时刻膝关节角度

对不同速度下支撑时相脚离地时刻膝关节角度变化进行分析，并进行配对样本T检验。

表6 不同速度下离地时刻裸足与穿鞋膝关节角度（度）（n=6）

由表6可知，同一速度下离地时刻，穿鞋时的膝关节角度小于裸足时；离地时刻裸足与穿鞋时膝关节角度随着速度增加而增大。

表7 同一速度下离地时刻裸足与穿鞋膝关节角度成对样本相关系数（n=6）

由表7可知，7.5、10、12.5三个速度下离地时刻裸足与穿鞋膝关节角度都没有显著性差异（P>0.05）。

3.3 踝关节角度

3.3.1 不同速度下裸足与穿鞋踝关节角度变化趋势图

利用Excel2010计算支撑时相踝关节角度，到得不同速度下裸足与穿鞋踝关节角度变化趋势图（如图4、5、6）。

图4 7.5km/h速度下裸足与穿鞋踝关节角度变化趋势图（受试者1）

图5 10km/h速度下裸足与穿鞋踝关节角度变化趋势图（受试者1）

图6 12.5km/h速度下裸足与穿鞋踝关节角度变化趋势图（受试者1）

3.3.2 不同速度下支撑时相脚着地时刻踝关节角度

对不同速度下支撑时相脚着地时刻踝关节角度变化进行分析，并进行配对样本T检验。

表8 不同速度下着地时刻裸足与穿鞋踝关节角度（度）（n=6）

由表8可知，10、12.5速度下着地时刻，穿鞋时的踝关节角度小于裸足时，但7.5速度下为穿鞋时大；随着速度增加着地时刻裸足时踝关节角度也增大，而穿鞋时却减小。

表9 同一速度下着地时刻裸足与穿鞋踝关节角度成对样本相关系数（n=6）

由表9可知，7.5、10、12.5三个速度下着地时刻裸足与穿鞋踝关节角度都没有显著性差异（P>0.05）。

3.3.3 不同速度下支撑时相脚离地时刻踝关节角度

对不同速度下支撑时相脚离地时刻踝关节角度变化进行分析，并进行配对样本T检验。

表10 不同速度下离地时刻裸足与穿鞋踝关节角度（度）（n=6）

由表10可知，7.5、10速度下离地时刻，穿鞋时的踝关节角度大于裸足时，而12.5速度时裸足时大于穿鞋时；离地时刻裸足时踝关节角度随着速度增加而增大，而穿鞋时先增大后减小。

由表11可知，7.5、10、12.5三个速度下离地时刻裸足与穿鞋踝关节角度都没有显著性差异（P>0.05）。

表11 同一速度下离地时刻裸足与穿鞋踝关节角度成对样本相关系数（n=6）

4 分析与讨论

4.1 支持时相时间分析

一个步态周期支撑时相时间因跑速不同、裸足和穿鞋而呈现不同结果。在7.5、10、12.5三个速度下对裸足和穿鞋支撑时相时间进行比较，结果均为穿鞋时大于裸足时；此外，不论是裸足还是穿鞋，支撑时相时间随着速度的增加而减小 （表1）。这与文献综述中李晓东等的研究结果相同，但该实验是在跑道上完成且结果描述的是一个完整的步态周期内，包括摆动时相在内。

总之，裸足与穿鞋跑步时步态周期值存在明显差异。出现这种差异是因为裸足跑步时采用较平的触地方式来限制跟骨底的局部压强，而穿鞋时鞋底后跟部位充当一部分脂肪垫，起缓冲地面反作用力的作用，因而裸足时与支撑面接触时间减少。

4.2 着地角度分析

同一速度、不同速度下裸足与穿鞋时着地角度存在变化，且同一速度下裸足与穿鞋时着地角度没有显著性差异 （表2、3）。这与文献综述中王然等的研究结果赤足和穿鞋两种状态下的着地角都随着速度的增大而减小不同，但该实验是在跑道上进行，速度取值为受试者的最大跑速，最大跑速的90%、80%、70%和60%，与在跑台规定三个速度条件不相同。此外，实验受试者只有6名，应增加受试者进一步对裸足与穿鞋时同一速度和不同速度下着地角度变化及其显著性进行研究。

4.3 膝关节角度分析

脚着地支撑时刻，膝关节角度的大小对技术动作起着重要的作用，在一定范围内增大该角度有利于着地时支撑腿的快速蹬伸，而减小膝关节角度则能增加支撑面的压力，从而获得更大的支撑反作用力［6］。此外，膝关节角度还是决定髌骨受力大小的重要因素之一。

对比同一速度下裸足和穿鞋着地和离地时刻膝关节角度大小。着地时刻穿鞋时的膝关节角度大于裸足时；离地时刻穿鞋时的膝关节角度小于裸足时。且同一速度下裸足和穿鞋着地和离地时刻膝关节角度基本没有显著性差异。随着速度增加膝关节角度变化，与文献综述中王然等的研究结果不相同，与实验的条件如跑台或跑道、速度条件等影响相关。

4.4 踝关节角度分析

踝关节角度变化的大小是反映关节柔韧和力量的指标之一，踝关节肌肉力量的大小直接影响着地缓冲动作的质量和肌肉退让性工作效率［6］。

对比同一速度下裸足和穿鞋着地和离地时刻踝关节角度大小。不同速度下着地和离地时刻踝关节角度存在变化。且同一速度下裸足和穿鞋着地和离地时刻膝关节角度没有显著性差异。随着速度增加踝关节角度变化，与文献综述中王然等的研究结果不相同，与实验的条件如跑台或跑道、速度条件等影响相关。

5 结论

通过分析比较6位受试者在跑台上以不同速度裸足与穿鞋跑时下肢运动学参数，具体为着地角度、膝关节角度和踝关节角度的变化得到以下结论：

1）跑台上同一速度下穿鞋步态周期中的支撑时相时间大于裸足时；支撑时相时间随着速度的增加而减小，与穿鞋或裸足无关。

2）跑台上同一速度下裸足与穿鞋着地角度存在变化，但没有显著性变化；不同速度下裸足与穿鞋着地角度存在变化，但变化不明显。

3）跑台上不同速度下在支撑时相着地和离地时刻，裸足与穿鞋两种情况下膝关节角度和踝关节角度存在差异，但没有呈现显著性差异。

实验虽然对跑台上在不同速度下裸足与穿鞋跑时着地角度、膝关节角度和踝关节角度及其显著性进行分析，但建议采用大样本进一步进行分析比较。

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