不同专项特征动作中足部运动的生物力学研究

吴海菲

摘要：本文采用文献资料法，结合前人研究结果和方法，对网球、足球两个专项的特征动作的足部运动进行了生物力学分析，研究结果表明：1. 足部承担离地蹬伸任务时前足承担主要载荷，中后足受力不显著，足部承担落地缓冲任务时，后足和中足受力增大，前、中、后足共同承担身体载荷。2.足球项目前足内侧压强峰值最大，网球相对较小。3.网球运动中，趾区的压强峰值超过第一跖趾关节区；足球运动中，第一跖趾关节区和趾区压强峰值大。

关键词：足底压力分布、踝关节、专项运动

生物力学的研究范围包括整个人体，足部生物力学的研究是其中重要的一部分。由于体育运动中，运动损伤的多发性使其成为众多科研项目的焦点内容。其中，踝关节损伤是所有运动损伤中最常见的运动损伤之一。这类损伤经常发生在篮球、排球和足球等通常需要迅速敏捷地跑动、急停和跳起的项目中。因此，不同专项足踝部的伤病发生机制与防治已成为学术界研究的热点。此外，随着专项运动员和教练员对专项运动鞋的防伤能力和功能表现力的要求越来越高，对不同专项动作中足踝部的生物力学特征研究就显得尤为紧迫和重要。本文在阅读大量相关文献的基础上，应用目前最先进的足底压力分布测试系统，对网球、足球2个专项的6名男子大学生运动员进行了2个特征动作的足部的生物力学分析。试图通过不同项目指标的对比分析得出不同专项的足底压力和运动学特征，从而为足踝部损伤研究和运动鞋专项化的相关领域提供实验依据和理论基础。

1.研究方法：

1.1文献资料法

1.2实验法

1.3对比分析法

2.研究对象：本研究选取湖北大学体育学院6名本科生为研究对象，其中三名为足球专项，3名为网球专项。6名受试者均无下肢足底足踝病痛史。

3.实验器材：1.Novel Pedar system （鞋垫式足底压力测量系统）——垂直压力测量/静止状态和运动状态. 2.身高、体重测量器

4.实验步骤：

4.1.进行Novel Pedar system 足底压力分布测试系统的连接和调试。

4.2要求受试者均穿着运动服装、体操鞋，测量受试者身高、体重后登记受试者情况。

4.3选择符合各受试者鞋内底尺码的测试鞋垫，确保测试鞋垫边缘无折痕，鞋垫大小与鞋内底边缘吻合，配戴测试设备后，受试者进行3-5分钟适应性动作练习。

4.4采集网球、足球2个项目运动员各自专项特征动作的足底压力分布数据，共2个特征动作分别是网球项目中网前急停反手截击球（右手执拍）， 足球项目中的急停转身跑左转90度，每人每个动作测试三次，2次动作间隔2分钟。

5.测试指标：

压力峰值：分区内所有传感器在测试阶段内受到的最大合力。

压强峰值：分区内每个传感器在测试阶段内所受压强的最大值。

压力峰值百分比：某分区压力峰值占前中后足的压力峰值总和的百分比。

6.实验数据处理：

6.1采用Excel进行数据分析。

6.2选取网球和足球受试者三次动作取平均值进行分析。

6.3将每只鞋垫分为前足区、中足区、后足区三个分区，这三个分区覆盖了整个足底，此外在定前足区内义了三个特定区域，第一跖趾关节区、趾区、除趾外其他四趾區。

7.实验结果与分析：

7.1网球（网前急停反手截击球）

在网球急停反手截击动作中从跑动、急停到最后的截击步仍然以前足的承载为主趾区的压力峰值尤其显著、后足尤其是支撑脚后足的受力从跑动截击过程有不断增大的趋势，中足几乎不受力，支撑脚的足底压力峰值普遍大于发力脚，急停和截击步足底受力大于跑动步。

7.2足球（急停左转向跑）

由跑动到急停，足球运动员的前足受力面积变小，前足受力集中到前足的局部。

在跑动步离地蹬伸阶段，趾对身体向前移动起着举足轻重的作用，但在急停步的落地缓冲阶段，趾的作用减弱，其他四趾对地的制动作用增大。我们从左脚和右脚的跑动步和急停步对足球急停左转向跑动作的足底压力进行分析可以看出从跑动步到急停步，前足压力峰值明显降低后足的压力峰值明显增大，但前足内侧的压强峰值始终维持较高的水平。

两个项目足底压力分布的对比：

1.第一跖趾关节和趾的足底受力模式。第一跖趾关节区和趾区是前足受力明显的两个特殊区域，这两个位于前足内侧的区域通常是各个动作中前足压力峰值和压强峰值发生的区域。此外，比起缓冲阶段它们在足部主动发力的离地蹬伸阶段起着更重要的推动人体向前的作用。

2.网球运动中，趾区的足底压力峰值表现显著，显示了网球运动中趾作为推动人体重心移动的最后一个小关节，其支撑稳定性和关节力量比起第一跖趾关节更为重要，足球运动中不论是第一跖趾关节区还是趾区都表现出2个项目动作中最大的压强峰值。比较2个项目前足内侧压强峰值情况，可以得到足球项目动作前足内侧压强峰值较大，网球项目动作较小。

3.对比网球急停反手截击球和足球急停转向跑动作，从跑动到急停时后足均有受力增大的变化趋势，因此急停阶段后足明显的受力增大趋势是由于急停阶段为了增大身体重心向后的加速度，运动员必须增大对地受力面积以增大对地反作用力从而达到急停的目的，尽管后足受力增幅较大并且分担了前足载荷的很大部分但是从压力峰值百分比上仍然可以看出，前足依然是急停阶段最主要的承载区域。

8.结论：

8.1足部承担离地蹬伸任务时前足承担主要载荷，中后足受力不显著，足部承担落地缓冲任务时后足和中足受力增大，前、中、后足共同承担身体载荷。

8.2足球项目前足内侧压强峰值最大，网球相对较小。

8.3网球运动中，趾区的压强峰值超过第一跖趾关节区，足球运动中，第一跖趾关节区和趾区压强峰值大。

9.建议：

综上所述我们从运动生物力学的角度出发，对2个专项的运动鞋设计提出以下建议：

9.1网球运动网前截击等动作需要其专项鞋考虑到指在网球特征动作中的重要作用和影响应当增大鞋底跖趾关节部位的灵活性以及趾区域足底支撑的稳定性，以利于趾部位在网球动作中更好的充当最后关节支撑面的作用。

9.2足球运动专项鞋应当具备良好的前足减震缓冲能力并提供稳定性来抵抗踝关节在跖屈位置时的内翻力，通过对鞋面材料进行加厚和加固以增加运动员踢球的舒适度同时提供正常的距下关节灵活性。

参考文献：

[1]王兰美， 郭业民， 潘志国. 人体足底压力分布研究与应用[J]. 机械制造与自动化， 2005， 34（1）：35-38.

[2]王巍. 男子羽毛球运动员疲劳前后足踝部技术动作的生物力学研究[D]. 首都体育学院， 2013.

[3]张伟. 不同专项特征动作中足部运动的生物力学研究[D]. 北京体育大学， 2004.