鞋钉构造对专业足球运动员在不同草坪条件下的生物力学表现分析

孙 冬，Gusztáv Fekete，顾耀东，李建设



鞋钉构造对专业足球运动员在不同草坪条件下的生物力学表现分析

孙 冬1, 2，Gusztáv Fekete2，顾耀东1，李建设1

1.宁波大学 大健康研究院,浙江 宁波 315211; 2.罗兰大学 机械工程系,匈牙利 布达佩斯 1011–1239

研究目的：探讨不同草坪下不同鞋钉构造对足球运动员进行特征动作的下肢生物力学表现和非接触性运动损伤风险。研究方法：选取14名专业男性足球运动员作为受试者，受试者分别着长钉足球鞋(Soft Ground Design, SG)、短钉足球鞋(Artificial Ground Design, AG)和碎钉足球鞋(Turf Cleats, TF)在自然草皮(Natural Turf, NT)和人工草皮(Artificial Turf, AT)条件下进行直线加速跑和45°左侧切动作。Vicon三维红外运动分析系统用于采集下肢运动学数据、Kistler三维测力台同步收集地面反作用力数据。研究结果：直线加速跑和45°侧切动作中，AT-SG的膝关节峰值屈曲角度和屈曲活动度均显著大于NT-TF和AT-TF；NT-SG和AT-SG的地面反作用力垂直负荷加载率(VALR)显著高于NT-TF和AT-TF，鞋钉和草皮交互作用显著。45°侧切动作中，AT-SG和NT-TF的平均抓地系数值最小，鞋钉和草皮交互作用显著。研究结论：长钉SG足球鞋在AT较大的膝关节屈曲角度和屈曲活动度有利于缓冲较大的地面冲击力，但容易引起长时间运动疲劳程度加快，导致非接触性运动损伤风险的增加。同时，长钉SG足球鞋在AT上较高的VALR容易引起如胫骨疲劳性骨折、跟腱炎等损伤风险的增加。

足球鞋；草坪；生物力学；表现

1 前言

足球运动可以在不同的运动场地开展，如自然草坪、人工草坪、木地板等。对于现代足球运动而言，最适宜的运动场地是自然草坪足球场，然而，随着近年来人工草坪技术的不断发展和进步，人工草坪足球场数量不断增加，场地质量逐渐提高，已经被越来越多的应用于专业比赛甚至是足球世界杯这种国际性的重大足球赛事中。例如，2010年的南非世界杯和2015年的加拿大女足世界杯就使用了人工草坪作为比赛场地。人工草坪相对于自然草坪具有场地平整程度好，养护成本低，使用频率高，能适应各种复杂气候条件等优点。目前第3代人工草坪(3rdGeneration AT)已经在世界范围内广泛使用，其特点在于具有塑料的编织底层，较长的草束(≥30 mm)和橡胶颗粒、石英砂颗粒等填充[18]。

Poulos等[24]人对120名专业足球运动员的调查结果显示，大部分足球运动员从心理层面上更加偏向于在自然草坪运动，他们认为，自然草坪相对于人工草坪具有更好的缓冲性能，能够减少运动损伤的发生。这些运动员的主观调查结果可以根据流行病学的统计结果来解释。据统计，足球运动员在自然草坪进行足球运动时膝关节前交叉韧带（ACL）损伤的概率为0.012 4%，在人工草坪这一概率为0.017 3%，人工草坪上膝关节ACL损伤概率是自然草坪的1.39倍，人工草坪下肢非接触性运动损伤概率(44.29%)也要高于自然草坪(38.63%)[4,12,20,28]。

Williams等[35]和Stiles等[29]人总结了自然草坪和人工草坪条件对下肢非接触性损伤风险的研究，结果发现，在自然草坪界面运动和在人工草坪界面运动对于足球运动员总体的下肢非接触性运动损伤风险几乎没有影响。但有研究结果显示，在人工草坪运动显著增加了膝踝关节损伤的风险，另有研究结果显示，在人工草坪运动可以有效减小肌肉软组织损伤风险。上述这些研究都是基于统计学或流行病学的观点和方法探索足球运动员在不同草坪场地的损伤风险和概率，而对于导致损伤的内在生物力学因素却没有深入探讨，尤其是针对足-鞋-草坪之间相互作用的生物力学机理。职业和半职业的足球运动员损伤风险较高，且大多发生于下肢的膝关节和踝关节，导致非接触性运动损伤的因素大致可以分为内在因素（如年龄，性别，损伤史等）和外在因素（如草坪条件，鞋钉构造等）[5,18]。

Ford等[9]人使用足底压力测量系统对14名足球运动员穿着传统的圆钉足球鞋分别在自然草坪和第3代人工草坪进行足球训练中的经典动作——绕杆侧切跑进行足底压力测试。测试结果显示，在人工草坪绕杆侧切动作时，峰值足底压力出现在脚趾中部区域和脚趾外侧区域，而在自然草坪上进行绕杆侧切动作时，峰值足底压力出现在前掌内侧区域和前掌外侧区域。他们推测，在自然草坪上进行侧切动作过程中前掌内侧下沉的更多，即足外翻程度更大；而在人工草坪上进行侧切动作则不会出现这种现象。

Strutzenberger等[30]人对8名女子足球运动员在自然草坪和人工草坪进行30°和60°侧切动作的下肢运动学测试且不提前告知侧切方向，测试结果显示，在人工草坪完成侧切动作过程中膝关节在支撑期的外展角度和内旋角度要显著小于自然草坪，同时，在人工草坪上踝关节支撑初期跖屈角度和内翻角度均显著高于自然草坪。以上结果从运动学的角度证实，女性足球运动员在人工草坪上进行足球侧切动作并不会提升下肢膝关节和踝关节的损伤风险。

Smith等[28]人对专业男性足球运动员在侧切变向动作和急停动作过程中地面反作用力特征进行了研究，发现侧切动作和急停动作支撑腿的支撑期内峰值垂直地面反作用力可以达到体重的2～3倍，侧切动作中峰值水平地面反作用力可以达到体重的0.6倍，而在急停动作中峰值水平地面反作用力甚至可以达到体重的3倍。

Nigg等[23]人对足球运动员进行足球特征动作时足球鞋与草皮之间的抓地力(Traction Force)进行了研究，认为鞋与草皮之间足够的抓地力可以保证足球运动员在进行快速的加速、减速以及侧切转身变向等动作过程中足与地面不发生相对滑动，是提高运动员运动表现的重要因素。然而，过高的抓地力有可能导致足固定，从而导致侧切变向等动作中支撑腿膝踝关节的扭转力矩和翻转力矩增大，致使下肢非接触性损伤风险提高。

目前，国内、外关于足球运动员穿着不同鞋钉构造足球鞋在人工草坪界面上的生物力学研究较多，而对于鞋钉构造和草坪条件的双因素对比性研究较少，对不同草坪条件与不同鞋钉构造足球鞋之间相互作用的生物力学机制尚不清楚。因此，本研究通过对足球运动员穿着不同鞋钉构造足球鞋分别在自然草坪和人工草坪进行足球特征动作的运动学和动力学测试分析，揭示不同草坪界面和不同鞋钉构造影响足球运动员完成特征性动作的内在生物力学机制。

2 研究对象与方法

2.1 受试者

本研究选取专业男性足球运动员14名（年龄：20.2±1.4周岁；身高：1.71±0.05 m；体重：65.3±5.6 kg；球龄：11.2±2.6年），均为国家二级运动员及以上水平的运动员且均有人工草坪和自然草坪球场踢球经验。右腿为优势腿，测试前6个月无下肢伤病史，测试前24 h无剧烈体力活动。受试者了解实验内容并签署知情协议书。

2.2 实验用鞋和草坪条件

本研究选取了安踏（中国）有限公司生产的长钉足球鞋(Soft Ground Design, SG)、短钉足球鞋(Artificial Ground Design, AG)和碎钉足球鞋(Turf Cleats, TF)，共3款（表1）。其中，SG的鞋底材质为聚氨酯(PU)，鞋钉材质为轻质铝合金和热塑性聚氨酯(TPU)；AG的鞋底材质为PU，鞋钉材质为TPU；TF的鞋底和鞋钉材质均合成橡胶。本研究选取的人工草坪为国际足联(FIFA)认证的第3代标准人工草坪，由江苏威腾人造草坪有限公司生产，单丝草PE草丝，草束高度40 mm，草束密度10 500针/m2。本研究人工草坪每平方米填充石英砂和橡胶颗粒混合物36 kg，并按照橡胶颗粒比石英砂为1:3的比例均匀填充并压实。本研究选用的自然草坪为常见的暖季型足球场草坪——马尼拉草坪，草束统一修剪为40 mm高，草坪含水量采用θ探针(Theta Probe)进行测试，保证每次测试前草坪的含水量一致。本研究测试用人工草坪和自然草坪尺寸均为1 m×1 m，均铺设在相同面积的防滑垫上。采用自然落锤法(克莱格锤，Clegg Hammer)测试本研究选用的人工草坪和自然草坪的硬度系数(Turf Pitch Hardness)[29]。选用2.25 kg重量规格的克莱格中型锤，将锤高度提升至0.45 m后垂直自由下落冲击测试表面，连续锤击4次，读取最后一次的数值(CIV值)即定义为该种草坪的硬度系数“g”。

表1 本研究选用的不同鞋钉构造的足球鞋

2.3 实验仪器

英国Vicon公司生产的红外三维动作捕捉系统（Oxford Metrics LtD.,Oxford, UK），Vicon Nexus分析软件，Kistler三维测力系统（Kistler, Swizerland，60cm×90cm），智能测速门（SMARTSPEED, Fusion Sport International, Coopers Plains, Australia），克莱格锤（Clegg hammer）。

2.4 场地设计

测试跑道设置在8个Vicon摄像头的捕捉范围内，跑道宽0.8 m，直线跑道和侧切跑道总长度均为10 m。Kistler三维测力台安装于直线跑道和侧切跑道的交汇处，测力台中心距离起点垂直距离6 m，直线跑道与侧切跑道的夹角为45°（图1）。跑道两侧靠近测力台摆放两套智能测速门，测速门垂直距离和水平距离均为2 m。Vicon三维红外运动捕捉系统（Oxford Metrics LtD.,Oxford, UK）采用Vicon Nexus软件内置的Plug-in-Gait模型，16个Maker反光点分别粘贴在受试者的左右髂前上棘、左右髂后上嵴、左右大腿外侧、左右膝关节中心点外侧、左右小腿外侧、左右外踝尖、左右脚后跟及左右侧第二跖骨头，测试频率设定在200 Hz，用于运动学相关数据的采集。Kistler三维测力台（Kistler, Swizerland）与Vicon运动捕捉系统同步测试，测试频率设定在1 000 Hz，用于地面反作用力等相关指标的采集。自然草皮和人工草皮分别铺设在相同规格的防滑垫上，防滑垫为1 m×1 m，厚度6 mm的方垫，防滑垫与草皮接触面较粗糙，能够有效避免自然草皮和人工草皮底部与防滑垫之间的相对滑动。防滑垫底部使用双面胶与周围地面牢固固定，确保防滑垫底面不与测力台周围地面发生明显的接触和力学作用。

图1 实验场地设计图

Figure 1. Design of Experimental Protocol

2.5 测试流程及测试指标

所有受试者均在同一起点处开始直线加速跑(Straight Acceleration)和45°左侧切动作(Left Sidestep Cutting)，正式测试开始前，首先要求受试者进行3 min热身准备活动并熟悉测试动作。直线加速跑起跑姿势要求受试者身体站立并微微向前倾，调整步点保证右脚完整落在距离起点6 m处的测力台范围内，测试全程长10 m。45°侧切动作起跑姿势与直线跑保持一致，受试者向前冲刺6 m调整右脚踏在测力台上并向左侧45°跑道变向，测试全程长10 m。直线加速跑和45°侧切动作在通过测速门时速度均应达到4.5±0.2 m/s，并保证受试者右脚完整踏在测力台范围内。每位受试者在不同草坪、鞋钉和动作条件下均采集6组有效数据。为防止疲劳因素对实验结果的影响，规定受试者每3组测试间休息1 min，每10组测试间休息5 min。测试指标包括运动学指标和动力学指标，运动学测试指标包括：支撑期时间(Contact Time, CT)；三维膝关节、踝关节活动范围(Range of Motion, ROM)、三维关节角度峰值(Peak Angle, PA)。具体指标为膝关节峰值屈曲角度和屈曲活动度、膝关节峰值外展角度和外展活动度、膝关节峰值内旋角度和内旋活动度、踝关节峰值背屈角度和背屈活动度、踝关节峰值内翻角度和内翻活动度、踝关节峰值内旋角度和内旋活动度。动力学测试指标包括峰值地面反作用垂直方向分力(Peak Vertical Force, PVF)、平均地面反作用力垂直负荷加载率(Vertical Average Loading Rate, VALR)，本研究计算得到的地面反作用力垂直负荷加载率为直线加速动作和侧切动作触地时刻到首次峰值时刻的平均加载率，即这一阶段力-时间曲线的斜率值。定义地面反作用力垂直方向分力首次峰值为vGRF1，地面反作用力垂直分力首次到达峰值的时间为Tv，则VALR为：

Fx为地面反作用力横向分力(Medial-Lateral Force, Fx)，Fy为地面反作用力纵向分力(Anterior-Posterior Force, Fy)，则地面反作用力水平方向合力(Horizontal Ground Reaction Force, hGRF)为：

PHF为峰值地面反作用力水平方向合力(Peak Resultant Horizontal Reaction Force, PHF)，定义地面反作用力水平方向合力到达峰值的时间为Th，则平均地面反作用力水平方向合力加载率(PHF rate, PHFR)为：

定义抓地系数为δ，抓地系数为地面反作用力水平方向合力(hGRF)与地面反作用力垂直分力(Vertical Ground Reaction Force, vGRF)之比，δ为：

图2为地面反作用力垂直分力(vGRF)和地面反作用力水平合力(hGRF)的示意图。由于侧切动作右腿支撑初期即足触地期(0%～10%)和支撑末期即足离地期(90%～100%)的抓地系数值不稳定，因此，本研究选取45°侧切动作右腿支撑期的10%～90%这一段抓地系数较为稳定的时间段来计算平均抓地系数值进行比较[7]。

图2 受试者进行侧切动作地面反作用力示意图

Figure2. Ground Reaction Force of Cutting Movement

2.6 数据统计分析

首先使用独立样本检验（Independent-Sample T test）分析本研究选取的2种草坪硬度指标是否存在显著性差异。选取支撑期（Stance Phase）内受试者右侧下肢的三维运动学数据和地面反作用力数据进行处理分析，所有数据由Vicon Nexus软件导出至Excel 2013。地面反作用力数据均采用受试者体重进行标准化，单位BW（Body Weight），对每个参数的6组有效数据取平均值。SPSS 21.0统计软件（SPSS Inc, IL, USA）采用双因素重复测量方差分析法（Two-Way Repeated Measured ANOVA）分析受试者着3种鞋钉构造足球鞋在2种草坪上分别进行直线加速跑和45°侧切动作时运动学和动力学结果的差异性，考虑2种因素之间的交互作用，事后检验(Post-hoc Analysis)采用最小显著差异法（Least Significant Difference, LSD），显著性水平均设定在0.05。

3 实验结果

3.1 草坪硬度测试结果

经自然落锤法测试，本研究中选用的第3代人工草坪硬度系数为94.4±13.2 g，马尼拉自然草坪硬度系数为77.3±8.7 g。对2种草坪硬度系数指标进行独立样本检验，得出＜0.01，本研究选用的两种草坪的硬度存在显著性差异，且人工草坪硬度显著性高于自然草坪。

3.2 运动学测试结果

本研究主要分析右腿支撑期的运动学数据特点，以便于将运动学数据与动力学数据结合起来分析。测试结果显示，在直线加速跑右腿支撑期过程中，NT-TF的膝关节峰值屈曲角度和屈曲活动度都要显著性小于AT-SG（表2）。45°侧切动作右腿支撑期过程中，AT-SG的踝关节峰值背屈角度和踝关节背屈活动度显著性大于NT-TF和AT-TF，交互作用显著，＜0.05。AT-SG的膝关节峰值屈曲角度和屈曲活动度显著大于NT-TF和AT-TF，交互作用显著，＜0.05（表3）。

表2 直线加速跑运动学数据

注：a表示NT-TF与AT-SG之间存在显著性差异，＜0.05, 下同。

表3 45°左侧切动作运动学数据

注： b表示AT-SG和AT-TF之间存在显著性差异，<0.05，下同。

3.3 动力学测试结果

直线加速跑右腿支撑期阶段，不同草坪和鞋钉条件下的峰值地面反作用力垂直分力(PVF)和峰值地面反作用力水平方向合力(PHF)均不具有显著性差异。而NT-TF的地面反作用力垂直负荷加载率(VALR)显著小于NT-SG和AT-SG，交互作用显著，＜0.05(表4)。45°侧切动作右腿支撑期阶段，NT-SG和AT-SG的地面反作用力垂直负荷加载率(VALR)均显著高于NT-TF。在地面反作用力水平方向上，NT-SG的峰值地面反作用力水平方向合力(PHF)和峰值地面反作用力水平方向合力加载率(PHFR)显著性高于NT-TF和AT-SG(表5)。

表4 直线加速跑支撑期地面反作用力变化

注：c表示NT-SG与NT-TF之间存在显著性差异，＜0.05，下同。

表5 45°左侧切动作地面反作用力变化

注：d表示NT-SG与AT-SG之间存在显著性差异。

受试者在自然草坪(NT)和人工草坪(AT)穿着3种不同鞋钉构造足球鞋进行侧切动作右腿支撑期内的抓地系数δ变化如图3所示，计算图中灰色阴影部分抓地系数的平均值得出受试者在不同草坪和鞋钉条件下的平均抓地系数。经计算得出，NT-SG的平均抓地系数为2.26±0.24，AT-SG的平均抓地系数为2.11±0.29，NT-AG的平均抓地系数为2.21±0.27，AT-AG的平均抓地系数为2.24±0.31，NT-TF的平均抓地系数为2.09±0.33，AT-TF的平均抓地系数为2.22±0.25。不同鞋钉构造和草皮条件下的平均抓地系数差异如图4所示。草坪条件和鞋钉构造均对抓地系数δ有显著影响，且交互作用非常显著，＜0.01。

图3 45°侧切动作支撑期内的抓地系数δ变化图

Figure3. Traction Ratio during Stance Phase of 45° Cut

注：阴影部分表示支撑期的10%～90%，这一阶段抓地系数的值较稳定

图4 45°左侧切动作右腿支撑期的平均抓地系数值柱状图

Figure4. Average Traction Ratio during Stance Phase of 45° Cut

注：e表示NT-TF与AT-TF之间存在显著性差异，＜0.05；f表示AT-SG与AT-AG之间存在显著性差异，＜0.05；g表示AT-SG与NT-AG之间存在显著性差异，＜0.05；h表示NT-AG与NT-TF之间存在显著性差异，＜0.05；j表示AT-AG和NT-TF之间存在显著性差异，＜0.05。

4 讨论

本研究的创新之处在于同时探讨不同草坪条件和鞋钉因素对足球运动员进行足球特征性动作时下肢生物力学表现的影响，从运动生物力学角度分析足-鞋-草坪三者之间的相互作用，探究鞋钉构造和草坪条件这两个客观因素对运动表现和非接触性运动损伤风险的影响。研究发现，不同鞋钉构造与草坪条件组合进行足球特征动作时的运动学和动力学参数存在显著性差异，而差异的来源可能来自鞋钉构造或者草坪条件的不同，也可能是二者共同作用的结果，即二者交互作用显著。

4.1 运动学测试结果分析

经测试，本研究中不同鞋钉构造足球鞋在不同草坪界面进行直线加速跑和45°侧切动作时下肢运动学差异主要体现在膝关节和踝关节。膝关节屈曲角度和屈曲活动度是反映损伤风险的敏感指标，在缓冲落地阶段，膝关节屈曲角度和屈曲活动程度越大，越能够吸收来自地面的冲击，减小损伤风险[11,36]。根据机械测试结果，本研究选用的自然草坪(NT)和人工草坪(AT)硬度系数存在显著性差异，人工草坪硬度显著高于自然草坪(＜0.05)。有研究证实，较软的运动界面能够提供更好的缓冲条件[29]。而测试结果显示，受试者在AT上穿着SG在两个动作中的膝关节屈曲角度和活动度反而都是最高的。有研究发现，运动员在不同硬度界面上跑步时，能够自行协调下肢许多不同肌群、肌腱和韧带的激活水平，使下肢在落地阶段表现的类似于一个机械弹簧，从而根据运动界面硬度的不同来调节下肢刚度以适应不同硬度条件的运动界面[8,11]。Ferris等[8]人发现，当运动员从较软的运动界面踏到较硬的运动界面时，下肢刚度下降了29%。运动员在不同硬度界面运动时，能够通过调节自身下肢刚度达到适应不同硬度运动界面的目的。因此，本研究中运动员在较硬的AT上穿着SG完成直线加速和45°侧切动作时较高的膝关节峰值屈曲角度能够帮助运动员吸收部分冲击力，达到缓冲保护的目的。同时，45°侧切动作过程中，在膝关节峰值屈曲角度和屈曲活动度这两个指标上，草坪条件与鞋钉因素存在显著交互作用，＜0.01。推测45°侧切动作中，AT-SG与NT-TF在膝关节屈曲角度和屈曲活动度方面的差异来源于鞋钉和草坪这两个因素，而AT-SG与AT-TF在这两个指标上的差异则主要来源于鞋钉构造不同，鞋钉构造和草坪条件因素对这两个运动学指标均有显著影响，二者存在显著的交互作用。侧切动作右腿支撑期过程中，踝关节的峰值背屈角度和背屈活动度体现了与膝关节一致的变化趋势，即AT-SG的踝关节峰值背屈角度和背屈活动度显著高于NT-TF和AT-TF。产生这种变化趋势的原因一方面可能是由于膝关节屈曲程度的增大致使小腿更加靠近足背，被动导致踝关节背屈程度的增大。另一方面，可能是较硬地面与长钉足球鞋的共同作用减小了运动员落地时的下肢刚度(Leg Stiffness)，需要踝关节较大的屈曲角度来缓冲地面冲击力[8,29]。对于运动员来说，能够通过迅速调节下肢刚度来适应不同硬度条件的运动界面是非常有利的，然而，这种调节的过程或者说调节机制可能会导致额外的能量消耗，从而使运动员的疲劳进程加快，致使非接触性运动损伤风险增加[8,13,25,29]。推测，在较硬的人工草坪界面上着SG的非接触性运动损伤风险较高。

4.2 动力学测试结果分析

地面反作用力垂直负荷加载率（VALR）在不同鞋钉和草坪条件组合下存在显著性差异。其中，SG在NT和AT界面上均表现出较高的VALR。研究表明，VALR是造成足部及下肢损伤的主要因素。跑步过程中，足部触地后地面反作用力迅速升高，形成强烈的冲击力并在瞬间传至下肢关节及肌肉骨骼系统，易造成足部与下肢损伤，以胫骨应力性骨折、髌骨痛、跟腱炎及足底筋膜炎最为常见[22,37]。侧切动作中，NT-SG的峰值地面反作用力水平方向合力（PHF）要显著高于NT-TF和AT-SG。在45°侧切转身等动作中，受试者穿着长钉足球鞋在自然草坪上更高的PHF可以提供更多的动态推进力，能够提高受试者的运动表现[19,31,34]。Muller等[21]人测试了运动员分别穿着0%、50%、100%这3种递增长度鞋钉足球鞋在自然草坪进行直线加速跑和障碍跑的运动表现测试，结果显示，随着鞋钉长度的增加，障碍跑所用时间逐渐减少。鞋与地面之间足够的抓地力能够保证运动员进行快速的侧切变向等动作而不与地面发生相对滑动，是运动员保持良好运动表现的重要因素之一。更直观地说，鞋与地面之间的抓地力或者说抓地系数越大，运动员就可以更大程度的向地面倾斜从而获得更大的地面反作用力水平方向分力，产生更大的加速度从而获得更好的运动表现[15]。

本研究中的抓地系数是地面反作用力水平合力与地面反作用力垂直分力的比值，是受试者可利用的抓地系数（Available Traction Coefficient），同时，鞋底与地面之间还存在机械抓地系数（Mechanical Traction Coefficient）即采用机械测试的方法测出鞋-地之间的抓地系数值[7,16]。Geng等[10]选用了鞋面条件一致、鞋底机械抓地系数分别为0.26，0.54，0.82，1.13的4种运动鞋，受试者着4种运动鞋进行直线冲刺跑和弧线加速跑，研究发现，可利用抓地系数和运动成绩随着机械抓地系数的上升不断提高，然而，当可利用抓地系数值超过0.82后，运动成绩不再随着机械抓地系数的提升而提高。Muller等人测试了4款不同外底构造的足球鞋在人工草坪上的机械抓地系数，可用抓地系数和障碍跑运动成绩，发现机械抓地系数最高的一双足球鞋障碍跑运动成绩反而最差，同时，运动员对这双机械抓地系数最高的足球鞋主观反馈也最差，经测试这双足球鞋较低的可利用抓地系数可能是导致运动表现和主观反馈较差的主要因素[6,34]。因此，可利用抓地系数是决定运动表现的关键因素。本研究45°侧切动作中，NT-TF和AT-SG的平均抓地系数显著小于其他鞋钉与草坪组合条件下的平均抓地系数，即受试者在自然草坪上着碎钉足球鞋和在人工草坪上着长钉足球鞋降低了运动表现。从自然草坪角度来看，足球鞋与自然草坪之间的抓地力主要依靠鞋钉扎入渗透进土壤中，更长的鞋钉能够扎入更深层的土壤从而获得更大的水平方向推进力以增大抓地力，因此，长钉的SG能够在自然草坪上获得相对较好的抓地表现。而TF由于鞋钉长度过短，几乎无法扎入自然草坪，无法获得足够的抓地力，甚至鞋底会与草坪之间发生相对滑动[6]。从人工草坪角度看，足球鞋与人工草坪之间的抓地力主要依赖鞋底同草丝和填充物颗粒的摩擦来提高抓地表现[3,4]。因此，在人工草坪上，AG和TF鞋钉数量较多，长度较短，鞋底与草坪的接触面积较大，获得的摩擦力也就更大。而长钉的SG鞋钉数量少，鞋钉较长，与人工草坪的接触面积小，相互之间的摩擦力小，容易产生相对滑动。

从以上的分析中不难得出，通过提高可利用的抓地力或抓地系数可有效提高运动成绩和运动表现，即自然草坪条件下应将抓地系数最高的SG作为唯一选择。而过高的抓地力和抓地系数却被许多学者认为与下肢非接触性运动损伤紧密相关[17,23,33]。Torg等[33]人研究发现，过高的抓地力容易导致足部与运动界面之间的固定，从而引起下肢软组织和膝关节损伤风险的增加。Smeet等[27]人研究发现，随着鞋钉长度的增加，抓地力会显著增大，而过高的抓地力会导致蹬地过程中膝关节外展角度和外展力矩增大，从而导致膝关节前交叉韧带（ACL）损伤风险的增加。在侧切和变向等动作中，鞋底与草坪之间足够的抓地力或者抓地系数是避免滑动损伤和保证运动表现的重要因素，运动表现随着抓地系数的提高不断提升，而在抓地系数到达一定阈值再提高时，运动表现就会进入一个平台期，此时，下肢非接触性损伤风险不断升高[1,2,10,23]。

综上所述，SG更适合在自然草坪使用，碎钉TF足球鞋更适合在人工草坪使用。专业足球运动员在比赛中更倾向于选择SG足球鞋作为比赛用鞋，从客观原因看，专业足球比赛的场地是专业的、松软的自然草坪，能够有效降低地面反作用力垂直负荷加载率等损伤敏感指标来降低非接触性运动损伤的发生风险。从主观原因看，专业足球运动员接受了系统专业的训练，无论是身体素质、肌肉力量还是技术动作都要优于业余水平运动员。综合考虑，建议业余水平运动员应谨慎选择SG以预防可能发生的下肢非接触性运动损伤。

4.3 本研究不足与局限

1. 本研究选取的自然草坪为常见的暖季型足球场草坪——马尼拉草坪，而不同的地域和气候条件决定了足球场草坪的种类繁多，各种足球场自然草坪的机械特性和力学性能可能存在差异，本研究只选取较有代表性的自然草坪与第3代人工草坪进行对比实验，由于人力财力等条件的限制，不能涵盖目前所有种类的自然草坪。

2. 本研究选取的3款实验用鞋的鞋底材料和鞋钉材质并不完全一致，这可能是导致运动员进行特征动作时生物力学参数出现显著性差异的影响因素之一，后期应尽量选用鞋底材质相同或相近的足球鞋进行对比。

3. 本研究中人工草坪和自然草坪均铺设在厚度6 mm的防滑垫(1 m×1 m)上，防滑垫底部通过双面胶与测力台周围地面进行黏合，由于防滑垫尺寸与测力台大小(60 cm×90 cm)不一致，测试过程中防滑垫与周围地面会发生力学作用而影响测试准确性。

4. 本研究只针对成年男子足球运动员在非疲劳状态下进行了测试，而未对女性足球运动员以及运动员在疲劳状态下进行相关测试。

5. 本研究中的侧切变向动作提前告知了侧切方向，而在真实的比赛中，变向侧切的方向往往是不可预期的，可能会造成更大的损伤风险。以上这些不足与局限都需要在后续研究中继续落实完善。

5 结论与建议

5.1 结论

直线加速跑和45°左侧切动作右腿支撑期，SG在硬度较高的人工草坪上的膝关节屈曲角度和屈曲活动度较大且草坪条件与鞋钉因素之间交互作用显著，较大的膝关节屈曲角度和屈曲活动度能够更好地缓冲落地阶段较大的地面冲击力，然而，可能需要动员更多肌肉软组织，加快疲劳进程，增加长时间运动的损伤风险。同时，SG在人工草坪上具有较大的地面反作用力垂直负荷加载率(VALR)，且草坪与鞋钉交互作用显著，过高的VALR可能导致胫骨疲劳性骨折、髌骨痛、跟腱炎等下肢关节软组织损伤风险增加。AT-SG和NT-TF的抓地系数显著性低于其他草坪与鞋钉组合，SG在自然草坪的抓地力主要依靠鞋钉与草坪之间的交叉渗透，而AG和TF在人工草坪的抓地力则主要是鞋底与草坪表面及填充物的摩擦。较高的抓地系数能够为运动员提供更好的运动表现，而鞋与地面之间过高的抓地系数容易导致足与地面的固定，从而增加下肢软组织和膝关节前交叉韧带(ACL)等的损伤风险。

5.2 建议

在人工草坪上进行足球运动时，应优先选择短钉足球鞋或者碎钉足球鞋，要避免选用鞋钉较长且鞋钉材质较硬的长钉足球鞋；而在自然草坪进行足球运动时，建议专业水平足球运动员选择能够有效增大抓地力和抓地系数的长钉足球鞋提升运动表现，而对于下肢肌肉力量较弱，动作控制能力较差的业余水平运动员应谨慎选择长钉足球鞋，可以选择较长钉的FG（Firm Ground Design）足球鞋或短钉足球鞋。

[1] 刘卉, 张美珍, 李翰君,等. 足球运动员在急停起跳和侧切动作中前交叉韧带损伤的生物力学特征研究[J]. 体育科学, 2011, 31(12): 38-43.

[2] 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): 40-49.

[3] 彭博, 秦义, 王定宣,等. 不同类型的足球鞋大底在人造草坪上的动态表现[J]. 中国体育科技, 2016, 52(4): 103-112.

[4] 孙冬, 顾耀东, 李建设. 足球鞋核心技术的生物力学研究进展[J]. 浙江体育科学, 2015, 37(4): 109-113.

[5] 杨辰, 曲峰, 万祥林. 不同颗粒密度人造草坪对足球运动员运动表现及损伤的影响[J]. 体育科学, 2015, 35(2): 61-66.

[6] CLEMENS M, THORSTEN S, JUSTIN L,. Comprehensive evaluation of player-surface interaction on artificial soccer turf [J]. Sports Biomech, 2010, 9(3): 193-205.

[7] CLERCQ D D, DEBUYCK G, GERLO J,. Cutting perfor-mance wearing different studded soccer shoes on dry and wet artificial turf [J]. Footwear Sci, 2014, 6(2): 81-87.

[8] FERRIS D P, LIANG K, FARLEY C T. Runners adjust leg stiffness for their first step on a new running surface [J]. J Biomech, 1999, 32(8): 87-94.

[9] FORD K R, MANSON N A, EVANS B J,. Comparison of in-shoe foot loading patterns on natural grass and synthetic turf [J]. J Sci Med Sport, 2007, 9(6): 433-440.

[10]GENG L, DARREN S. Identification of critical traction values for maximum athletic performance [J]. Footwear Sci, 2011, 3(3): 127-138.

[11]HARDIN E C, AJ V D B, HAMILL J. Kinematic adaptations during running: effects of footwear, surface, and duration [J]. Med Sci Sport Exer, 2004, 36(5): 838-44.

[12]HAVENS S, SUSAN M. Cutting mechanics: relation to perform-ance and anterior cruciate ligament injury risk [J]. Med Sci Sport Exer, 2015, 47(4): 818-824.

[13]KAILA R. Influence of modern studded and bladed soccer boots and sidestep cutting on knee loading during match play conditions [J]. Am J Sports Med, 2007, 35(9): 28-36.

[14]KIM J H, LEE K K, KONG S J,. Effect of anticipation on lower extremity biomechanics during side- and cross-cutting maneuvers in young soccer players [J]. Am J Sports Med, 2014, 42(8): 1985-1992.

[15]KUGLER F, JANSHEN L. Body position determines propulsive forces in accelerated running [J]. J Biomech, 2010, 43(2): 343-348.

[16]LAKE M, UNDERDOWN T. Traction and lower limb motion during rapid turning on different football turf surfaces [J]. Foot-wear Sci, 2011, 3(4): 92-93.

[17]LAMBSON R B, BARNHILL B S, HIGGINS R W. Football cleat design and its effect on anterior cruciate ligament injuries a three-year prospective study [J]. Am J Sports Med, 1996, 24(2): 155-159.

[18]LEES A, NOLAN L. The biomechanics of soccer: a review [J]. J Sports Sci, 1998, 16(3): 211-234.

[19]MCGHIE D, ETTEMA G. Biomechanical analysis of traction at the shoe-surface interface on third-generation artificial turf [J]. Sports Eng, 2013, 16(2): 71-80.

[20]MEYERS M C. Incidence, mechanisms, and severity of game-related college football injuries on Field Turf versus natural grass: A 3-year prospective study [J]. Med Sci Sport Exer, 2010, 38(4): 687-697.

[21]MULLER C, STERZING T, MILANI T. Stud length and stud geometry of soccer boots influence running performance on third generation artificial turf [C]//27. International Conference on Biomechanics in Sports, 2009.

[22]NUNNS M, HOUSE C, FALLOWFIELD J,. Biomechanic-al characteristics of barefoot foot strike modalities [J]. J Biomech, 2013, 46(15): 2603-2610.

[23]NIGG D B M, SEGESSER B. The Influence of Playing Surfaces on the load on the locomotor system and on football and tennis injuries [J]. Sports Med, 1988, 5(6): 375-385.

[24]POULOS C C, GALLUCCI J, GAGE W H,. The perceptions of professional soccer players on the risk of injury from competition and training on natural grass and 3rd generation artificial turf [J]. BMC Sports Sci Med Rehabil, 2014, 6(1): 1-7.

[25]SASSI A, STEFANESCU A, MENASPA P,. The cost of running on natural grass and artificial turf surfaces [J]. J Strength Cond Res, 2011, 25(3): 606-611.

[26]SCHRIER N M, WANNOP J W, LEWINSON R T,. Shoe traction and surface compliance affect performance of soccer-related movements [J]. Footwear Sci, 2014, 6(2): 69-80.

[27]SMEETS K, JACOBS P, HERTOGS R,. Torsional injuries of the lower limb: an analysis of the frictional torque between different types of football turf and the shoe outsole [J]. Br J Sports Med, 2012, 46(15): 1078-1083.

[28]SMITH N, DYSON R, JANAWAY L. Ground reaction force measures when running in soccer boots and soccer training shoes on a natural turf surface [J]. Sports Eng, 2004, 7(3): 159–167.

[29]STILES V H, GUISASOLA I N, JAMES I T,. Biomechani-cal response to changes in natural turf during running and turn-ing [J]. J Appl Biomech, 2011, 27(1): 54-63.

[30]STRUTZENBERGER G, CAO H M, KOUSSEV J,. Effect of turf on the cutting movement of female football players [J]. J Sport Health Sci, 2014, 3(4): 314-319.

[31]SUN D, GU Y D, FEKETE G,. Effects of different soccer boots on biomechanical characteristics of cutting movement on artificial turf [J]. J Biomim Biomat Biomed Eng, 2016, 27: 24-35.

[32]TAYLOR S A, FABRICANT P D, KHAIR M M,. A review of synthetic playing surfaces, the shoe-surface interface, and lower extremity injuries in athletes [J]. Physician Sports Med, 2012, 40(4): 66-72.

[33]TORG J S, QUEDENFELD T C, LANDAU S. The shoe-surface interface and its relationship to football knee injuries [J]. J Sports Med, 1974, 2(5): 261-269.

[34]WANNOP J W. Influence of basketball shoe mass, traction and bending stiffness on athletic performance [J]. Footwear Sci, 2013, 5(1): 98-100.

[35]WILLIAMS S, HUME P A, KARA S. A review of football injuries on third and fourth generation artificial turfs compared with natural turf [J]. Sports Med, 2011, 41(11): 903-923.

[36]YU B, GARRETT W E. Mechanisms of non-contact ACL injuries [J]. Br J Sport Med, 2007, 41: 47-51.

[37]ZADPOOR A A, NIKOOYAN A A. The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: A systematic review [J]. Clin Biomech, 2011, 26(1): 23-28.

Biomechanical Analysis of Soccer Players on Different Turf Conditions with Different Studded Soccer Shoes

SUN Dong1, 2, GUSZTÁV Fekete2, GU Yao-dong1, LI Jian-she1

1. Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2. Eötvös Loránd Unversity, Budapest 1011-1239, Hungary.

Objective: The purpose of this study was to investigate the effect of shoe stud construction on biomechanical performance and non-contact injury risk when soccer players performed specific movements under different turf conditions, and further to provide insights into shoes selection in particular field conditions. Method: A total of 14 experienced soccer players participated in the tests to complete tasks of straight acceleration and 45° left sidestep cutting with randomly wearing shoes with soft ground design (SG), artificial ground design (AG) and turf cleats (TF) in natural turf (NT) and artificial turf (AT) conditions, respectively. The Vicon motion analysis system was used to capture participant’s lower limb kinematics data. A Kistler force platform was synchronized to collect the ground reaction force. Results: In the tasks of straight acceleration and 45° left sidestep cutting, AT-SG showed greater peak knee flexion angles and flexion-extension range of motion (ROM) than NT-TF and AT-TF. NT-SG and AT-SG showed significantly higher VALR compared with NT-TF and AT-TF. AT-SG and NT-TF showed significantly lower average required traction ratio compared with other conditions, shoe stud and turf condition showed significant interaction effect. Conclusion: Greater knee flexion angle may help to absorb higher impact force, but might induce fatigue. Higher VALR of AT-SG may resulted in higher injury risk, such as Achilles tendinitis, tibia stress fracture.

G804.6

Ａ

1002-9826(2018)01-0071-09

10.16470/j.csst.201801010

2016-12-01；

2017-08-26

浙江省社科规划‘之江青年课题’(16ZJQN021YB);安踏(中国)有限公司资助项目(ATYFYB 201706005);国家社会科学基金资助项目(16BTY085)。

孙冬,男,在读博士研究生,主要研究方向为运动人体科学,E-mail:nbusundong@aliyun.com。