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隐代活动鞋科技立异钻研综述

发布时间:2019-08-29 点击数:

  现代活动鞋科技立异研究综述 朱菡笑,李扶植,陆毅琛,顾耀东 (鄞州职业教育核心学校 体育组;宁波大学体育学院) 摘要:以活动时人体脚部各环节取活动鞋设想、材质、利用机能之间的关系为研究对象。对 制鞋材料、防震系统等进行材料学、生物力学、心理剖解学等多方面的阐发和研究。旨正在指 导设想适合各类活动需要的活动鞋,使活动鞋的利用更科学、平安、靠得住。 环节词:活动鞋;防震系统;弹性;能量回归;透气 A Summarize Research of the Science and Technology Innovation in the Sports Shoes ZHU Hanxiao,LI Jianshe,LU Yichen,GU Yaodong Abstract :The research studies the relationship between the taches of foot and the design,the material,the capability of the shoes for sports in order to help the athletes perfect performance with foot. The material, the shockproof system and other innovative designs for sports shoes are analysed and studied in the fields of Sports Biomechanics and Functional anatomy,etc. The aim of this research is to use science and technology guiding the design for sports shoes which are required . for all kinds of movements. Key words : Sports shoes; Shockproof system; Springiness ; regression of energy; Breathe freely 1. 前 言: 跟着社会经济和科技的成长, 活动鞋的内涵已不竭扩大。 活动不只正在竞技场上如火如荼 的演绎,更是渗入公共的业余休闲糊口中。现代科技感化于体育配备,能够促使活动结果更 为显著,活动程度更为优良。因而,做为最根本的活动配备——活动鞋已实实正在正在地渗入到 每一项体育活动中。广义上的活动鞋(包罗专业活动鞋和通俗活动鞋)正在一些体育和经济发 达国度的鞋类消费总量中已占 1/3。现代活动鞋已不只是满脚耐用舒服的功用,而是从分歧 活动中寻找活动特点、 最佳防震机能和最佳不变性。 此中活动鞋的防震系统又成为浩繁要素 中的核心问题。 2. 活动防震鞋的品种及生物力学阐发 2.1 材料的力学特征 制鞋材料的力学特征包罗弹性、 质量和强度等。 出格是鞋底的前脚掌部门材料和防震体 系材料的弹性对跑、跳等勾当将发生很大的影响。正在蹬地时相,材料遭到冲击载荷的感化, 将被压缩。落地缓冲时相,材料又遭到冲击而再次压缩。其力学意义有两个方面: (1)因为 鞋底为地面取人体之间的两头体,因此对人体而言,因为鞋底的弹性,地面临人体的冲击力 将获得无效的缓冲。 可使下肢肌群退让性工做恰当削减, 以利于后蹬阶段肌群的胁制性工做。 (2)从能量转换的角度阐发,因为弹性,可储存部门弹性势能,实现能量的二次操纵,增 加后蹬时的后蹬力。 鞋的质量大小亦对活动能力发生影响,鞋是人体的附加物,鞋的质量越大,正在活动过程 中耗损的能量累积也越大, 正在脚部活动平安的前提下, 恰当减小鞋沉常无效的。 耐克公司为百米女飞人琼斯出格设想的无后跟跑鞋就应证了这一点。 2.2 鞋脚系统的整和性 鞋脚系统的整和性次要指鞋的内部布局、 外形取人体脚部布局取外形的婚配问题。 出格 是活动时脚部的变形特点以及蹬离和落地体例分歧, 从而对鞋内分歧部门的感化力有显著的 活动项目特征和人体个性特征。 别的, 为了使活动时蹬伸更无力, 落地缓冲时脚部受压更小, 鞋子防震系统设想往往越来越复杂, 但这就容易添加添加鞋底的高度, 使得鞋脚之间的不变 性下降从而使脚部遭到活动创伤。最初,正在活动时鞋内部的温度也影响活动员的舒服感,因 为活动时脚部大量的热和汗,一般性活动时,脚每小时发生 15 毫升摆布的汗水,猛烈 活动时,脚每小时发生 30 毫升摆布的汗水。若是制鞋材料的透气性欠安,热和汗将无法及 时散开而形成水泡、脚藓等疾病。鞋脚系统若是正在以上提及的任何一处不协调,都将影响运 动鞋的舒服感,进而对活动动做布局发生晦气影响从而影响成就。此外就是能量回归,活动 中当脚落地冲击地面时, 鞋通过受压变形而接收能量, 当人举步离地时鞋又能将能量回输给 穿鞋人,此称为“能量回输” ,这种能量回输能强化动做,使跑步更快,腾跃更高,人更省 力。按照这一理论,要求鞋底具有双沉特征——减震和回弹。 2.3 活动防震鞋的品种及力学阐发 2.3.1 美国最大牌活动品——耐克(NIKE) AIRMAX 气垫防震系统是以高压体例将一种特殊气体灌入一个坚韧合成的橡胶层内,气 垫中的气体不会因外来冲击力而流失,气垫内分歧压力的气室,供给分歧 MAX AIR,针对不 同活动的需要。ZOOMAIR 气垫防震系统是气室内放置弹性功能佳的尼龙立体织物,没有任何 接缝, 概况滑腻。 能使脚更切近地面, 以降低落心添加不变性。 超薄外型削减利用中底材料, 且利用 PHYLON 为中底,比利用 PU 中底轻。气垫概况无接缝,比其他多 50%容量,削减空间 以换取更大避震结果。TUBULARAIR 气垫防震系统是以八脚章鱼般的管状气室设想负气室互 相畅通,使脚下感化力更为顺畅,添加落地时的不变度。SHOX 防震是正在鞋跟部位拆了数个 COLUMNS (回力柱) , 这些回力柱采用的特殊高弹性发泡材料取一级方程式赛车的吊挂系统的 概念千篇一律, 并且质地轻巧、 接收地面传来的冲击力, 受压初期敏捷压缩以缓和脚部动做, 然后敏捷恢复到本来高度的过程中再出动力, 腿部各关节并同时降低脑部遭到震动 的风险。 2.3.2 美国最早的活动鞋出产商——锐步 (REEEBOK) 蜂窝式气垫防震系统是由若干个犹如小蜂室的小气囊构成, 各自是的气室, 整块气 垫犹如蜂窝,各个气室能承受活动时脚部分歧的分压,从而分离对脚部的压力而获得缓冲。 DMX 活气垫防震系统是活动鞋前脚掌具有一个大气室,后脚掌除配有一个大气室外,更附加 了后脚跟及侧边气垫,能够防止脚部侧翻。此中缓冲式的空气调理阀使空气畅通更不变,保 护脚弓肌肉。此外,为避免扭伤脚踝, 舒缓脚后跟的反感化力, 避免脊椎、 膝盖遭到的, 鞋后跟采用弧型斜脚设想,使后跟脚部先着地,再借由 TUP 支持片将不变性提高,通度日气 垫气室中空气的畅通,阐扬吸震、抗压取舒服的功能。 2.3.3 体育用品元老——阿迪达斯(ADIDAS) 扭力系统是基于该公司于 20 世纪 80 年代提出的 “改正跑步扭偏” 的理论。 按照该理论, 鞋底的前掌和后跟被扭力槽分隔成两个部门,断开的部门称为扭力槽(或扭力条)毗连。由 于扭力槽的存正在,脚能够按照跑步姿态的需要,顺其天然的发生扭动而发生扭力,并正在扭力 的感化下,无效的节制扭转角度,把扭幅节制正在必然的范畴内。当跑步离地时,扭力条因脚 的摆动而弯曲,发生杠杆力,节制扭转角度,能够正在必然程度上加大跑步的能量,又能够补 偿因腿的扭摆所带来的风险。当扭力发生时,若鞋底不脚以扭力形成的脚踝“外倾”或 “内倾” ,必然使脚步弯曲,如许就得到了对脚的,且能量不克不及无效的回归腿部,以致 能量耗损增大,影响活动程度的阐扬。 2.3.4 体育用品商——彪马(PUMA) 。它正在脚球鞋的制做上独树一帜,1954 年防滑球鞋 和脚踝的鞋降生;1960 岁首年月创硫化粘合鞋面和鞋底;70 年代,PUMA 推出 PU 多功能钉 鞋底及可拆除的防滑片,令脚球鞋更富弹性、耐用、简便;80 年代首推可换钉的多功能脚 球鞋,它的吸震 EVA 普遍成为业内尺度;90 年代,PUMA 正在鞋面插手 KELVAR 物料,采用金属 防滑片,正在鞋头及易损耗的鞋钉上加上摩擦系数更大的氧化铝,以便提高脚球鞋的耐用性。 2.3.5 意大利斐乐(FILA) FILA 具有 3A 专利(3 ACTION 系统) ,它满脚了曲向及横向活动的需要。前掌 3ACTION 小心脚趾, 同时供给恰当柔嫩度。 后跟的 3ACTION 能脚跟正在着地时遭到的冲击。 脚跟的 3ACTION 更能包涵分歧步态带来的震动,防止脚外倾,降低扭伤。通明封锁式气 囊接收低频次冲击,立异外形无效接收高频次冲击。气囊+焦点能供给持久减震、超等不变 和无效的能量回归。 正在其他方面 FILA 还有雷同 F1 赛车式的流线性外体鞋型, 以削减空气阻 力。压缩橡胶(CMR)中底、脚窝模胶以加强不变性。 2.3.6 日本美津浓(MIZUNO) MIZUNO 采用立异的海浪防震手艺,即鞋的前脚掌和后脚跟由一块压缩橡胶(CMR)制成 的海浪型, 并且中空的鞋掌和鞋底取整个鞋底胶合, 从而充实操纵压缩橡胶的柔韧性无效缓 冲活动中落地时对脚的冲击。 2.3.7 美国匡威(CONVERSE) CONVERSE 采用 REACT 减压避震系统,可无效分离冲击力,仅中底部的油包(内容物是 胶固体) 就能承受 1800 磅的垂曲冲击力。 此外 CONVERSE 还独创罕见气体氦气填充的氦气垫。 氦气则比空气轻 7 倍(空气质量是氦气的 7 倍) ,因而整个防震系统就减轻了鞋本身的分量 负荷,以提高简便性。 2.3.8 其他品牌。 茵宝(UMBRO) 、乐途(LOTTO) 、王子(PRINCE) 、威克多(VICTOR) 、李宁(LINING)等 其他活动厂商正在各自擅长的范畴, 如脚球、 网球、 羽毛球、 体操都有各自分歧的研究取贡献, 但归纳起来不过乎以上所涉及的类型。 2.3.9 除“美津浓”和“匡威”以外,各类防震手艺都分歧形式的采用了气垫手艺防震, 就像高级轿车的平安气囊一样,达到分歧程度、形式和要求的脚步冲击力缓解、能量回归和 脚部的功能。此中不少活动鞋厂商也采用了“鞋中鞋”手艺,即内鞋由柔嫩舒服、透气 性好的面料制成并配有防震体, 外鞋由供给和耐磨的 TPU 框架及尼龙网布形成。 因为各 种气垫鞋正在脚部的同时不成避免地使脚底离地面的高度相对提高, 从而使得活动时轻松 自若的节制能力相对降低,且脚的不变性分歧程度的降低, “鞋中鞋”手艺使脚底离地面的 距离比通俗鞋削减了 25%,有益于脚正在活动时更切近地面,更自若的改变活动标的目的而不扭伤 脚踝。 “美津浓”海浪防震和“匡威”油包防震设想避免了气囊式活动鞋容易被锋利物品刺 破而失效的弱点,这两种设想满脚了分歧体育场地前提下活动的避震效用。 3. 脚部机能剖解特征取鞋脚防震系统的布局阐发 3.1 踝关节(距小腿关节)正在冠状轴上除可做背屈、跖屈活动外,当跖屈时,距骨滑车较窄 的后部进入广大的关节囊,故可正在垂曲标的目的上可做轻细的侧向(收、展)活动,收展勾当角 度均离中位 20 度。跗骨间关节多为微动关节,有距跟关节、距跟舟关节和跟股关节等,其 中前二关节正在活动时能使脚内翻和外翻踝关节,内翻、外翻角度均离中位 35 度。活动时, 内翻凡是伴有跖屈,外翻凡是伴有背屈,因而,活动中踝关节内翻时,脚底平面取地面的夹 角是 35 度, 踝关节外翻时脚底平面取地面的夹角是 15 度。 所以正在活动鞋防震系统的设想上 必需遵照这终身理剖解特点。 脚内翻时防震体正在遭到压力压缩缓冲过程中, 鞋内底内侧和外 侧遭到的冲击分歧,因此防震体的变形度截然不同,鞋内底遭到分歧压力而变形(内侧高, 外侧低)后的倾斜面取地面夹角不得大于 35 度,不然踝关节必将正在活动中因防震系统本身 的错误谬误而毁伤韧带。从机能剖解上看,踝关节外侧副韧带较内侧亏弱,脚内翻肌群较外翻肌 群肥厚,所以正在脚踝猛烈活动时,容易发生踝关节内翻过度,导致外侧副韧带毁伤。同样, 正在脚外翻时,鞋内底受压变形(内侧低,外侧高)后构成的倾斜面的平面取地面夹角不得大 于 15 度,以防止内侧副韧带毁伤。 3.2 跖趾关节的勾当范畴正在程度脚面的上下 45 度内,因而,活动鞋前端位于跖趾关节处应 留意弯曲度不得大于 45 度,不然活动时的一些不测中,跖趾关节将很有可能被扭伤。 【6】 3.3 脚弓部位的鞋型设想要合适生物力学道理 。脚弓部位鞋垫较为高突的设想有益于维 持脚跟部活动的不变性, 防止跗中部、 脚跟因构成局部承沉点所导致的活动时或活动后的疼 痛和跖腱膜炎的发生。表 1 是 10 名被试正在有脚弓垫突起鞋和无脚弓垫突起鞋两种形态下的 脚部平均压力值及占体沉百分比的比力。 表 1:两种形态下脚部平均压力值及占体沉的百分比 部 位 无脚弓垫突起鞋( g , % ) 6712 g , 27.7% 6494 g , 11025 g, 26.8% 45.5% 有脚弓垫突起鞋 ( g , % ) 3767 g , 14.6% 14732 g , 57.1% 7301 g , 28.3% 前脚 脚弓 后脚 表 1 显示:正在鞋型设想上有脚弓垫突起的形态下,人体前脚的平均压力是无脚弓 垫突 起形态下的 56.12%,削减了 43.88%,体沉百分比削减了 13.1%;人体脚弓部门受的平均压 力是无脚弓垫突起的 226.86%,添加了 126.86%,体沉百分比添加了 30.3%;人体后脚部门 受的平均压力是无脚弓垫突起的 66.22%,削减了 33.78%,体沉百分比削减了 17.2%。所以 脚弓垫突起的设想,有益于分离人体对前脚和后脚压力,转移一部门压力至脚弓部门。它能 减轻前、后脚负沉,加强脚纵弓的支持力,缓解跖腱膜的牵张力,对于防治脚跟部活动创伤 而惹起后遗症是一种合适生物力学纪律的设想体例。 3.4 鞋尖适度外翘,以削减鞋尖的着地面积,起到脚尖的感化。跟部加厚,正在鞋楦设 计上加大后翘 (12mm—15mm) 而构成必然的坡度, 使活动时身体前倾, 有帮于削减踵腱受伤, 鞋跟部每升高 1mm 脚踵腱败坏率是 8%。 3.5 人体一般坐立时,正在脚取地面接触的部门,脚跟约承受负荷的 50%,其余 50%由 1-5 跖 骨承受。但由坐立转向步行、跑、跳等活动时,脚跟提起,身体沉心前移,负荷集中于第 2 跖骨头和第 2 近节趾骨底上。因而,活动鞋设想必需遵照这一机能剖解学的特点,正在防震体 系设想上要按照上述特点, 正在受力点上应设想缓冲结果更佳的弹性或气垫材料, 以便缓冲运 动中地面临脚部这些受力点的压力,活动员的脚部。 4.尝试研究阐发 4.1 陆毅琛等,采用中国国度体育科学研究所设备- novel pedar 脚底压力分布测试系 统对人体脚部三种分歧形态下(即裸脚、穿戴通俗防震活动鞋、穿戴全掌气垫防震活动鞋) 被试持续纵跳过程进行脚底压力、压强的分布解析。 4.2 尝试研究成果阐发 (图 1.1) (图 1.2) (图 1.3) 以上三个 3D-MVP 图(平均脚底压力分布三维图)别离显示了人体裸脚(图 1.1) 、穿戴活动 防震鞋 a(图 1.2)、 穿戴活动防震鞋 b(图 1.3)三种形态下人体进行持续纵跳过程的脚底压力 分布环境。 由以上尝试图象 1.1 能够较着地定性看出人体正在纵跳时, 裸脚形态下正在脚部各个 次要落地址即前脚掌各个跖骨点以及拇趾和第 2、3 远节趾骨点的平均压力值较着高于脚部 其他部位,出格拇趾是脚部平均压力最高的部位,各点平均压力分布差同性大,这取人体纵 跳过程中, 落地缓冲力和起跳时地面临脚部的反感化力大部门感化于如上所言的感化点, 符 合天然前提下活动生物力学纪律。 通过图象 1.2 的定性阐发, 能够发觉前脚掌各个跖骨点以 及拇趾和第 2、3 远节趾骨点的平均压力值较高于脚部其他部位,拇趾仍是脚部平均压力最 高的部位,可是各点平均压力有所减小,分布差同性较着变小。再定性阐发图 1.3,能够知 道脚底平均压力分布环境取图 1.2 有所类似, 可是从平均压力分布区域来看, 脚弓以及脚跟 部位压力分布范畴愈加大,平均压力值愈加趋于均衡。 4.3 尝试研究总结 通过对裸脚和分歧类型防震活动鞋的形态下人体持续纵跳过程中脚底 平均压力分布特点的定性阐发取比力研究, 能够发觉防震活动鞋能够无效减低纵跳时对 人体脚部的冲击, 对削减对脚部各个部门的, 降低肌肉、 肌腱以及神经、 血管的受压力, 提高活动竞技术力有着不小的功能。 此外, 分歧类型的防震活动鞋对人体脚部的防震功能又 有着特殊的差同性。 5. 结论 5.1 活动鞋的功能要求。对活动鞋机能要求应着沉于两方面:一是满脚活动的功能;二是正在 降低活动员体能耗损的同时对脚部骨骼肌腱起功能。此中包罗活动鞋的: (1)轻质化: 确保鞋牢靠的前提下减轻质量,削减能耗。 (2)透气:鞋要有优良的透气、透水性。为此一 方面从材料动手,另一方面是采用从动进行吸气冲刷的轮回底等布局。 (3)弹性:鞋需具有 优良的弹性,不只有帮于获得优良的弹跳,还可起到节能、蓄能的感化。 (4)减震:操纵减 震系统的减震功能可削减活动对人体的冲击强度。 鞋腔和脚部外形达到吻合, 更可提高减震 结果。 5.2 活动鞋的制鞋材料要求。 (1)大底:活动鞋大底的功能是脚底,同时起到帮弹跳、 制动、防滑和减震等感化。常用的材料是全胶、全塑、橡胶及 PU 等。 (2)内底:大多内底 材料一曲延用以 EVA 为从体的微孔体。 (3)防震系统:一般材料包罗气体(空气、氦气等) 、 液体、塑胶、全塑、全胶等。 (4)帮衬:次要利用的材料有天然革、棉帆布、尼龙织物、合 成革、复合面料等。 5.3 活动鞋的短处 活动鞋和旅逛鞋鞋底较平展,可塑性大,富有弹性,对青少年跑、跳起到必然的缓冲做 用,由于相当青少年学生喜好。但持久穿戴的短处是:因为鞋内温度和湿度的提高,脚部的 韧带容易变松拉长,脚掌逐步变宽,久而久之变成平脚。活动鞋的用料大多是橡胶、塑料、 海绵、尼龙、帆布等,透气性较差,汗脚长时间正在这“封锁”下,易惹起脚藓、皮炎、 湿疹等皮肤病。 活动鞋或是旅逛鞋几乎是无跟平底鞋, 它不强人体沉心平均分布正在全脚掌, 不克不及使 身体肌韧带、骨骼和脊柱连结一般的和工做形态,青少年穿戴后因为身体沉心的改变, 脚部感化力呈现分派不均,会影响步法,如持久处于这种不良下,将影响青少年的身体 发育。 参考文献: [1] 活动生物力学教材组.活动生物力学[M]. :高档教育出书社,1998 [2] 人体剖解学编写组.人体剖解学[M]. :高档教育出书社,1998 [3] 张铁屉从编.适用人体局部剖解学图谱[M].天津科技手艺出书社 [4] 白木子阴.透视活动鞋.文化用品取科技[J]2002(9) :28 [5] 潘慧炬.力学道理取跑鞋的立异设想.体育大学学报[J]2001.3(1) :24 [6] 彬.王小同.等.脚弓垫的生物力学效应.中国活动医学[J]1989.8.(4) :235 [7] 缪进昌. 腾跃活动对跖骨和趾骨形态的影响.中国活动医学[J]1993.12.(3) :147 [8] 陆毅琛等.分歧外源性生物力学手段对脚底的力学影响.浙江体育科学[J]2004.12.(5) [9] Gross TS, Bunch RP. Discrete normal plantar stress variations with running speed. J Biomech, 1989; 22∶699 [10]BobbertM F, Schamhardt HC, Nigg BM. Calculation of vertical ground reaction force estimates during running from positional data. J Biomech, 1991; 24∶1095