楊 辰，曲 峰，萬祥林

1 前言

足球是世界第一大體育運動，隨著場地需求的增大，天然草坪由于經(jīng)費投入大、維護難、受季節(jié)影響大等缺點逐漸被人造草坪所取代。國際足聯(lián)結合實驗室及場地測試，提出了《人造草坪足球場的評估標準》［1］，對產(chǎn)品與場地的特性、運動員／草坪交互作用、球／草坪交互作用等方面進行鑒定。我國也于2006年發(fā)布了《人工材料體育場地使用要求及檢驗方法——第3部分:足球場地人造草面層》的國家標準［2］。鞋與場地交互面產(chǎn)生的牽引力是國內外人造草坪評估中重要的檢測方面，也被認為是影響運動員動作形式、運動表現(xiàn)和損傷的重要因素［7］。草坪的類型、纖維長度、密度，填充物的類型、大小、深度和密度，以及環(huán)境的溫、濕度都可能會造成交互面牽引力效果的改變［18］。

國外已有研究探討了不同足球鞋和草坪對足球運動員動作表現(xiàn)和損傷風險的影響。Krahenbuhl［11］要求受試者在天然和人造草坪上穿著不同類型的鞋來完成跑步測試，以此得到不同交互面上的跑步用時。Wannop［22］等人通過個人最大跑速和支撐時間來衡量運動表現(xiàn)，探討鞋與表面交互作用的改變對運動表現(xiàn)的影響。也有研究認為，增加牽引力可以使運動員有更大的側切角度，從而加強運動表現(xiàn)［8］。Nigg［16］認為在足球項目中有近2／3的損傷同鞋與表面的交互作用有關，而此類研究多側重于流行病學方向［6，12］。Livesay［13］等人針對5種草坪類型和2種鞋相互組合形成的不同交互面進行了機械測試，并利用扭矩峰值和轉動剛度來衡量不同交互面之間的差異，認為高的轉動剛度可能是造成損傷的重要因素。

現(xiàn)有研究為了解足球鞋和運動表面對運動員的影響提供了大量有用信息，但很少結合機械測試和生物力學數(shù)據(jù)對這種影響做出定量的分析與解釋，同時由于交互作用涉及到鞋底結構與運動表面兩個因素，而現(xiàn)階段的研究多集中于鞋底的設計，往往忽略了場地表面的重要性。本研究的目的是探討人工草坪中不同顆粒填充密度對球鞋與草坪交互面牽引力的影響，評價運動員在不同鞋與草坪交互面牽引力條件下的運動表現(xiàn)，并進一步分析交互面牽引力影響運動員動作形式和損傷風險的可能原因。

2 研究方法

2.1 受試者

本研究受試者為13名男性足球運動員，平均年齡24.1±1.2歲，身高175.1±3.2cm，體重71.0±6.3kg。受試者運動等級為國家二級及以上，鞋碼為歐碼42號，實驗前48h未從事劇烈運動，下肢及足部半年內無損傷。所有受試者優(yōu)勢腳（踢球腳）均為右腳。

2.2 實驗用人造草坪

實驗用人造草坪草束纖維高50mm，草坪填充0.5～2mm大小的橡膠顆粒。草坪整體與測力臺面積大小相等（0.4m×0.6m）。

在實驗過程中，人造草坪填充橡膠顆粒的重量分別為0kg、0.5kg及1.5kg，鋪勻壓實后制造3種不同顆粒密度的人造草坪表面（圖1），分別命名為表面e、表面h及表面f。本研究表面e選取0kg是因為在國內、外草坪的實驗室檢測標準中都選用無填充的草坪進行測試。目前，雖無明確的標準界定人造草坪中合適的顆粒密度，但制造商一般建議將橡膠顆粒的鋪撒控制在5～8kg／m2，因此，本研究選取了0.5kg和1.5kg填充，使填充密度分別為2.1 kg／m2和6.3kg／m2，以模擬顆粒密度低于此范圍和在此范圍內的2種場地表面。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3.1 牽引力測試

通過鞋與表面牽引力測試儀（S2T2，USA，1000Hz）采集牽引力數(shù)據(jù)。測試準備階段將一塊未填充顆粒的人造草坪粘貼于地面，保證草坪與地面無滑動，將鞋固定在測試儀的鞋楦中，鞋身方向與草坪長邊方向平行（圖2a），鞋與鞋楦等附屬配件的重量為4.748kg，垂直方向外加30kg的重量，牽引力測試儀通過電極以0.3m／s的速度勻速拖拽，記錄拖拽過程中相對穩(wěn)定的牽引力數(shù)值，重復進行5次。再將鞋身方向調整為與草坪短邊方向平行（圖2b），重復上述測試。之后分別在草坪中填充0.5kg和1.5kg橡膠顆粒重復以上測試流程。

圖1 本研究3種不同填充密度的人造草坪示意圖Figure 1.The Artificial Turf with Three Different Particle Densities

圖2 本研究牽引力測試示意圖Figure 2.Traction Test

計算得到相同填充密度下橫向與縱向共10次測試牽引力數(shù)值的平均值和標準差，以此定量鞋與不同填充密度草坪的交互面牽引力。

2.3.2 生物力學測試

應用8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，USA，200Hz）和三維測力系統(tǒng)（Kistler 9281CA，Switzerland，1000Hz）對運動員完成側切和起動動作的下肢生物力學數(shù)據(jù)進行測量。兩個間隔3m的便攜式測速裝置放置于測力臺同一側，用以控制和監(jiān)測運動員動作速度，以確保受試者全力完成動作。人造草坪粘貼于三維測力臺上，保證無相對滑動。

受試者在進行充分的熱身后，按照Helen Hayes方案在身上粘貼29個反光標志點（頭頂，頭前／后，左／右肩峰，左／右肱骨外上髁，左／右尺骨莖突與橈骨莖突連線中點，右側肩胛骨，左／右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中點，左／右大腿前側，左／右股骨外側髁，左／右股骨內側髁，左／右脛骨粗隆，左／右腓骨外踝，左／右脛骨內踝，左／右足尖，左／右足跟）。

正式測試中受試者分別在無填充、0.5kg和1.5kg填充下的人造草坪上按要求完成45°側切和直線起動兩個動作。45°側切要求受試者通過測力臺速度保持在4±0.3 m／s，并以右腿支撐，向原運動方向偏左45°的方向上做側切動作（圖3a）。直線起動要求受試者雙腳分別踩在兩塊測力臺上，由自己熟悉的靜立準備姿勢盡全力向前直線加速起動（圖3b）。實驗過程中要求每名受試者每個動作完成3次有效測試。計算得到每名受試者3次測試的平均數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

圖3 本研究測試動作示意圖Figure 3.Testing Movement

所有標志點的三維坐標采用Butterworth低通濾波法進行平滑，截斷頻率為10Hz。根據(jù)標志點坐標建立骨盆坐標系、大腿坐標系、小腿坐標系、足坐標系，其中，髖關節(jié)中心根據(jù)Bell［4］的研究計算，膝關節(jié)轉動中心為股骨內、外側髁中點，踝關節(jié)轉動中心為內、外踝中點。采用歐拉角的方法計算膝關節(jié)的三維角度（屈、伸角度正值為屈，負值為伸；內收、外展角度正值為內收，負值為外展；內旋、外旋角度正值為外旋，負值為內旋）。采用逆動力學方法計算膝關節(jié)的三維凈力矩（屈、伸力矩正值為屈，負值為伸；內收、外展力矩正值為內收，負值為外展；內旋、外旋力矩正值為外旋，負值為內旋）。地面反作用力加載率定義為首次地面反作用力峰值與達到該峰值所用時間的比值。為盡量消除受試者個體差異的影響，地面反作用力相對受試者體重進行標準化，單位為BW；關節(jié)凈力矩相對受試者體重和身高的乘積進行標準化，單位為BW·BH。在45°側切動作中，右腳著地到膝關節(jié)最大屈曲為制動階段，膝關節(jié)最大屈曲到右腳離地為蹬伸階段。直線起動動作的開始時刻為擺動腳離地，結束時刻為擺動腳著地。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素重復測量方差分析確定不同填充密度草坪對牽引力和各生物力學指標的影響，后續(xù)檢驗采用LSD法。顯著性水平定為一類誤差概率不大于0.05，所有統(tǒng)計分析應用SPSS 17.0軟件完成。

3 結果

3.1 牽引力測試結果

3種不同填充密度下鞋與草坪交互面牽引力存在顯著差異（表1，P＜0.001），表面e的牽引力＜表面h＜表面f（均為P＜0.001），因此，定性表面e，表面h及表面f分別為低牽引力、中牽引力和高牽引力草坪。

表1 本研究3種不同填充密度下草坪信息及牽引力數(shù)值一覽表Table 1 The Turf Informations and Traction Values with Three Different Packing Densities（n＝10）

3.2 生物力學測試結果

3.2.1 側切動作結果

不同牽引力草坪對側切制動階段重心加速度有顯著影響（P＜0.001）。高牽引力草坪對重心的制動效果（-7.04±2.54m／s2）大于低牽引力草坪（-5.97±1.84 m／s2，P＝0.003）和中牽引力草坪（-5.93±1.84m／s2，P＝0.001）。受試者在高牽引力草坪上完成側切動作的制動階段所獲得的水平地面反作用力峰值顯著大于低牽引力草坪（P＝0.004）和中牽引力草坪（P＝0.001）；高牽引力草坪產(chǎn)生的垂直地面反作用力峰值顯著大于中牽引力草坪（圖4，P＝0.022）。

和地面反作用力峰值相似，受試者在低牽引力草坪上完成側切動作的制動階段水平地面反作用力加載率顯著小于中牽引力草坪（P＝0.012）和高牽引力草坪（P＝0.001）；高牽引力草坪產(chǎn)生的垂直地面反作用力加載率顯著大于中牽引力草坪（圖5，P＝0.004）。

圖4 本研究不同牽引力草坪上側切制動階段地面反作用力峰值比較示意圖Figure 4.Peak Ground Reaction Force during Braking Phase of Cutting Movement in Different Traction Conditions

側切動作地面反作用力第一峰值是足落地時與地面高速碰撞造成的，因此，這一時刻往往最容易發(fā)生損傷。本研究結果表明，受試者完成側切動作著地后地面反作用力第一峰值時刻的垂直地面反作用力（P＝0.014）、水平向后地面反作用力（P＝0.001）、膝關節(jié)屈伸力矩（P＝0.007）、膝關節(jié)內收力矩（P＝0.02）、膝關節(jié)外展角（P＝0.004）均受草坪牽引力大小的影響，而峰值時刻的其他參數(shù)則在3種牽引力草坪條件下無顯著差異（表2）。

圖5 本研究不同牽引力草坪上側切制動階段地面反作用力加載率比較示意圖Figure 5.Loading Rate of Ground Reaction Force during Braking Phase of Cutting Movement in Different Traction Conditions

表2 本研究不同交互面牽引力作用下地面反作用力首次峰值時刻的生物力學指標一覽表Table 2 Biomechanical Characteristics at First Peak GRF Moment in Different Traction Conditions（n＝13）

草坪產(chǎn)生的不同牽引力也顯著影響側切動作蹬伸階段水平和垂直地面反作用力峰值，其中，高牽引力草坪的水平面合力顯著大于低牽引力草坪（P＝0.001），中牽引力草坪和高牽引力草坪在垂直方向力上顯著大于低牽引力草坪（表3，P＝0.005，P＜0.001）。

表3 本研究不同牽引力草坪上側切蹬伸階段水平面和垂直方向地面反作用力峰值一覽表Table 3 Peak GRF Components in Horizontal Plane and Vertical Directions during Stretching Phase of Cutting Movement in Different Traction Conditions（BW，n＝13）

3.2.2 直線起動動作結果

起動過程的重心加速度在低牽引力草坪（12.56±1.94m／s2）、中牽引力草坪（12.40±2.30m／s2）和高牽引力草坪（12.91±2.66m／s2）上無顯著差異（P＝0.426）。

4 分析與討論

4.1 牽引力測試分析討論

Nigg［17］認為，機械測試重復性強，可以有效的定量交互面的差別。本研究中，機械測試是為了探究改變人造草坪的填充顆粒密度對交互面產(chǎn)生的牽引力效果的影響，同時，定性區(qū)別3種草坪表面，為后續(xù)的生物力學測試做準備。

在國際足聯(lián)和我國人造草坪的標準中，實驗室測試只選用了無填充顆粒的草坪進行測試，而在真實的場地環(huán)境中，大多人造草坪場地都需要填充橡膠顆粒。本研究發(fā)現(xiàn)，填充顆粒與未填充顆粒的交互面牽引力作用是不同的，因此，現(xiàn)階段草坪的實驗室機械測試無法和真實的場地情況相符。本研究結果顯示，隨著人造草坪中填充顆粒密度的增加，球鞋與人造草坪交互面產(chǎn)生的牽引力明顯增大。草坪中顆粒填充的密度小，會使顆粒之間產(chǎn)生不穩(wěn)定的松動狀態(tài)，影響橡膠顆粒間的相互作用，進而影響其提供的牽引力效果。另一方面，鞋釘插入到顆粒中的狀態(tài)會影響牽引特性，當鞋釘與草坪中填充顆粒接觸不完全或較少時也可能引起一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，導致牽引力降低。

4.2 不同牽引力草坪對運動損傷的影響

著地制動時人體與地面的碰撞力過大往往是造成下肢損傷的重要原因。本研究發(fā)現(xiàn)，高牽引力草坪會造成運動員側切制動階段水平和垂直地面反作用力峰值均顯著提高，這一結果與Gehring［9］針對于鞋釘改變的研究結果一致。產(chǎn)生這一結果的原因應與機械測試中填充密度的增加造成牽引力增加的原理相同，橡膠顆粒之間的相互作用和鞋釘?shù)牟迦霠顟B(tài)都可能影響到地面反作用力不同方向上的峰值。本研究中側切制動階段的地面反作用力峰值在低牽引力場地和中牽引力場地間并未出現(xiàn)顯著差異，這可能說明只有較高的交互面牽引力才能對人體完成動作時的地面反作用力產(chǎn)生影響。

力的加載率是一項反應力和時間關系的指標，是造成損傷的一個關鍵因素［19］。人體的神經(jīng)控制需要一定的時間才能向關節(jié)周圍的肌肉提供反饋，高的加載率意味著地面反作用力在相對較短的時間達到較大的值，而此時運動員可能無法通過神經(jīng)控制來改變其動作策略以適應不同的場地情況，從而造成關節(jié)的載荷增大，引起損傷。本研究計算得到的地面反作用力加載率為側切動作觸地時刻到首次峰值時刻的平均加載率，即這一階段力-時間曲線的斜率值，該指標可以從整體層面反映地面反作用力變化的劇烈程度。研究發(fā)現(xiàn)，高牽引力草坪在水平面和垂直方向力的加載率均高于中牽引力草坪，并且在水平面高于低牽引力草坪，說明隨著交互面牽引力的增加地面反作用力在單位時間內會產(chǎn)生更大的力值，可能會帶來潛在的損傷風險。

膝關節(jié)ACL張力最大值時刻出現(xiàn)在足部觸地后第一次地面反作用力峰值時刻，這個時刻通常發(fā)生在支撐階段的前50ms，這段時期也被定義為沖擊時期［5］。第一次地面反作用力峰值時刻前、后方向和垂直方向的地面反作用力、膝關節(jié)的角度和力矩都是與ACL負荷相關的指標?？偨Y近幾年研究中關于ACL損傷的機制為，小的膝關節(jié)屈角、較大的伸膝力矩、外展角度和外展力矩，以及較大的垂直和向后地面反作用力［3，14］。本研究結果表明，隨著交互面牽引力的增大，受試者受到更大的地面向后反作用力和膝伸力矩、以及較小的膝內收力矩和外展角度。

本研究中，中牽引力場地上的垂直地面反作用力小于其他兩種場地，這可能是因為此種密度下填充的顆粒提高了場地垂直方向上的緩沖性能。因此，今后的研究可進一步測試填充顆粒密度對草坪緩沖性能的影響。地面水平向后反作用力與機械測試中交互面牽引力產(chǎn)生的效果相同，填充密度大的草坪提高了地面水平向后反作用力，而較大的水平向后反作用力使得運動員在制動過程中需要更大的膝伸力矩。

值得注意的是，本研究中地面反作用力峰值時刻，膝關節(jié)的內收力矩并沒有同預期隨著交互面牽引力的增大而增大。Dowling［8］的研究發(fā)現(xiàn)，在側切過程中隨著交互面牽引力的增加，膝關節(jié)在冠狀面上會從內收力矩表現(xiàn)為更多的外展力矩。生物力學分析、視頻研究、仿真和人體標本研究的結果均表明，膝關節(jié)外展力矩增加會造成ACL損傷的風險增加。例如，Hewett［10］發(fā)現(xiàn)女性運動員中膝外展力矩大者更容易引起ACL損傷，同時，膝關節(jié)外展力矩比膝屈角度能更好的預測ACL損傷。本研究的結果只發(fā)現(xiàn)地面反作用力峰值時刻膝關節(jié)內收力矩有減小的趨勢，但并未出現(xiàn)膝關節(jié)外展力矩，這可能與牽引力作用還不夠明顯有關。另一方面，本研究發(fā)現(xiàn)隨著牽引力的增大，膝關節(jié)的外展角度也呈現(xiàn)降低的趨勢，這可能是由于高牽引力的場地表面更好的固定了足部，而減少了下肢在冠狀面上的相對移動，或者又與運動員針對于高牽引力草坪的自我保護有關，而小的外展角度也在一定程度上使該時刻下膝關節(jié)不需要過大的內收力矩來使膝關節(jié)完成內收的過程。

綜上所述，本研究的結果說明，隨著交互面牽引力作用的增大，可能導致膝關節(jié)ACL損傷的風險因素為地面反作用力峰值時刻較大的水平向后地面反作用力和伸膝力矩，而另一方面膝關節(jié)外展角度的減小又可能會降低這種損傷的風險。本研究尚不能確定隨著交互面牽引力作用的增大，膝關節(jié)是否會從內收力矩的減小逐漸向外展力矩的增大過渡，從而導致?lián)p傷風險的增高。由于助跑速度的選擇，本研究只涉及到常速助跑時由于草坪牽引力增大而帶來的ACL損傷風險，這種損傷的原因多集中在地面反作用力、關節(jié)、韌帶相應負荷的增大。需要注意的是，當運動員助跑速度增大時，低牽引力草坪無法提供足夠的制動而帶來由于支撐不穩(wěn)定造成的扭傷、摔傷等損傷類型也是可能存在的情況。后續(xù)的研究可以選取多種更具代表性的助跑速度，并在機械測試中嘗試更多的組合來獲得不同的牽引力作用，進而選取代表性更強、覆蓋范圍更廣的牽引力交互面來進行生物力學測試，深化不同速度、不同牽引力草坪對于運動損傷的影響。

4.3 不同牽引力草坪對運動表現(xiàn)的影響

運動表現(xiàn)可以通過在場地上的直線跑和曲線跑的用時和自我感知水平來衡量［20，21］，本研究由于人造草坪鋪設的限制，也希望結合運動學和動力學多方面指標進行精確評價，因此，選擇通過捕捉運動員側切和起動動作的生物力學參數(shù)來衡量運動表現(xiàn)。

人體重心加速度的負值越大，表明重心速度下降的越快，即該草坪條件下運動員可以獲得良好的制動效果，這與其在訓練和比賽時的運動表現(xiàn)密切相關。通過分析側切制動階段的重心加速度，本研究發(fā)現(xiàn)，相對較高的場地牽引力可以使運動員更有效的減速。良好的制動能力是急停和變向等動作的基礎，有助于運動員為后續(xù)的動作和情況提供更多的準備和預判時間。

蹬地階段高的水平地面反作用力可以提供更多的動態(tài)推進力，是評估牽引力特性和運動表現(xiàn)的良好指標［15］。本研究發(fā)現(xiàn)，在側切蹬伸階段高牽引力場地水平面合力顯著大于低牽引力場地，說明交互面牽引力的增加可以為蹬伸提供更多的推進力，也就是經(jīng)常被提及的蹬地過程中抓地效果好，為運動員提供更好的自我感知和運動速度。

有研究表明，地面反作用力不太適用于在直線加速過程中區(qū)別不同交互面的情況，而比較適用于側切或者變向等類型的動作［21］，因此，本研究在研究直線起動過程中只通過運動學指標來評價運動表現(xiàn)。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著交互面牽引力的增加，運動員在起動過程中身體重心的加速度并未表現(xiàn)出明顯差異，這表明即使人造草坪的牽引力有很大的不同，運動員仍然能夠適應在不同草坪條件下完成起動動作。因此，如果運動員在相對較低的牽引力草坪上運動，其關節(jié)負荷可能會減少，降低損傷風險，另一方面還能保持恒定的加速起動表現(xiàn)。這不一定適用于所有動作，同時，牽引力也可能存在一個拐點，低于這個數(shù)值時交互面就會無法提供足夠的牽引力來維持人體的制動和加速能力，降低運動表現(xiàn)。今后的研究可以尋找這個牽引力拐點，以此確定交互面牽引力作用的合適范圍。

5 結論與建議

人造草坪中顆粒密度的變化對鞋與人造草坪交互面的牽引力有明顯影響，隨著顆粒密度的增加，牽引力增大。在常速助跑的情況下，交互面牽引力的增大會為側切提供良好的制動能力和蹬伸推進力，但不會影響直線起動的運動表現(xiàn)；交互面牽引力的增大會引起側切制動階段地面反作用力相關指標的增大，增加損傷風險；交互面牽引力的增大也會造成地面反作用力峰值時刻膝關節(jié)ACL損傷敏感指標的改變，增加了ACL損傷的風險。

本研究建議人造草坪制造商應結合牽引力特性來確定顆粒密度的標準范圍。此范圍應在既保證運動員運動表現(xiàn)未出現(xiàn)明顯降低的同時，又將牽引力最小化，以減小人體承受的負荷。

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