彭 博，秦 義，王定宣，彭 燁，龐 宇，毛書凱

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不同類型的足球鞋大底在人造草坪上的動態(tài)表現(xiàn)

彭 博，秦 義，王定宣，彭 燁，龐 宇，毛書凱

目的：探索分析不同足球鞋大底在人造草坪運動場地上運動的牽引力和動態(tài)表現(xiàn)，并探討這些產(chǎn)品的運動傷害風險，為合理選擇足球鞋更好地開展足球運動提供參考。方法：以5款具有不同類型大底的足球鞋為測試對象，10名足球運動員為受試者。利用kistler測力臺和APAS動作技術解析系統(tǒng)測試受試者穿著5款足球鞋在人造草坪上進行幾種典型移動動作時足底的反作用力參數(shù)和下肢運動學參數(shù)。SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對測量數(shù)據(jù)進行單因素重復測量方差分析和事后兩兩比較。結果：FG大底和AG大底直線運動時，縱向剪切力FY峰值差異顯著(P<0.05)；變向運動時，剪切合力FRS峰值差異非常顯著(P<0.01)；在旋轉運動時，旋轉扭矩TZ峰值差異顯著(P<0.05)，足與大腿在水平面的環(huán)節(jié)扭轉角差異顯著(P<0.05)。結論：在人造草坪上，F(xiàn)G大底表現(xiàn)出更強的直線加速和制動牽引力，AG大底表現(xiàn)出更強的變向牽引力，旋轉變向時，F(xiàn)G大底比AG大底表現(xiàn)出更強的足底旋轉扭矩、較小的下肢關節(jié)屈角以及較大的足-大腿環(huán)節(jié)扭轉角。鞋釘長度較短、數(shù)量更多和分布更密集的AG大底足球鞋在人造草坪上動態(tài)表現(xiàn)更好，運動傷害風險更低。足球鞋大底鞋釘?shù)拈L短、分布、幾何形狀對足球鞋的生物力學特性和運動表現(xiàn)有較大影響。

足球鞋大底；人造草坪；動態(tài)表現(xiàn)

1 前言

足球運動中，足球鞋是足球運動員最重要的運動裝備。因為鞋底是與運動場地直接接觸的部件，故專業(yè)足球鞋鞋底的設計和結構又是足球鞋最重要的一環(huán)，其特性與足球鞋的牽引力(traction)直接相關[5,7,12]。球鞋的牽引力被認為是僅次于舒適性之后的重要特性，它對比賽的影響大于球鞋的其他方面的特性，諸如重量、穩(wěn)定性、觸球感、踢球的力量和準確性等[28,26]。足球鞋的牽引力幾乎涉及足球比賽中所有的身體移動，而通過實驗設計研究足球運動中典型的一些動態(tài)動作，可以作為評估球鞋牽引力的方案[27,26]。足球鞋鞋底依據(jù)使用場地的不同，采用不同設計的大底(sole)，其主要區(qū)別是球鞋底面的材料、結構以及鞋

釘?shù)脑O計，其中不同大底鞋釘?shù)牟馁|(zhì)、長度、數(shù)量、分布、幾何形狀都有很大差異，它對足球鞋的使用體驗以及穿著者的運動表現(xiàn)影響很大[29]。目前，足球鞋制造商廣泛的將大

底分為SG(Soft Ground)、FG(Firm Ground)、AG(Artificial Grass)、TF(TURF) 、HG(Hard Ground)等幾種類型，前4種大底在我國較為常見，其各自的特點如表1所示。

表 1 常見不同足球鞋大底的鞋釘特點一覽表

Table 1 Characteristics of Studs of Different Soccer Boots Sole

大底類型SG(SoftGround)FG(FirmGround)AG(ArtificialGrass)TF(TURF)鞋釘特點材質(zhì)為輕質(zhì)合金,數(shù)量較少,長度最長材質(zhì)為TPU或nylon,數(shù)量較少,長度較長材質(zhì)為nylon或橡膠,數(shù)量較多,長度適中 材質(zhì)為橡膠,數(shù)量很多,長度較短適用場地濕潤松軟的天然草坪干燥較硬的天然草坪和人造草坪人造草坪人造草坪和硬地

近年來，人造草坪被廣泛的使用于我國各級各類的業(yè)余足球活動，成為我國基層足球的重要載體。相比天然草坪，人造草坪的材質(zhì)和結構都有明顯的不同，比如：質(zhì)地緊密、硬度較大、摩擦力大，與鞋底的交互作用較強等等。有許多研究指出，在足球運動中，鞋與運動場地表面的交互作用(shoe-surface interaction)是影響足球運動員運動表現(xiàn)的非常重要的部分[19,21,22,27,28,26]。盡管AG大底是現(xiàn)今各大足球鞋制造商針對人造草坪所推出的專門產(chǎn)品，但是，依然有不少足球運動者依據(jù)自己的個人喜好在人造草坪上堅持使用HG、FG底的足球鞋。那么，在人造草坪上使用這些不同設計類型的大底，在運動中的動態(tài)表現(xiàn)如何？有什么力學特點？在人造草坪上使用理論上不合適的大底是否有更高的運動傷害的風險？這些都是值得研究的問題。

關于足球鞋鞋底、鞋釘與運動場地的交互作用和運動表現(xiàn)的前期研究主要集中在國外。最早期的研究主要是采用機械學的測量手段，如利用特殊拖弋測試裝置以及旋轉壓力測試裝置評估鞋底在運動場地上的牽引力[20]。Fong DTP，Hong Y等人的研究指出，雖然機械學測量可以量化足球鞋的牽引力真實指標，但是，在實際運動中能夠被利用的牽引力還需要通過生物力學的手段來研究[11]。因此，后來有學者開始利用真人運動員測試足球鞋底的力學性能，其中最主要的是Clemens Müller,Thorsten Sterzing等人的關于鞋底與地面交互作用的系列研究。這些研究考察了運動員穿著國外常見的SG、HG、FG以及研究者自行設計的大底在運動場地上進行直線運動，45°變向，以及180°轉身的足底動力學參數(shù)。結果認為，鞋釘?shù)拈L度對鞋的牽引力影響最大，在人造草坪上傳統(tǒng)的SG長鋼釘?shù)淖闱蛐憩F(xiàn)不佳[20,21,27,26]，而Smith N，Dyson R也發(fā)現(xiàn)，在天然草坪上SG大底的球鞋比TF鞋底的訓練球鞋地面反作用力要大的多[24]。在國內(nèi)，關于足球鞋生物力學的實驗研究較少，楊辰，曲峰，萬祥林研究了在不同橡膠顆粒密度的人造草坪上球鞋與地表的交互作用，發(fā)現(xiàn)足球鞋在高密度填充橡膠顆粒的人造草坪上比低密度橡膠顆?？梢蕴峁└蟮臓恳?，但同時也有更高的運動受傷風險[7]。另外，與足球鞋比較相關的是劉靜民，劉卉，丁瑞的研究，揭示了不同鞋釘排布的田徑跑鞋在運動中的生物力學特點[4]。

雖然上述的前期研究探索了歐美地區(qū)常見的SG、FG鞋底在高質(zhì)量人造草坪(通過國際足聯(lián)2星認證)上的力學作用，但這些研究僅僅只測試了最基本的加速和變向動作的足底動力學參數(shù)，沒有涉及足球運動中變向時肢體旋轉的足底動力學以及下肢運動學的研究。同時，這些研究發(fā)表時間較早，其使用的鞋底是5年前，甚至是10年前的鞋底設計，這些設計現(xiàn)在早已被淘汰，而關于目前在全世界足球鞋市場上最為主流的幾種AG和FG設計的大底的研究還沒有發(fā)現(xiàn)。本研究利用測力臺和三維動作技術解析分析了目前全球，特別是在我國最流行的幾種AG和FG大底在人造草坪上的生物力學特性，不僅涉及常見動作的足底動力學，也增加了旋轉變向時肢體扭轉的動力學和運動學測試。故本研究結果更適用于我國的基層足球運動環(huán)境，期望為我國的足球初學者和業(yè)余足球運動員在人造草坪上進行足球訓練與比賽時，如何合理選擇使用足球鞋大底以適應運動場地、提高運動表現(xiàn)以及預防足球運動損傷，提供一定的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

2 研究對象與方法

2.1 足球鞋

選用2015年全球5款主流的專業(yè)足球鞋，分別是：adidas predator lzⅡ FG(FG-P )，nike mercurial vapor x FG(FG-MV)，nike tiempo legend v FG(FG-TIE)，adidas f50 adizero iv AG(AG-F50)，nike hypervenom phantom AG(AG-VE)，大底類型為FG和AG，鞋釘幾何形狀包括常見的3種基本類型(表2)，足球鞋大底見圖1。狀況全新，尺碼均為JP265(日本碼)，運動測試時的出場順序完全隨機。

2.2 人造草坪

選用青島青禾人造草坪公司的產(chǎn)品，測試樣品面積100 cm×100 cm，單絲PE草絲，草高50 mm，草絲磅重10000DTEX，草坪密度11 000針/m2，不使用石英沙礫和橡膠顆粒填充[2,21,25]。

2.3 受試者

選取西南醫(yī)科大學足球代表隊和體育學院社會體育專業(yè)足球?qū)＿x學生，共10名作為本研究受試者。受試運動員均為男性，年齡22±2.5歲，身高172±19 cm，體重62.3±5.8 kg，足長259±13 mm。較熟練的掌握足球基本運動技術，運動機能良好，無傷病，實驗前24 h禁止劇烈體育運動。所有受試者明確知曉研究內(nèi)容并自愿參與本研究，但對研究目的不知情。

表 2 足球鞋大底基本信息一覽表

Table 2 Information of Soccer Boots Sole

足球鞋大底FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VE鞋釘數(shù)目1111142223鞋釘平均長度(mm)13.02±0.1213.19±0.0613.47±0.098.35±0.149.14±0.11重量(g/只)225.7170.3225.3200.6212.2鞋釘類型三角形釘?shù)缎吾攬A形釘三角形釘圓形釘鞋釘材質(zhì)尼龍TPUTPU尼龍TPU

圖 1 測試用足球鞋的大底圖示

Figure 1. Sole of Soccer Boots For Testing

2.4 實驗儀器

瑞士kistler測力系統(tǒng)(測力臺kistler force plate 9281ea，60×40 cm，內(nèi)置8通道信號放大器，信號采集techn16ch daq system，數(shù)據(jù)分析kistler bioware software type 2812a，)；美國ariel動作技術分析系統(tǒng)ariel performance analysis system，APAS(軟件版本v14.1.0.1)；日本panasonic nv-gs258攝影機；國產(chǎn)標定框架(qf-26 radiation type 3d calibration frame)。

2.5 實驗方案

本研究共5個實驗項目：分別選取足球運動中5種常見移動動作，包括：直線運動、45°斜切、135°轉身、180°轉身、旋轉變向。利用測力臺測試5款足球鞋運動時足底動力學參數(shù)，旋轉變向項目同時使用動作技術分析系統(tǒng)進行下肢的運動學測量。所有項目的觀測腳均為右腳(圖2，圖3)。

2.6 場地設置

測試場地(圖3，圖4)：測力臺安裝于實驗室地板凹槽內(nèi)，其表面與地面齊平，鋪設橡膠跑道與測力臺連接。將人造草坪牢固固定于測力臺表面，確保草坪不與測力臺發(fā)生相對滑動且不與周圍地面發(fā)生明顯的力學作用。測力臺于實驗前24 h開機預熱，以減小壓力傳感器的零點漂移(zero drift)[1]。測力臺采集頻率1 000 Hz，采集信號使用kistler 9281ea測力臺自帶的數(shù)字濾波器(kistler digital filters，low pass)低通濾波[25]，濾波頻率200 Hz。跑道總長度3.85 m。主攝像機(camera A)和副攝像機(camera B)之間夾角約為120°，架設位置如圖3，采樣頻率25 Hz。受試者右側下肢粘貼反光標記球(marker)，共10個標記點，marker球直徑16 mm，圖5。參考系采用XYZ 3軸立體坐標。(注：在APAS系統(tǒng)中，坐標系維度定義規(guī)定X軸為橫向水平軸，Y軸為垂直軸，Z軸為縱向水平軸)。用kistler控制臺軟件的同步觸發(fā)器和頻閃燈對測力臺以及2臺攝像機進行同步。

圖 2 直線運動、45°斜切、135°轉身、180°轉身動作形式示意圖

Figure 2. Movement Pathways

2.7 測試流程

直線運動、45°斜切、135°轉身、180°轉身均從跑道測力臺一端的起點開始，采用無助跑的左右兩步完成：第1步用左腳踏地支撐調(diào)整，第2步用右腳踏入測力區(qū)并向移動方向蹬離。旋轉變向測試者從跑道另一端起點出發(fā)，跑向測試區(qū)，右腳在測力區(qū)內(nèi)蹬地并向左轉身做225°旋轉變向，測試全行程約3.85 m，要求運動員旋轉變向角度無偏差，marker球全程應該停留在正確的位置(圖5)。每個運動員隨機使用5雙足球鞋進行每個項目的3次重復測試。每次測試均要求運動員集中注意力，并用最大動作速度完成測試，盡可能防止因受試者而產(chǎn)生的測量誤差。

圖 3 旋轉變向動作形式與運動學測量示意圖

Figure 3. Movement Pathways and Setup of Rotation

圖 4 測試場地設置示意圖

Figure 4. Setup of Test

圖 5 動作技術解析3D標定與現(xiàn)場測試示意圖

Figure 5. Calibration of 3-D Kinematic Analysis and Testing Scene

2.8 測試指標

測力臺維度定義為平行長邊(60 cm)方向為Y軸，平行短邊(40 cm)方向為X軸，與測力臺面垂直為Z軸(圖6)。直線運動、45°斜切、135°轉身、180°轉身的動力學測試指標為測力臺平面各方向的反作用力峰值(peak ground reaction force，PGRF)。包括：垂直分力(vertical force，F(xiàn)Z)，縱向剪切力(anterior-posterior shear force，F(xiàn)Y)，橫向剪切力(medio-lateral shear force，F(xiàn)X)，剪切合力(resultant shear force，F(xiàn)RS)，剪切合力與垂直力比率(force ratio，F(xiàn)R)，觸地階段時間(touchdown time，TT)。觸地階段時間是指：測試動作啟動后，右腳腳尖一開始接觸測力臺并產(chǎn)生壓電信號直到動作結束，右腳蹬離測力臺壓電信號消失，這一段時間(測力臺靈敏度為10N，腳底反作用力大于10 N，即產(chǎn)生壓電信號，可視為有效觸地，即“觸地階段”)。

旋轉變向的動力學測試指標為：觸地階段右腳足底繞壓力中心(center of pressure，COP)垂直軸(Z軸)的旋轉摩擦力扭矩峰值(peak vertical frictional torque，TZ)；將每次測試的觸地時間標準化為0%～100%，統(tǒng)計每個標準化時間點的摩擦力扭矩，計算各款大底標準化時間點的扭矩均值峰值(time-standardized peak torque,S-TZ)；扭矩均值峰值出現(xiàn)的時刻t；高扭矩保持的時間△t，高扭矩的判定標準設定為扭矩均值大于100Nm[10,18,23]。運動學指標為：右腳觸地階段右下肢關節(jié)夾角和環(huán)節(jié)扭轉角的特征值(圖7)。具體指標以及角度定義為最小髖關節(jié)角(minimum hip angle):軀干與大腿之間的最小前夾角；最小膝關節(jié)角(minimum knee angle):大腿與小腿之間的最小后夾角；最小踝關節(jié)角(minimum ankle angle):足與小腿之間的最小前夾角；最大足-大腿環(huán)節(jié)扭轉角(maxmum foot-thigh twist angle):將足與大腿均簡化為矢量，矢量大小為環(huán)節(jié)的長度，方向為人體的由后向前。足-大腿環(huán)節(jié)扭轉角指兩矢量垂直于地面的投影所形成的最大前夾角。

圖 6 測力臺維度示意圖

Figure 6. Dimensions of Kistler Multicomponent Force Plate

圖 7 關節(jié)與環(huán)節(jié)角度定義示意圖

Figure 7. Definition of Joint Angle and Segment Angle

2.9 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

3 結果與分析

3.1 直線運動

數(shù)據(jù)顯示，在直線測試中，Z軸方向的反作用力差異不具顯著性(P=0.68)；Y軸方向的差異具顯著性，(P<0.05，Post-hoc 1，3,4,5,6,7,8,9)見圖8和表3。提示所有的FG設計大底均比AG底表現(xiàn)出更強的縱向反作用力。其中FG-MV大底在直線加速上具有比其他大底，特別

是比兩款AG大底具有更明顯的FY值，AG-F50的FY均值最低，僅為0.73，而FY被認為是考察運動鞋縱向牽引力(anterior-posterior traction)的重要指標[16,27,30]。但是幾款大底的FR、TT值之間均無差異顯著性(P=0.37，P=0.65)，說明FG-MV大底設計也許只是在直線的加速中能獲得更大的牽引力。

圖 8 直線運動縱向剪切力峰值與力比示意圖

Figure 8. Peak Anterior-Posterior ShearForce and Force Ratio of Straight

表 3 各維度反作用力峰值數(shù)據(jù)一覽表

Table 3 PGRF of All Dimensions

指標(單位)FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VEANOVA*Post-hoc(P<0.05)直線運動FZ(bw)2.53±0.342.67±0.782.55±0.362.52±0.472.54±0.30P=0.68FY(bw)0.84±0.230.94±0.180.85±0.20.73±0.190.78±0.18P<0.051,3,4,5,6,7,8,9FR(/)0.29±0.080.35±0.190.29±0.080.28±0.080.29±0.09P=0.37TT(ms)315±143321±132310±134329±132330±156P=0.6545°斜切FZ(bw)2.92±0.82.88±0.762.89±0.852.91±1.072.88±1.03P=0.39FY(bw)1.16±0.651.12±0.61.16±0.581.03±0.470.99±0.63P<0.054,9FX(bw)1.01±0.471.03±0.511.14±0.511.3±0.451.19±0.61P<0.053,4,6,7FRS(bw)1.38±0.541.32±0.551.36±0.31.66±0.311.62±0.56P<0.013,4,6,7,8,9FR(/)0.46±0.280.45±0.150.46±0.340.57±0.310.56±0.35P<0.013,4,6,7,8,9TT(ms)575±143567±132551±134589±232578±156P=0.34135°轉身FZ(bw)2.78±0.722.73±0.672.77±0.652.79±0.692.76±0.82P=0.49FY(bw)1.51±0.421.5±0.61.36±0.411.68±0.461.66±0.38P<0.053,4,6,7,8,9FX(bw)1.17±0.421.16±0.471.3±0.491.36±0.611.34±0.45P<0.053,4,6,7FRS(bw)1.7±0.381.61±0.491.68±0.281.96±0.451.94±0.58P<0.013,4,6,7,8,9FR(/)0.60±0.240.59±0.180.59±0.250.70±0.190.70±0.23P<0.053,4,6,7,8,9TT(ms)741±143725±232739±345779±267759±168P=0.66180°轉身FZ(bw)2.64±0.522.56±0.432.66±0.342.85±0.262.79±0.4P<0.012,3,4,6,7,8,9FY(bw)1.84±0.531.86±0.561.84±0.542.05±0.472.02±0.44P<0.053,4,6,7,8,9FX(bw)0.42±0.30.44±0.240.4±0.220.49±0.280.46±0.29P=0.37FRS(bw)1.94±0.441.96±0.572±0.412.16±0.432.18±0.41P<0.053,4,6,7,8,9FR(/)0.76±0.130.77±0.230.75±0.110.76±0.200.77±0.12P=0.69TT(ms)1345±3541379±2871396±3321208±2761295±246P<0.053,6,8

注：*tukey Post-hoc兩兩比較中，數(shù)字1代表FG-P/FG-MV相比較差異顯著(P<0.05)，其余兩兩比較差異顯著性標示為：2= FG-P/FG-TIE，3= FG-P/AG-F50，4= FG-P/AG-VE，5= FG-MV/ FG-TIE，6= FG-MV/AG-F50，7=FG-MV/AG-VE，8=FG-TIE/AG-F50，9=FG-TIE/AG-VE，10=AG-F50/AG-VE,以下數(shù)據(jù)表與此相同。

圖9為同一名受試者穿著FY均值最高的FG-MV大底與FY均值最低的AG-F50大底在3次重復測試時獲得個人最大FY峰值時的GRF測試圖，(FG-MV peak FY=691N，AG-F50 peak FY=495N)。圖中陰影部分面積為足底在測力臺前后方向所受到的剪切力沖量(其中B區(qū)為觸地制動階段沖量，A區(qū)為蹬地加速階段沖量。)蹬地加速沖量等于測力臺Y軸方向變力f(y)在蹬地加速時間(圖中t1～t2)內(nèi)的定積分，其值大小可以作為評估大底蹬地加速性能的指標。但是，由于加速階段蹬地時間非常短暫，平均僅200 ms左右，并且各款大底觸地時間的差異不具顯著性(P=0.65)，故地面反作用力的峰值FY 即可簡便有效的反映大底蹬地加速的性能。

圖 9 某受試者穿著FG-MV和AG-F50大底的FY值測試圖

Figure 9. Peak Anterior-Posterior Shear Force of FG-MV and AG-F50

3.2 45°斜切

本測試中，F(xiàn)Z 和TT指標不具有差異顯著性(P=0.39，P=0.34)，而FY，F(xiàn)X，F(xiàn)RS ，F(xiàn)R 均具有差異顯著性(P<0.05，P<0.05，P<0.01，P<0.01)，提示在進行45°斜切變向時，幾款大底所能提供的水平面牽引力是有區(qū)別的，其中FRS ，F(xiàn)R具非常顯著性差異。FRS 為運動時鞋底在場地水平面提供的剪切合力，其力的大小和方向變化很大，也是在加速、變向過程中足球鞋牽引力(traction)的來源[19,20,21]。測試中AG-F50表現(xiàn)出較高的FRS 值(圖10)，提示AG-F50在變向中具有更好的制動力和牽引力，而AG-VE次之，其他3款則相對較差。FR值為運動中鞋在場地平面的牽引力和Z軸支撐力之比，在一次動作中其比值大小沒有實際的意義，因為在單次動作中測試者動作的具體形式以及運動學姿態(tài)的影響更大[26]。但是，在多次重復測量過程中，其比值的大小是足球鞋變向運動能力的一個有效的指標[28]。本測試中，AG-F50和AG-VE顯示出較好的FR值，提示在人造草坪上2款AG大底足球鞋能提供更好的斜線變向能力，而3款FG大底之間沒有明顯差別。

圖 10 45°斜切變向剪切合力峰值與力比示意圖

Figure 10. Peak Resultant ShearForce and Force Ratio of 45° Cutting

3.3 135°轉身

本測試中，F(xiàn)Z 和TT指標依然不具有差異顯著性(P=0.49，P=0.66)。FY、FX、FRS和FR等4項指標具有顯著性差異(P<0.05，P<0.05，P<0.01，P<0.05)，其中FRS 具有非常顯著性差異(圖11)。而AG-F50和AG-VE依然表現(xiàn)出比較優(yōu)秀的剪切力值，說明其變向力值明顯優(yōu)于其他3款FG鞋底。同時，在本測試中FG-MV的FRS值最低，可能說明該鞋底的變向性能相對最差，而在FR的指標中也顯示AG設計的大底，的確比FG設計的大底在人造草坪上提供了更好的變向牽引性能。

圖 11 135°轉身變向剪切合力峰值與力比示意圖

Figure 11. Peak Resultant ShearForce and Force Ratio of 135° Turning

3.4 180°轉身

本測試中，只有FR和FX值不具有顯著性差異，而其余指標FZ 、FY、FRS和TT均表現(xiàn)出了差異(P<0.01，P<0.05，P<0.05，P<0.05)，其中，F(xiàn)Z 差異非常顯著，這說明，在180°轉身動作的制動過程中不同鞋底提供了明顯不同的垂直支撐能力。另外2款AG大底在此項測試中，其FRS 值依然優(yōu)于FG類型的大底，而3款FG大底在180°轉身的牽引力方面，則沒有顯著的區(qū)別(圖12)。值得注意的是，本測試中TT值也具顯著性差異(P<0.05，Post-hoc，3,6,8)，運動生物力學認為，在體育運動中為了提高速度，應該“盡可能的增大工作距離，并在最短的時間通過它”[1]。以往的相關研究也表明，足球運動中在其他指標不變的情況下，足與地面的接觸時間越短越有利于運動表現(xiàn)[3]。在這項指標上AG-F50具有最明顯的優(yōu)勢，而3種FG大底則表現(xiàn)不佳。

圖 12 180°轉身變向剪切合力峰值與力比示意圖

Figure 12. Peak Resultant ShearForce and Force Ratio of 180° Turning

3.5 旋轉變向

測試結果顯示，右下肢的最小髖關節(jié)角、最小膝關節(jié)角具顯著性差異，P<0.05(表4)，其中，3種FG大底相比2種AG大底呈現(xiàn)出更小關節(jié)夾角。提示，在使用FG大底轉身時身體姿態(tài)更低，身體制動緩沖的過程更長。更長的緩沖過程會降低運動變向的時間，其原因可能與FG大底較長的鞋釘有關。但是，最小踝關節(jié)角卻無顯著差異，說明鞋底的動力學特性對緩沖過程中下肢關節(jié)夾角的影響是從肢體近端環(huán)節(jié)開始的。旋轉變向時支撐腳均處于膝關節(jié)半屈位，此時大腿比平時直立姿勢更接近于水平位置，所以，在APAS軟件中選取了右下肢足與大腿2個環(huán)節(jié)

在地面的投影繞坐標系Y軸的夾角(環(huán)節(jié)扭轉角)，足與大腿分別作為下肢遠端和近端的末端環(huán)節(jié)，它們之間的扭轉角越大，則整個肢體的扭轉程度也越強，對關節(jié)負荷以及關節(jié)周圍肌肉韌帶的活動度要求也越高，同時，運動受傷的風險也越大。數(shù)據(jù)顯示，足與大腿的環(huán)節(jié)扭轉角具有顯著性差異(P<0.05)，其中，F(xiàn)G大底都顯著高于AG大底，而在同類大底中FG-P和AG-F50也具有更大的扭轉角，其原因可能與不同大底的鞋釘幾何形狀以及鞋釘排布有關。本部分測試結果也提示，不同的大底在進行旋轉變向時，鞋底相對于人造草坪表面的旋轉程度，或者說是旋轉位移可能并不相同，扭轉角小的，其鞋底旋轉程度較大，扭轉角大的，其鞋底旋轉程度較小，原因可能是因為大底在旋轉時產(chǎn)生的旋轉摩擦力矩不同。

本測試對環(huán)繞過足底壓力中心的Z軸產(chǎn)生的足底摩擦力扭矩TZ 峰值進行了測量(表5)。TZ 峰值被認為是各種運動鞋在進行旋轉運動時，一個重要的機械學和動力學指標，其值越大，則旋轉運動的阻力越大，難度增加，同時下肢各關節(jié)的旋轉負荷也越大，關節(jié)受傷的風險也增加[5,6,15]。這項測試的結果顯示，不同的大底在轉身時鞋底產(chǎn)生的TZ值表現(xiàn)出很大的不同，P<0.05，差異具有顯著性。兩兩比較結果顯示，Post-hoc(P<0.05) 1,2,3,4,7,9,10。說明在人造草坪上，F(xiàn)G鞋底在做旋轉動作時展現(xiàn)出明顯高于AG大底的摩擦扭矩，同時，在FG設計的大底中，F(xiàn)G-P的扭矩值明顯高于FG-MV和FG-TIE，而在AG的兩款大底中，則是AG-F0的扭矩值略高于AG-VE。

表 4 旋轉變向觸地階段右下肢的姿態(tài)一覽表

Table 4 Posture of Lower Limbs when Right Foot Touchdown(dego)

結 果ANOVAPost-hoc(P<0.05)FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VE最小髖關節(jié)角(minimumhipangle)122.22±12.34121.56±10.78120.27±9.65133.44±9.89128.31±22.85P<0.053,6,8最小膝關節(jié)角(minimumkneeangle)122.67±11.89123.76±8.88122.64±9.49135.54±10.61131.83±12.91P<0.053,4,6,7,8,9最小踝關節(jié)角(minimumankleangle)62.35±11.6762.21±9.4861.52±11.7560.78±12.1361.66±12.68P=0.47最大足-大腿環(huán)節(jié)扭轉角(maxmumfoot-thightwistangle)50.61±10.6042.23±15.5541.63±13.6444.67±15.3339.08±17.25P<0.051,2,3,4,10

表 5 右腳觸地階段Z軸的摩擦力扭矩峰值一覽表

Table 5 Peak Vertical Torque in Touchdown Time

FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VEANOVAPost-hoc(P<0.05)TZ(BW)0.25±0.040.2±0.060.21±0.030.19±0.040.16±0.03P<0.051,2,3,4,7,9,10S-TZ(Nm)115118112108102t(%)59±1456±1930±872±2763±33P<0.052,3,4,5,6,7,8,9△t(%)26±821±1615±920±1110±8P<0.051,2,3,4,5,7,8,9,10

為了更明確地比較各款大底在旋轉變向中的扭矩特性，對每次測試的觸地時間進行100等分，并將扭矩曲線用0～100%的時間點進行標準化處理(圖13)。由圖13A可見，除了扭矩峰值的顯著差異以外，摩擦扭矩在時間特征上的表現(xiàn)也各有不同(表5)。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在觸地過程中FG-P大底摩擦扭矩均值峰值較大，峰值扭矩產(chǎn)生時刻中等(59%±14%)，且高扭矩保持時間較長(26%±8%)。FG-MV大底具有最高的扭矩均值峰值，峰值扭矩達到時刻中等(56%±19%)，但是，高扭矩保持的時間略短(21%±16%)。FG-TIE大底最快的達到峰值扭矩(30%±8%)，高扭矩保持時間較短(15%±9%)。AG-F50大底達到峰值扭矩的時間較晚(72%±27%)，但高扭矩保持時間較長(20%±11%)。而AG-VE大底不僅扭矩均值峰值最低，出現(xiàn)時刻晚(63%±33%)，且高扭矩保持時間僅為(10%±8%)。

圖 13 右腳觸地階段各款大底摩擦力扭矩比較示意圖

Figure 13. Vertical Torque of Each Solein Standardized Touchdown Time

注：示意圖中橫坐標為0%～100%標準化以后的觸地時間，每個散點代表該款大底在某標準化時間點上的扭矩均值，本圖中扭矩的單位為Nm。

4 討論

大底是足球鞋的基本組成部分，大底的設計是影響和決定足球鞋性能的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的大底在人造草坪上運動時力學特性和動態(tài)表現(xiàn)有所不同并各具特點。雖然本研究的是FG和AG大底，但是Firm Ground(FG)、Artificial Grass(AG)僅僅只是運動裝備制造商對某種大底設計的特定稱謂。本文中選用的足球鞋均是阿迪達斯(adidas)和耐克(nike)公司的產(chǎn)品，他們將自己的足球鞋大底中具有某些共同特點的產(chǎn)品稱為FG或AG。其他一些足球鞋制造商并不一定都是這樣進行大底分類，如美津濃(mizuno)公司的大底分類中就沒有FG或AG，其相對應的鞋底類型被命名為MD和TM，在彪馬(puma)公司的產(chǎn)品中甚至將某一類型的鞋底同時定義為HG和AG。2015年7月，adidas發(fā)布了ACE15以及X15兩款全新系列足球鞋，其鞋釘類型被認為是FG和AG的混合產(chǎn)品。而茵寶(umbro)，安德瑪(under armour)等品牌的足球鞋大底也有自己的特點，其中有些甚至沒有命名。所以，一款足球鞋大底屬于什么類型，本質(zhì)上還是取決于鞋底的材質(zhì)和結構以及鞋釘?shù)奶攸c，其中又以鞋釘?shù)奶攸c影響最大[18]。因此，本文的討論部分，主要從各大底鞋釘?shù)拈L度、數(shù)量和分布以及幾何形狀對它們在人造草坪上的動態(tài)表現(xiàn)進行探討與分析。

4.1 大底鞋釘?shù)拈L度與動態(tài)表現(xiàn)

不同大底的鞋釘長度具有明顯的區(qū)別。目前市面上FG大底足球鞋的鞋釘平均長度大都在13～14 mm左右，而AG大底的平均鞋釘長度為8～9 mm左右。本研究中各大底鞋釘長度和材質(zhì)見表2所示。鞋釘長度越長，相對要求匹配更厚實的運動場地，所以，具有最長鞋釘?shù)腟G足球鞋適用于優(yōu)等、厚實的天然草場地，一般被運用于高水平的職業(yè)足球賽場。本研究探討的運動場地是目前國內(nèi)基層足球活動最常見的場地：人造草坪。研究發(fā)現(xiàn)，在人造草坪上FG大底較長的鞋釘在直線加速時能夠提供更大的縱向反作用力，因此，直線加速測試中3款FG大底的FY 值均較大。但是，在變向項目中FG鞋釘?shù)谋憩F(xiàn)不理想，F(xiàn)RS 值偏低。這可能因為測試樣本是無填充的人造草坪，導致足球鞋大底的底面無法接觸到運動場底面，從而使得在運動中足在鞋倉內(nèi)產(chǎn)生的摩擦力是以鞋釘和地面的觸點為支點，鞋釘長度為力臂。而FG過長的鞋釘形成的力矩較大。在直線運動時，足底摩擦力是前后方向，這個較大的力矩導致更大的加速力和制動力。但是，在變向時，足底摩擦力方向和直線運動時有差別，這個較大的力矩在慣性的作用下反而成為較大的阻力矩，因此，導致成績不佳。225°旋轉變向中，發(fā)現(xiàn)3款FG大底下肢屈曲的程度明顯較大，這也可能是較大的鞋釘力矩造成的。除了在無填充的人造草坪，在填充顆粒較少和人草纖維太短的草坪上，F(xiàn)G的長鞋釘由于無法完全扎入場地，因此不能使鞋底接觸到場地表面時，這種現(xiàn)象都有可能出現(xiàn)。而AG大底較短的鞋釘在這類人造草坪上則具有更好的鞋底與場地的交互作用，但是，在厚實松軟的天然草場，長鞋釘?shù)腟G、FG則表現(xiàn)優(yōu)異[30]。所以，雖然較短的AG鞋釘在人造草坪上犧牲了在直線方向上的加速和制動牽引力，但是，在變向移動方面則更具優(yōu)勢。Clemens Müller，Thorsten Sterzing 等人的研究中也發(fā)現(xiàn)，在人造草坪上如果使用鞋釘更長的SG大底，將會導致更加糟糕的運動表現(xiàn)，而使用相對較短鞋釘?shù)腍G(hard ground)大底的球鞋，其牽引力特性則會優(yōu)于FG大底的球鞋[27,29]。本研究中也觀察到，長鞋釘?shù)腇G大底在做旋轉變向運動時，不僅身體制動緩沖過程更長，而且摩擦扭矩以及關節(jié)扭轉程度都更大。說明具有更長鞋釘?shù)腇G類大底，相對于AG在人造草坪上進行旋轉轉身變向時動態(tài)表現(xiàn)差，并且運動傷害風險更大。

4.2 大底鞋釘?shù)臄?shù)量、分布與動態(tài)表現(xiàn)

除了鞋釘長度，AG和FG大底最大的區(qū)別，在于鞋釘?shù)臄?shù)量與分布。本研究中2款AG鞋釘數(shù)量為22和23顆，比3款FG的鞋釘多了幾乎1倍。AG大底這些多出的鞋釘主要分布在前腳掌部位，足底第1跖骨和第5跖骨部位都至少5顆鞋釘，而在相同位置FG平均僅為3顆。變向運動時密集的前掌鞋釘，在材質(zhì)較硬的人造草坪提供了更多的支撐，這也許是AG大底在變向運動測試中表現(xiàn)更好的另一個原因。另外，密集的鞋釘分布也形成了更短的鞋釘與鞋釘之間的釘距(studs distance)。而在旋轉變向測試中，F(xiàn)G長釘較長的釘距可能是導致3款大底產(chǎn)生較大摩擦扭矩，并且在觸地旋轉時形成較大的足-大腿扭轉角的原因。本研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)G-MV在縱向加速能力上有明顯的優(yōu)勢，這個現(xiàn)象也可能和FG-MV的鞋釘分布有關。FG-P，F(xiàn)G-TIE在足底第1跖骨位置的鞋釘分布都是2顆鞋釘，分別為三角形和圓形，兩釘間距約3.5～4.5 cm，第1跖骨前端大約位于這2顆鞋釘之間，兩顆鞋釘與大底鏈接處無過多延伸的基座。而FG-MV的大底為刀型鞋釘，在足底第1跖骨前端只有1顆縱向方向的鞋釘，鞋釘末端前后徑達到2 cm，而此顆鞋釘?shù)幕渤士v向排列，其長度甚至達到了近3.7 cm。在蹬地啟動時，腳掌第1跖趾關節(jié)附近與地面的接觸，被認為是啟動力量主要的來源[22]。FG-MV在此處這種帶有大基座和長接觸面的單顆刀形鞋釘，在縱向方向上可能提供更大的、持續(xù)的環(huán)繞橫軸(測力臺面的X軸)轉矩。通過與受試運動員的交流訪談也發(fā)現(xiàn)，運動員中有7人表示，3款FG大底中，F(xiàn)G-MV第1跖骨末端分布的單顆縱向刀型鞋釘在直線蹬地加速時具有最大的主觀加速感受。這提示我們，大底鞋釘分布在足底的投影位置，對大底的運動表現(xiàn)和主觀感受都有很強的作用。

4.3 大底鞋釘?shù)膸缀涡螤钆c動態(tài)表現(xiàn)

在鞋釘?shù)膸缀涡螤罘矫?，無論是FG，還是AG大底，其鞋釘形狀都有不同。本研究發(fā)現(xiàn)，刀形釘(blade studs)其橫截面為細長的矩形，在縱向的牽引力方面明顯優(yōu)于其他類型的鞋釘，參考直線運動測試中FY值，但是，在變向能力上，刀釘在人造草坪上的表現(xiàn)較差，在各種角度的變向運動中其FR值都偏低。另外，在旋轉變向時，刀釘還表現(xiàn)出較高的摩擦扭矩。Kristof Smeets，Pieter Jacobs等人使用自行設計的裝置，測試了分別在200N、300N、400N的垂直負荷下，兩種鞋釘(圓形釘和刀形釘)足球鞋在不同品牌人造草坪和天然草坪上做內(nèi)旋和外旋時的摩擦力扭矩，結果顯示，大部分情況下刀釘摩擦力矩更大[17]。但是，本研究的結果認為，F(xiàn)G-MV大底的刀釘在人造草坪上做旋轉動作(內(nèi)旋)時和圓形鞋釘產(chǎn)生的扭矩沒有顯著的區(qū)別。這和另外一些研究者的研究結果近似，這些研究觀察到在用沙礫填充的人造草坪上進行足外旋時刀型鞋釘產(chǎn)生的關節(jié)負荷和圓形鞋釘沒有顯著的差異[14]。圓形釘(round studs)是最傳統(tǒng)的足球鞋釘形狀，本研究發(fā)現(xiàn)，圓形釘在旋轉變向時TZ峰值相對比較低，旋轉阻力小，以往的研究也認為，其安全性較高[13,25]。三角釘(tri-studs)是近年來流行的一種鞋釘形狀，這種鞋釘為三棱柱體結構，主要被adidas公司所采用。本研究結果顯示，直線加速時FG-P的三角釘縱向牽引力明顯低于FG-MV的刀釘，在變向運動項目上其FR值則和其他兩款FG大底沒有明顯的區(qū)別。而AG-F50的三角釘相比AG-VE的圓釘，縱向牽引力差，但是，具有更好的變向能力。值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)，無論是FG-P，還是AG-F50的三角釘，在做旋轉動作時，其下肢足與大腿的環(huán)節(jié)扭轉角度(foot-thigh twist angle)和TZ峰值都是最高的，其數(shù)值明顯比同類大底的刀釘和圓釘要大。這個結果提示我們，也許在松軟的天然草坪上，三角釘能夠提供更為強大和穩(wěn)固的旋轉變向反作用力，但是，在質(zhì)地緊密的人造草坪上，三角釘過大的摩擦扭矩可能帶來更高的關節(jié)負荷和受傷風險。

4.4 本研究的局限性

由于研究者水平和研究條件的限制，本文在研究設計和實驗過程中存在一些缺陷、不足與遺憾。如在人造草坪的固定方式上，為了獲得最真實的測量值，人造草坪正確的固定方式應是與測力臺同面積，且不與周圍地面接觸，固定牢固后不與測力臺發(fā)生相對滑動。但本文受實驗條件所限，無法用粘合劑將與測力臺同面積(60×40 cm)的草坪直接粘合于測力臺面，只能用大于測力臺面積的草坪(100×100 cm)在測力臺周圍地面粘合并在草坪與測力臺接觸面使用雙面膠固定。這種方式因草坪與周圍地面粘接，在測試過程中兩者勢必發(fā)生力學作用，所以，其水平分力的測試值要小于真實值。因此，作者模擬正確的固定方式用雙面膠替代粘合劑在測力臺上固定與測力臺同面積的草坪，通過鉛球投射和起跑蹬地動作對兩種固定方式進行了校準測試，發(fā)現(xiàn)兩者水平分力相差約2%～6%左右，這可能是因為目前人造草坪的基底網(wǎng)格布均使用剛性較強，彈性較低的PP(聚丙烯，Polypropylene)材料所致。故雖然兩者測試值之間差距不大，但這卻是本研究設計的一個缺陷和遺憾，在以后的相關研究中要改進。同時，因為人力物力的限制，本文只選擇了2015年具有代表性的幾種足球鞋大底，但并不能涵蓋目前市面上所有的足球鞋大底類型。另外，本文主要探討鞋底在人造草坪上的動態(tài)表現(xiàn)，而對不合適的鞋底與運動損傷的內(nèi)容討論較少，這也需要在后續(xù)研究中繼續(xù)完善。

5 結論與建議

5.1 結論

1.FG大底縱向加速和制動牽引力更大，變向運動牽引力較小，旋轉摩擦力扭矩較大，旋轉變向時緩沖過程較長，關節(jié)扭轉程度較大。AG大底縱向牽引力較小，變向運動牽引力較大，旋轉摩擦力扭矩較小，旋轉變向時緩沖過程較短，下肢扭轉程度較小。

2.刀形鞋釘縱向牽引力最大，橫向變向牽引力較弱，旋轉摩擦力扭矩適中。三角形釘和圓形釘在牽引力方面依據(jù)鞋釘?shù)拈L度、分布有所不同，但在同類大底中兩者差異不具顯著性。三角形釘旋轉摩擦力扭矩和旋轉時關節(jié)扭轉程度顯著大于刀形鞋釘和圓形鞋釘，運動受傷風險較大。5.2 建議

1.在厚度小，填充物少的普通質(zhì)量人造草坪上推薦選用鞋釘長度較短(不超過10mm)，鞋釘排布密集的AG大底足球鞋，優(yōu)先選用圓形鞋釘，其次是刀形鞋釘。應該避免使用長鞋釘(超過15mm)、三角鞋釘和鞋釘數(shù)目過少的FG大底足球鞋，這不僅會降低運動表現(xiàn)，還會增加運動傷害的風險。

2.在厚度大，填充物多的場地上，可以依據(jù)個人身體素質(zhì)和健康情況，適度使用配置圓形鞋釘?shù)腇G大底足球鞋。即使是在高質(zhì)量的人造草坪上也盡量不要選擇帶有三角形、刀形，以及其他不規(guī)則多邊形鞋釘?shù)腇G大底足球鞋。

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Biomechanical Analysis of Dynamic Performance of Soccer Boots with Different Sole on the Artificial Turf

PENG Bo,QIN Yi,WANG Ding-xuan,PENG Ye,PANG Yu,MAO Shu-kai

Objective:To evaluate the traction characteristics and dynamic performance of different sole of soccer boots on the artificial soccer turf.Method:The investigated sole configurations were firm ground design(FG) and artificial grass design(AG).To analyze several kind of representative movements of soccer by kistler force plate and ariel performance analysis system.Kinds of peak ground reaction force kinetics variables and kinematics index were measured in this study.One-way repeated measure ANOVA and tukey post-hoc tests was applied to statistics in spss17.0.Results:FY(anterior-posterior shear force)shows significant difference in straight(P<0.05);FRS(resultant shear force) shows very significant difference in 45o cutting and 135o turning(P<0.01) and 180o turning(P<0.05);TZ(peak vertical torque),foot-thigh twist angle shows significant difference in rotation(P<0.05).Conclusion:Firm ground design sole shows higher traction of anterior-posterior acceleration and braking and artificial grass design sole shows higher traction of turning on the artificial soccer turf.The vertical rotation torque of FG were significantly higher than AG,FG sole shows lower flexion joint angle and foot-thigh twist angle of lower limbs than AG.AG design sole with more number of shorter studs which intensively distributed on the plate achieved better traction performance on artificial soccer turf and decreased the risk of injuries.Studs configurations of soccer boots sole considerably affects biomechanical characteristics and performance of soccer boots.

soccerbootssole;artificialsoccerturf;dynamicperformance

1002-9826(2016)04-0103-10

10.16470/j.csst.201604014

2015-04-29；

2016-06-06

四川省教育廳人文社會科學重點研究基地四川休閑體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心課題(XXTYCY2014C08，XXTYCY2014B12)；四川省科學技術廳與瀘州市人民政府、瀘州醫(yī)學院聯(lián)合科研專項資金計劃項目(14RKX0015)。

彭博(1981-)，男，四川樂山人，講師，碩士，主要研究方向為運動生物力學與運動技術分析，Tel:(0830)3190961，E-mail:415692824@qq.com；秦義(1972-)，男，四川瀘州人，副教授，主要研究方向為足球教學與訓練，Tel:(0830)3192240，E-mail:498119172 @qq.com；王定宣(1975-)，男，四川合江人，副教授，碩士，主要研究方向為社會體育學和體育管理學，Tel:(0830)3163212，E-mail:wdx.9111@163.com。

西南醫(yī)科大學 體育學院，四川 瀘州 646000 Southwest Medical University，Luzhou 646000，China.

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