足球鞋核心技术的生物力学研究进展

孙　冬，顾耀东， 李建设

(1.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)



足球鞋核心技术的生物力学研究进展

孙冬1，顾耀东1， 李建设2

(1.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

摘要：20世纪70年代以来，随着运动鞋研究的不断深入，足球鞋作为一种功能性特征运动鞋的研究也不断增多。足球鞋科技的进步与生物力学相关研究紧密联系，文章总结了大量国内外对足球鞋研究的相关文献，从生物力学研究角度分析足球鞋与足、球、草坪之间的相互作用，并着重探讨了足球鞋生物力学设计对运动表现和运动损伤的影响，一方面为足球鞋更加合理的生物力学设计提供参考，另一方面也为人们根据自身特点合理选择功能性足球鞋提供建议和指导。

关键词：足球鞋； 核心技术；生物力学

0前言

20世纪70年代以来，随着运动鞋研究的积极展开以及足球运动的广泛开展，足球鞋也逐渐得到关注与研究。在所有足球有关的运动装备中，足球鞋作为一种功能性鞋具与足球运动的关系最为密切和直接。足球鞋的鞋面是主要与足球接触的部分包括鞋头、鞋舌、鞋带、鞋身；鞋底是直接与场地接触的部分包括中底、外底、鞋钉。鞋钉一般按形状划分为常见的圆钉和刀状鞋钉[1]；随着足球运动的广泛开展，足球鞋的分类也越来越细，根据不同鞋底设计将足球鞋划分为以下几种类型：适合表面松软自然草地的SG(Soft Ground)系列、适合表面较硬自然草地的FG(Firm Ground)系列、适合较软的泥地、沙地和草茎短的人造草地等硬场地的HG(Hard Ground)系列、适合人造草地的AG(Artificial Ground)和TF(Turf)系列及适合室内足球的IN(Indoor)系列等[2]，这几种类型足球鞋的差异体现在不同构造、形状、数量、长度的鞋钉设计上，如SG系列足球鞋一般是6到8个金属长圆钉、FG和HG系列足球鞋一般是采用合成树脂或橡胶材质制造的鞋钉，鞋钉较短、TF系列足球鞋已经不具备鞋钉，而是与鞋底一体化的橡胶颗粒，俗称“碎钉”、IN系列足球鞋没有鞋钉，取而代之的是橡胶或牛筋鞋底[3]。本文的目的是总结足球鞋生物力学设计对足球运动员的运动表现和非接触性运动损伤风险的影响，为人们根据场地以及自身特点合理选择功能性足球鞋提供建议和指导。

1足球鞋设计对运动表现的影响

足球运动的特点决定了运动员常常需要在短时间内完成快速启动、侧切、急停转身、快速射门和传接球等技术动作，足与地面之间的良好缓震、足够的牵引力和稳定性是完成这些技术动作的前提条件[4,36]，一双具有良好功能设计的足球鞋往往能够为这些技术动作的出色完成提供保障。

1.1足球鞋鞋底设计对运动表现的影响

足球鞋鞋底是直接与运动场地接触的部分，也是足球鞋中最具有科技含量的部分，它需要为运动员在场上的加速、转身、急停等动作提供足够的抓地力、稳定性和摩擦力[5]；鞋底设计主要包含鞋钉设计、鞋底软硬度设计和减震设计，不同运动场地对应的足球鞋的差别主要体现在鞋钉设计上。Cawley等[6]研究发现有鞋钉的足球鞋与其它运动鞋相比在自然草皮上能产生更大的抓地力；Clarke 和 Carré[7]测量了不同场地条件下不同鞋钉设计足球鞋的垂直位移、鞋钉抓地力和鞋钉有效渗透面积，总结出在自然草皮上，抓地力的增大是依靠鞋钉与草皮之间相互渗透的有效横截面积的增大，而在人工草皮上，鞋钉没有完全穿透草皮表面，与草皮之间没有相互渗透压缩；Clemens Müller等[8]对15名足球运动员在人工草皮上分别穿着两种不同形状和三种不同长度鞋钉的足球鞋(见图1)进行障碍跑和直线加速跑，结果显示穿着刀状鞋钉足球鞋成绩显著高于圆钉足球鞋、在一定范围内鞋钉长度越长对应的成绩越好(见图2)，通过结果分析得出刀刃状鞋钉通过增加与地面的接触面积从而增大鞋底的抓地力，鞋钉的长度应介于50%和100%之间，并且随着鞋钉长度的增加抓地力也随着增加；McGhie D等[9]安排22名专业男性穿着三种不同鞋钉设计的足球鞋在三种不同的人造草皮上进行直线冲刺跑和90°侧切两个动作，结果显示，鞋与地面之间的峰值牵引力、侧切滑动速度有显著性差异，但牵引系数并不随着鞋钉构造和草皮状态而改变，这可能是因为球员对足与地之间的牵引力有主动的调节作用；Sterzing等[10]研究发现鞋钉数量和构造的不同会对跑动速度有显著性影响，综上研究，鞋钉的形状、长度、数量、构造直接影响了足球鞋的抓地力和稳定性，从而对运动表现造成影响。

图1　a表示三种不同长度鞋钉的足球鞋；

注：NM100代表100%鞋钉长度，依此类推；Elliptic=椭圆形 Bladed=刀刃型

图2　a和b代表三种不同长度鞋钉的足球鞋分别

注：Slalom=障碍跑；Acceleration=冲刺跑；Elliptic=圆形鞋钉；Bladed=刀状鞋钉

1.2足球鞋鞋面设计对运动表现的影响

足球鞋的鞋面是直接与足球接触的部分，鞋面生物力学设计与舒适度、击球触感、准确度、球速等密切相关[11]。Sterzing和Thorsten[12]研究了三种鞋掌围度的足球鞋分别是较窄围度、中等围度、较宽围度对运动员的舒适度、活动灵敏性和跑步速度的影响，发现，中等围度和较宽围度足球鞋具有较高的舒适度，鞋掌围度不同对活动灵敏性和跑步速度没有显著性影响；Fraser等[13]对三种不同鞋面设计和材料的足球鞋进行抗弯曲性试验，发现鞋面材料和设计的不同显著影响了足球鞋整体的抗弯曲刚度，从而影响球鞋舒适度；Hennig等[14]研究发现，鞋面设计对击球准度和球速有显著性影响；Ishii等[15]运用三维有限元模拟的方法对五名足球运动员穿着不同鞋面设计的足球鞋击球时球的出射角度、速度、旋转度、形变程度进行建模分析(见图3)，得出足球鞋面的弹性模量、摩擦系数对球的出射角度、速度、旋转度均有一定影响,但不显著；Sterzing和Hennig[16]研究了四种不同摩擦系数鞋面的足球鞋鞋面，发现对同一个人相同动作击球后球的速度产生显著影响； Kuo等[17]研究 发现鞋带在鞋面上位置的不同对球员击球准确度有显著影响；综上表明，球鞋的鞋掌围度，鞋面的弹性模量、摩擦系数、鞋带位置等因素会对球鞋舒适性和击球触感、球速、准确度等产生影响，从而影响运动表现。

图3　有限元模型

a是运用裸足和鞋型数据构建出的足-鞋的有限元模型；b是将足球的外壳层和气囊层分割为一个个小单元构建足球的有限元模型

2足球鞋设计对非接触性运动损伤的影响

足球非接触性运动损伤日益增多，致使许多优秀的专业足球运动员和业余爱好者运动生涯的提前终止。导致非接触性运动损伤的原因很多，并且主要集中在下肢的膝关节、踝关节、足部[33]，文章主要从足球鞋的角度出发讨论足球鞋与足球运动中非接触性运动损伤的影响。

2.1足球鞋设计对膝关节损伤的影响

膝关节是人体最大、最复杂的关节，足球技术动作中有许多快速启动、急停转身、侧切启动、大力射门等快速反应动作，这些动作的反复累积会引起膝关节过度旋转、内外翻而导致各种急慢性损伤的发生。膝关节损伤大部分集中在十字韧带损伤、半月板损伤、内侧副韧带损伤等处[34,35]。现在许多的鞋钉设计都要求在不同方向的运动上提高抓地力，有学者[37,38]研究发现鞋底与地面之间过高的牵引力是导致非接触性膝关节损伤的主要因素；许多学者[18,20-22]研究发现较小的膝关节屈曲角度、较大的伸膝力矩、外展力矩、扭转力矩和膝关节外展角度、较大的垂直和向后地面反作用力可能会导致膝关节半月板和前交叉韧带(ACL)损伤风险的增大；Grund等[19]使用一种新型的气动牵引装置Trak Tester(见图4)能够实现对足球鞋与地面相互作用的牵引力进行精确测试，发现过高的牵引力会增大膝关节的扭转力矩从而导致膝关节损伤风险的增加；Hewett等[23]研究发现，女性运动员中，膝关节外展力矩更大者ACL损伤损伤风险也增大，同时，膝关节外展力矩比膝关节屈曲角度能够更好地预测ACL损伤。Smeets等[24]研究表明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膝关节外展角度和外展力矩增大导致膝关节损伤风险的增大。Butler等[25]对14名男性专业足球运动员和14名女性专业足球运动员分别穿跑鞋、刀状鞋钉足球鞋、碎钉鞋纵跳落地时的运动学数据进行采集分析后发现，在三种不同用鞋条件下的膝关节屈曲角度具有显著性差异，并且男性运动员穿着刀状鞋钉足球鞋落地时膝关节背屈角度平均增加1°，女性运动员穿着刀状鞋钉足球鞋落地时膝关节背屈角度平均减少3°，得出落地力学机制随着性别、鞋的不同发生变化；Kaila等[26]对15名业余足球运动员在标准人工草皮上进行直线加速跑和急停转身的动力学数据进行采集，结果发现急停转身动作与直线加速跑动作相比膝关节载荷、膝关节外翻力矩显著性增大，这可能会增加ACL损伤的风险；综上研究，足球运动中非接触性膝关节损伤往往是由于不合适的球鞋选择和不当的球鞋设计，导致运动员在侧切、急停转身等动作中膝关节过度外展、外旋从而引起膝关节损伤的发生。

图4　能够精确测量鞋底与草皮之间牵引力大小的

2.2足球鞋设计对踝关节与足部损伤的影响

足球是大运动量项目，世界上优秀的足球运动员一场比赛中的运动距离要达到1万m左右，再加上不断的奔跑、腾空等动作常常会引发踝关节和足部损伤，足球运动中的踝关节损伤多为急性损伤且大多集中于外侧副韧带[27]，足部损伤主要表现为足底筋膜炎和跟腱炎等慢性损伤。Hennig和Ewald[28]测试了足球运动员在正常跑动、加速冲刺、急停转身等动作的足底压力分布发现具有显著性差异，这可能是导致足底损伤的原因。Bentley等[29]对29名业余男性足球运动员分别穿圆钉足球鞋和刀状鞋钉足球鞋进行障碍跑并进行足底压力测试(图5)，结果显示圆形鞋钉足底压力分布是趋于正常的，刀状鞋钉具有偏高的足底压力被认为是足底筋膜炎的发病诱因。Eils等[30]使用足底压力鞋垫对21名专业足球运动员分别进行正常跑动、侧切、冲刺跑和射门这几个过程进行足底压力数据采集，数据分析后发现，侧切、冲刺跑的足底压力值要显著高于正常跑动时足底压力值，并且足底压力值最高的部位集中在足中部和足外侧，这可能会导致足底损伤的发生。Slim等[31]研究了专业足球运动员踝关节损伤与鞋钉设计和运动场地的关系,得出运动员非接触性踝关节损伤是足、鞋、地面相互作用的结果，足球运动员应合理的选择合适的鞋钉尺寸和鞋底构造的足球鞋并应根据场地条件(自然草皮和人工草皮)的不同来选择合适的足球鞋，对于有踝关节损伤史的运动员可以考虑在鞋内加内垫或矫形器以防止损伤的进一步加重。Smith等[32]对6名男性专业足球运动员分别穿SG(自然软草场)钉鞋和普通训练鞋在自然草坪上直线跑并采集动力学参数，结果显示，穿SG钉鞋的地面反作用力和作用力的加载率均显著高于普通训练鞋，这可能是导致足球运动员足部损伤的因素。以上研究表明，足球鞋设计尤其是鞋底构造与运动员踝关节和足底损伤密切相关，不当的鞋底设计常常会导致踝关节过度内外翻或足底压力的显著增大，易引起踝关节和足部损伤的发生。

图5　a是圆钉足球鞋和刀状鞋钉足球鞋；

3总结

回顾国内外关于足球鞋生物力学方面的研究成果可见，足球鞋作为适合足球运动的一种功能性鞋，无论对于专业足球运动员还是业余爱好者来说都具备非常好的帮助，它的设计要素主要体现在既能满足在训练和比赛的运动表现提高，又能减少非接触性运动损伤的发生。运动表现的提升一方面需要足球鞋鞋底提供良好的稳定性、抓地力和缓震性能，另一方面需要鞋面提供良好的舒适度和合适的弹性模量、摩擦系数等。然而，过度重视足球鞋运动表现方面的研发(例如为降低鞋身重量的超轻足球鞋，为提高鞋与地面之间抓地力而增加鞋钉长度)，超轻足球鞋可能会降低球鞋的缓震性能降低对足的保护作用，过高的抓地力可能会导致急停转身、侧切等动作中膝关节伸膝力矩、外展力矩增大从而对运动员膝关节造成损伤。因此，足球鞋的设计应在保持运动员运动表现不出现下降的同时，更需关注球鞋设计对运动员下肢的保护以减少运动损伤的发生。

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·体质研究·

Biomechanical Research of Progress on Soccer Boots’ Core Technology

SUN Dong1，GU Yao-dong1，LI Jian-she2

(1. Faculty of Sports Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China;

2. Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Since 1970s, with the development of sport shoes science, researches on soccer boots have increased rapidly. The progress of soccer boot’ technology highly related to biomechanical research. This paper summarizes a large number of relevant studies on soccer boots to analysis the interaction between boots, foot, ball, and surface, focusing on the effect of soccer boots on sports performance and sports injuries from a biomechanical perspective. The purpose of this study is to provide references for more reasonable soccer boots design, and it also offers advices or guidance for people to choose functional soccer boots according to individual characteristics.

Key words:soccer boots; core technology; biomechanics

文章编号：1004-3624(2015)04-0114-04

作者简介：梁成军(1970-)，男，讲师，博士，主要研究方向：体育工程.

收稿日期：2015-05-25

中图分类号:G804.66

文献标识码：A