不同设计跑步机减震性能差异的生物力学分析

□ 唐正彦 刘静民（清华大学体育部 北京 100084）

1、研究目的

近年来，随着生活水平的提高和人们健身意识的增强，跑步已成为人们现代生活“健康、愉快和时尚”的标志，跑步是减少久坐带来的多种危害、消除生理的消极状态和缓解心理压力的最佳方式之一。现代都市生活中由于雾霾等不利自然环境往往会对人们户外跑步带来影响，同时出于方便的考虑，人们经常会选择室内健身，在跑步机上进行跑步。为了给跑步者带来舒适、愉快的感觉，防止经常使用跑步机的跑步者脚踝、膝关节等部位出现运动损伤，跑步机的减震性能至关重要。

有减震功能的跑步机可以缓冲地面冲击力对人体造成的伤害。人每步行1公里，一只脚要承受600-700次的重力冲击，若是激烈运动，其冲击次数和冲击力就更大。跑步时，脚触地的瞬间，受到地面的冲击力将达到人体重量的2-4倍。这种冲击力长期作用在人体，会对各部位造成不同的伤害。在跑步机上跑步时，如果跑步机有一定的减震性能，可以减缓长期跑步带给人的伤害。

但是人体在地面和跑步机上分别进行主、被动运动过程中，运动姿态，足底压力都会有明显差别，不同品牌和价位的跑步机也会采用不同的方式进行减震，因此，研究跑步机的减震性能是非常有必要的。近来，市场上推出了一些新的跑步机，采用了一些新的设计，我们此次尝试检测这类跑步机的减震性能。

2、研究对象与方法

2.1、研究对象

（1）测试运动表面。

测试跑步机选取两台市面上常见并且处于同等价位的具有不同减震设计的跑步机，包括主要依靠磁力减震的跑步机1和主要依靠弹簧和硅胶垫减震的跑步机2。以塑胶跑道和柏油路面作为对照。

（2）受试者。

选取身体健康、有良好运动能力和跑步机使用经验的1名男性参加本研究的测试。受试者身高185cm，体重70kg，非扁平足及足弓，且参加本研究测试之前半年内下肢无损伤史。

2.2、实验方法与数据采集

（1）实验仪器和测试设备。

足底压力测试系统：本研究采用德国Novel公司开发的Pedar鞋垫式足底压力测量系统采集运动过程中足底的动力学相关指标，全面评估足底压力与减震性的相关性。测试时，鞋垫放置于左、右鞋内，采集频率设置为100Hz。鞋垫通过电缆线与控制盒相连，控制盒执行读取、记录、发送、同步输出等功能。采集到的原始数据为每一传感器的压强信号。分析软件为足底压力系统自带测量分析系统管理软件。

膝关节角度测量：采用德国SIMI公司生产的SIMI Motion动作捕捉系统，记录运动过程中膝关节角度变化。采集频率350Hz。

（2）实验方法。

受试者穿上紧身运动服和运动鞋，同时在鞋底放置足底压力测试鞋垫，在测试前进行5min的慢跑热身，正式测试速度为4km/h、5.4km/h、7.2km/h、9km/h、10.8km/h（4km/h 运动姿态为快步走，其他速度运动姿态为跑），每次测试前进行压力鞋垫调零。以测试速度跑1min后，若测试者通过观察发现进入稳定状态，记录15s足底压力数据，每次测试间间隔10min，保证测试人员的体力恢复。随后以相同的要求，在另外一台跑步机上进行测试并收集足底压力数据。通过smartspeed红外测速仪检测塑胶跑道和柏油路面的运动速度。

（3）数据处理。

采用与pedar配套的数据处理软件获得实验数据，采用Excel2016进行分析。分析足底压力峰值数据时，选取左足十次稳定的单步的均值，输出数据。将每次测试的数据从系统中取出保存。选取左脚的步态资料，去除头尾的数据资料，从中选取步态稳定动作一致的一步步态数据进行压强-时间分析。采用SPSS22.0统计学软件进行显著性分析检验。

3、结果与分析

3.1、不同运动表面上一个步态周期内压强-时间变化

图1可知，在4km/h速度下，受试者由于以快步走的姿态进行运动，四种运动表面的压强-时间曲线均出现了双波峰的图形。跑步机1在缓冲时的波峰明显低于另外三种运动表面，并且波峰出现的时间也相对较晚，说明在缓冲阶段跑步机1的减震性能较为明显，跑步机2则更接近于塑胶路面。而在蹬伸期，跑步机1的平均压强峰值和跑步机2、柏油路面出现的时间和高度都较为一致，但是均低于塑胶跑道的平均压强峰值，可见两种跑步机都能提供和柏油路面类似的较为充足的蹬伸反作用力。同时结合膝关节最大缓冲角和步态周期时间，我们发现尽管在跑步机1上平均压强较低，但是由于速度较慢，对运动姿态的改变不明显，因此跑步机1在快走状态中，可以在保证正确运动姿势的前提下有效减震。而跑步机2在落地的缓冲阶段受到地面反作用力和塑胶、柏油路面相似，但是蹬伸状态下全足则有较高的平均压强，因此蹬伸状态可能会有和在塑胶、柏油路面上不同的运动感受。

图1 4km/h速度下一个步态周期内全足压强均值

图2 5.4km/h速度下一个步态周期内全足压强均值

图3 7.2km/h速度下一个步态周期内全足压强均值

图5 10.8km/h速度下一个步态周期内全足压强均值

图2 -图4可知，在5.4km/h、7.2km/h和9km/h的速度时，四种运动表面的全足压强均值的峰值出现时间基本没有差异，都分别在0.14、0.13、0.12秒左右达到峰值，但是跑步机1的峰值要低于另外三种运动表面，另外三种运动表面的峰值则没有明显差异，仅有塑胶跑道稍低。

由图5可知，在10.8km/h时，跑步机1和柏油路面、塑胶跑道的曲线几乎一致，但是跑步机2的平均压强峰值要出现得较早，即加载速度较快，并且峰值较高，此外其在触地阶段的时间也低于其他三种运动表面。可能是由于此种设计弹性较好，因此在落地之后很快就能达到峰值，并在在蹬伸之后有较强的回弹，因此会减少整个触地阶段的时间。但是这种设计会增加足部压强，并且可能会改变跑步的动作形式。

总体来看，在慢跑速度下跑步机1的减震性能较好，要优于其他三种运动表面。在运动速度较快时，跑步机1的减震性能效果降低，趋向于和塑胶路面一致，但是跑步机2的减震性能较差，表现出比其他三种运动表面更低的减震性。

3.2、足底压力测量各参数峰值对比

（1）足底压力峰值。

图6 不同速度下各运动表面足底压力峰值

足底压力为人体施加给测试鞋垫的力，大小相当于人体受到运动表面冲击的反作用力，足底压力峰值为运动过程中人体所受到的力的最大值，因此可以直接反映跑步机的减震性能。如果足底压力峰值过大，加上长时间的冲击，力沿着腿部向上传递，会对膝盖甚至脊柱等环节造成损伤。图6可知，在4km/h的速度下，跑步机1上足底压力峰值为534.5N，跑步机2足底压力峰值为645N，跑步机1的压力峰值要显著低于跑步机2。塑胶跑道、柏油路面上的压力峰值分别是555.1N和597.7N，可见跑步机2减震性能相对较差，甚至比质地坚硬的柏油路面有更高的压力峰值，这可能是由于跑步机的回弹设计造成的。跑步机1减震性能相对较好。在5.4km/h速度下，也出现了类似的趋势，跑步机1的足底压力峰值明显低于其他三种运动表面。在7.2km/h及以上速度时，塑胶跑道的足底压力峰值增幅较小，而跑步机1的足底压力峰值逐渐增加，逐渐高于塑胶跑道，但仍比柏油路面和跑步机2低。跑步机2各速度下足底压力峰值和柏油路面均较为接近，10.8km/h速度下更是高于柏油路面，显示出较差的减震性能。

（2）足底压强峰值。

足底压强峰值是反映作用在单位面积脚底上的地面反作用力大小最直接的指标。一般跑步时足底压强峰值会出现在每一个步态周期的蹬伸阶段，根据每个人跑步习惯的不同，出现的位置会有所差异，但是对个人来说，出现足底压强峰值的位置一般不会有太大变化。较大的局部足底压强峰值是影响跑者跑步舒适度的重要因素。如果某个位置长期受到大的应力刺激，就会容易产生疲劳性损伤。足底压强过大，足部会感觉到压迫感甚至是疼痛，足底压强小，其应力分布越分散，鞋与足底越贴合，足部感觉越自然、放松。在相同的运动速度下，人体足部受到的地面反作用力是相等的，而由于运动表面的差异，可产生不同的弹性效果。跑步机的减震结构会吸收大部分冲击力，大量消耗传输到足部的能量，并延长冲击力到达足部的时间，可以说，在同等地面反作用力下，足部峰值压强越小，跑步机缓冲震动的能力越好，足部感觉越舒适。

图7 不同速度下各运动表面足底压强峰值

图7 可知，在5种速度下，跑步机2的足底压强峰值均显著高于跑步机1，并且速度越快差别越明显，显然从压强峰值来看，跑步机1具有相对较好的减震性能。但是在速度较快时，跑步机1的减震水平也和柏油路面较为接近，仅比柏油路面低6.7kPa，而塑胶路面上的足底压强峰值最低，显示出了最好的减震性。

3.3、时域指标分析

（1）冲量。

图8 不同速度下各运动表面一个步态周期内冲量

图9 不同速度下各运动表面一个步态周期内压强-时间积分

冲量反映了力在时间上的量的积累。在考量跑步机减震性能时，尽管冲量以及压强—时间积分和震动情况没有直接关系，但是在长时间运动时，这种长期的力的积累效应更容易导致疲劳。图9可知，跑步机1在9km/h及以下速度均表现出冲量最低，并且和其他三种运动表面存在显著性差异。在10.8km/h速度下尽管各运动表面冲量值差别不大，但是仍然相对处于最低的水平。因此可见跑步机1更加适合长时间运动。而跑步机2虽然触地时间都相对较短，但是足底压力较大，因此跑步机2的冲量在四种运动表面中都处于较高的位置。

（2）压强—时间积分。

压强—时间积分和冲量类似，反映了压强在时间上的积累。各速度下四种运动表面的压强时间积分没有明显差异，但是可以发现跑步机1在各速度下的压强—时间积分都低于跑步机2。

（3）支撑相时间。

图10 不同速度下各运动表面一个步态周期内支撑相时间

3.4、膝关节最大缓冲角度

图11 不同速度下各跑步机膝关节最大缓冲角

在落地缓冲过程中达到最大缓冲时刻时，膝关节也处于屈曲的状态，此时膝关节的角度为膝关节最大缓冲角。膝关节的这种弯曲是人体本能的减震反应，我们认为在硬度接近的运动表面运动时，膝关节角度越小表明人体需要进行的减震动作幅度越大，从而表示运动表面的减震能力较差。在4km/h快步走时膝关节几乎没有弯曲，而在9km/h、10.8km/h时跑步机1膝关节最大缓冲角要高于跑步机2，因此从膝关节角度上来看，跑步机1在速度较快时有较好的减震性能。

4、结论

（1）跑步机1和跑步机2相比，以4km/h-10.8km/h速度快走、慢跑，均具有明显的减震性能；

（2）跑步机1和跑步机2相比，以较快速度跑步时，其减震效果接近于在塑胶跑道上运动表现；

（3）跑步机1和跑步机2相比，在以较快速度跑步时，膝关节最大缓冲角较大，压强－时间积分和冲量值均低，对膝盖的冲击力相对较小，预防损伤效果好。