不同材质篮球鞋底结构对运动员下肢减震的作用研究

尹娜 张增光

摘 要：篮球鞋的鞋底结构以及鞋底所使用的加工材料，是影响篮球鞋减震性能的最关键因素。利用减震试验机对不同材质和机构的篮球鞋进行撞击测试，对国内外较为知名的三大篮球鞋生产品牌所生产的某型号篮球鞋进行鞋底结构、使用材料以及鞋底对运动员下肢减震作用展开研究。最终结果表明：实验Ⅰ组在固定撞击能力（5J 和7J）条件下，能够获得低于实验Ⅱ、Ⅲ组的撞击力峰值和G值;实验Ⅱ组的整体减震性能居中;实验Ⅲ组在面对固定撞击能力时表现出了最差的撞击力峰值和G值，整体减震效果最差。

关键词：复合材料;篮球鞋底;撞击力峰值;G值;减震作用

中图分类号：TS943.1;TU352.1       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）01-0162-05

Study on the effect of basketball sole structure with different materials on lower limb shock absorption of athletes

YIN Na，ZHANG Zengguang

（Shaanxi Railway Institute，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：

The structure as well as the materials of the sole of basketball shoes are the most important factors affecting the bumping-absorption performance of basketball shoes.In this paper，the impact tests of basketball shoes with different materials and brands are carried out by using the bumping-absorption testing machine.The author also studies on the structure of the sole，the use of materials and the effect of the sole on the lower limb bumping absorption of a certain type of basketball shoes from three well-known local and international brands.The final results show that under the condition of fixed bumping level（5 J and 7 J），the experimental group Ⅰ could obtain the lower bumping force peak value and G value compared with the experimental groupⅡand Ⅲ.The overall damping performance of experiment group Ⅱ was in the middle，while the experiment group Ⅲ performed the worst peak impact force and G value，and the overall shock absorption effect was the worst.

Key words：

composite materials;basketball sole;peak impact force;G value;cushioning effect

籃球鞋能够为参与篮球运动的运动员或爱好者提供充分的抗扭转能力、减震能力以及摩擦能力等。其中，减震能力是考量鞋底材料吸收或降低震荡波能力的主要表征，减震能力并不等同于鞋底的柔软度。因为，篮球运动员在拼抢篮板、投篮等动作以后，往往还需要立刻进行极速的跑动，鞋底过于柔软往往会影响球员的启动能力[1]。因此，恰当、合理的减震结构设计和材料选择，是考量篮球鞋制造商篮球鞋生产工艺的重要指标之一。本文在开展篮球鞋减震实验时，将减震试验机的撞击水平固定在5 J 和7 J条件下，对国内外不同品牌的3种篮球鞋的减震性能进行实验分析，分别检测3种篮球鞋的撞击力峰值和G值得到3种品牌篮球鞋中的最佳减震结构和减震材料。本文的主要实验目标，是得到实验Ⅰ至Ⅲ篮球鞋在排除人为因素条件下面对相同的冲击表现出的不同减震性能，从而针对该篮球鞋的鞋底结构和鞋底材料进行针对性分析[2]。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

当前篮球鞋领域所采用的主要减震方法主要有气垫减震和材料减震两类，其中气垫减震是利用特殊的鞋底结构通过惰性气体实现篮球鞋的减震;而材料减震则是利用特种橡胶、非牛顿流体等新型高分子材料代替一部分鞋底材料，利用高分子材料的特殊力学性能实现篮球鞋的减震。

1.1.1 气垫减震

Sole结构气垫是篮球鞋领域最早开发的气垫种类。Sole气垫在缓震、性能和平衡方面较为均衡，但是比较中庸。Sole气垫最早用在AJ球鞋系列上，现在则一般应用于空军一号、DUNK以及一些比较低端的AJ团队实战鞋上[3]。Sole气垫结构偏硬、缓震效果一般，对于大体重的篮球运动员而言，并不能在激烈的篮球运动中提供充分的抗震性能。

Zoom结构气垫目前属于最优秀的篮球鞋组成气垫结构[4]。Zoom结构气垫主要放置在篮球鞋的前掌，具有不错的减震和优秀的回弹以及很不错的场地感，更是提供了加速的性能。在部分高端球鞋上更是放置了双Zoom气垫来达到更加优秀的减震效果。某些球星款的篮球鞋如MELO8和MELO9等，其采用的Zoom结构气垫创新性使用了Cage zoom，也就是最大容量Zoom气垫。鞋体的穿着感极为良好，柔软度极高。但是由于鞋体过于看重减振性能，最终导致该篮球鞋的稳定性欠佳，在非木质地板场地如水泥地等场地进行剧烈对抗时容易扭转过度而引发扭脚等。但是该结构的气垫减震脚感毋庸置疑。

Airmax结构气垫堪称是中锋和大体重篮球爱好者的一大最爱。大面积的气柱结构能够为运动员提供极为优秀的抗震能力。气柱内部的惰性气体在受到运动员脚部挤压时，很容易发生性变，此时气垫内的惰性气体受到刺激会促使气体产生流动最终形成气体对运动员足部的回弹和缓冲，从而为运动员提供减震[5]。但是，由于Air max结构气垫整体厚、重，需要一定体重的运动员材料对气柱内的惰性气体产生足够的挤压，往往更适合大体重篮球运动员。同时，外露的气垫结构也较容易因为划伤而产生惰性气体泄露，最终影响球鞋的减震性能。

Total air结构气垫通常也被称为巨无霸气垫，也可以看成是Max air的加强版，气垫的容量和分布面积更大，遍布全掌，性能和Max air无异[6]。多用于内线篮球鞋，适合大体重人群或者一些后脚跟有伤弹跳又比较好的人，可以提供优秀的吸收震动的效果。

1.1.2 材料减震

Phylon材料减震其实就是EVA演变而来经过二次发泡的鞋底[7]。与一般的EVA材料相比，Phylon 材料更轻便、更有弹性，能够为运动员提供更好的缓震性能，一般用来组合气垫使用。单纯使用Phylon 材料制备的篮球鞋脚感偏硬，虽然能够提供足够的减震性能，但舒适度方面不如气垫球鞋或者采用Sole材料制备的篮球鞋。

Cushlon材料减震有点类似Phylon升级以后的版本，可单独使用[8]。Cushlon 材料减震性能优于Phylon，但是与其他的高分子材料如非牛顿流体材料相比，Cushlon 材料减震性能一般，舒适度也不佳。仅有部分篮球运动鞋如KOBE系列使用这种材料进行篮球鞋底制备，一般多用于跑鞋、登山鞋等。

非牛顿流体材料，主要指的是利用某些材料具备的非牛顿流体效应制备篮球鞋或鞋垫，从而为篮球运动员提供极为优异的非冲击状态下的支撑性和冲击时的减震性能等[9]。无论是直接用在球鞋鞋底还是拿来当做鞋垫，非牛顿流体均能够为运动员提供良好的使用性能。实际上非牛顿流体材料也是由EVA演变而来，其应用原则并没有改变。即利用一种轻软有弹性的材料，在运动员足部面临冲击时提供足够的缓冲等。但是，由非牛顿流体材料制备而成的篮球鞋一旦被划伤，往往容易导致鞋体整个报废，使用时需要格外注意。另外，非牛顿流体材料强调即踩即走，不需要磨合，

发泡材料，篮球鞋中底缓震材料常用的发泡材料主要两种：E-tpu发泡材料;Pebax发泡材料[10]。E-tpu发泡材料是在热塑性聚氨酯弹性体（TPU）的基础上形成的，主要通过改变TPU结构重组得到的高回弹泡沫颗粒的新型TPU发泡材料，即热塑性聚氨酯（E-tpu）是由无数个弹性十足、质量很轻的TPU发泡小球集结在一起形成的一种新型高分子材料。Pebax发泡材料鞋底则是利用一种由刚性聚酰胺嵌段和软聚醚嵌段组成的，具有极高性能热塑性的嵌段共聚物制备而成的篮球鞋底。该材料保持延续了传统概念中将聚酰胺相关的韧性和聚醚的弹性相结合。在反复弯曲过程中，Pebax弹性体可以提供极其高效能量回收。穿着Pebax发泡材料中底技术鞋款可以将能量损耗系数降到更低，且拥有极强的抗冷冲击性。

本文所采纳的实验材料均来自于市场销售的篮球鞋，研究不同材质篮球鞋底结构对运动员下肢减震能力的作用。本次实验共采用国内外3家不同篮球鞋制造商出品的相同价格区间的鞋子，分别命名为实验Ⅰ（结构设计搭配EVA鞋垫）、Ⅱ（人造化工材料/橡胶）和Ⅲ（橡胶材料）。3种不同结构型号的鞋子，所特有的减震技术分别为芯技术、气垫、缓震胶。其中，芯技术主要是将热塑性弹性体（TPE）颗粒等吸震材料加工成吸震球分别安装于鞋子的前掌和脚后跟部位，再添加其他的辅助材料加以巩固，使其具有更好的减震作用，同时在鞋子的上层还配有EVA鞋垫;氣垫，其外底为人造化工材料/橡胶，中底有部分EVA 材质，在前掌部位设置有气垫;缓震胶，使用橡胶与部分EVA 组成的避震结构，通过结构性减震的方式来提供减震性。以上鞋款均来自特许零售商专柜，选择尺码为42 码，鞋子均为全新鞋，不将大底与中底分开，将全鞋视为一体。

1.2 实验仪器

减震试验机GT-KA04（泉州市杰斯特仪器设备有限公司）为该试验的主要实验仪器。选择实验物体的质量约为8.5 kg，在控制器输入能量（5 J、7 J）的情况下，将其从不同的高度进行下落来撞击篮球鞋的底部和后跟部位。由固定在铅球上的加速规，测量撞击过程中的撞击力峰值和G值两个不同参数，以此来评估其减震性能。

1.3 实验方法与步骤

本实验的测试主要以材料为基准，根据国际上惯用的英国SATRA标准来进行操作，选择质量约为8.5 kg的重物来进行下落撞击实验。将重物从不同的高度抛出，使其下落撞击篮球鞋后跟部位，对不同材质的篮球鞋进行多次试验，并计算出其最大撞击力峰值及G值。分析出减震作用较弱的一双篮球鞋，以其作为基准来计算不同撞击能量下，其他材质篮球鞋的各类数值及减震效果。

（1）实验步骤一：使用GT-KA04撞击各材质篮球鞋鞋底，并不断变换撞击能量（5 J、7 J）。此时，保持GT-KA04与鞋底之间的高度是相对静止状态下产生的冲击，因此需要将GT-KA04的撞击高度设定为0 mm。

（2）实验步骤二：利用减震试验机的装机器在不同能量条件下对鞋底进行撞击，按照撞击能量由低到高的排序对各个撞击能量参数条件下鞋底所受到的有效撞击数据进行收集，收集次数设定为3的整数倍;撞击与撞击之间的时间间隔设定为120 s;在完成撞击实验的数据获取以后，更换下一组实验材料。

（3）实验步骤三：对实验获取的数据进行处理并进行对比分析，选择合适的指标体系用于进行实验Ⅰ至Ⅲ材料减振性能的表示（见图1）。在图1中，横坐标为实验Ⅰ至Ⅲ材料面对相同冲击参数时产生的变形位移，左右侧纵坐标分别为力值、能量值。由图1中各材料的变化曲线可知，在篮球鞋底与撞击头进行接触时，鞋底受到的冲击力均是逐渐增大的态势，随着冲击力的增大，鞋底因受到外力作用而产生的变形位移也越来越大;当冲击力达到最大时，这一变形位移逐渐也达到最大。随着撞击头逐渐脱离与鞋底的接触，鞋底的变形位移、所受冲击能量等逐渐开始减小至为零。

2 结果与分析

2.1 减震性能的差异性分析

实验将不同材质的篮球鞋采用撞击力峰值及G值机对运动员下肢减震作用研究。根据相关研究可知，在相同撞击力的条件下，撞击力峰值及G值越小，表明篮球鞋底结构对运动员下肢的减震作用越好。该实验在撞击能量与篮球鞋的变化下，来比较撞击力峰值及G值的变化，结果如表1和表2所示。

由表可知，随着撞击能量的增加，最大撞击力峰值及G值也呈递增模式。由此可知，篮球鞋所产生的撞击力随撞击能量的增加而增加。在撞击能量为5 J和7 J的情况下，篮球鞋的减震性排序为材质Ⅰ>材质Ⅱ>材质Ⅲ。

2.2 减震性能的衰减率分析

该实验中，撞击力峰值及G值最大的为材质Ⅲ。以材质Ⅲ作为基准，根据相同撞击力下的最大峰值和G值来計算材质Ⅰ和材质Ⅱ最大撞击力峰值和G值的降低比例，如表3和表4所示。在撞击能量为5 J的情况下，检测出材质Ⅰ和材质Ⅱ的最大撞击力峰值及G值均比材质Ⅲ小，分别小13.83%、15.69%和1.56%、7.83%。由此可知，在不同材质Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的篮球鞋中，对运动员下肢减震效果上材质Ⅰ和材质Ⅱ优于材质Ⅲ组。当撞击能量为7 J时，材质Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组的篮球鞋最大撞击力峰值及G值的减小率不同，但趋势相同。因此，在撞击能量不同的时，材质Ⅰ和材质Ⅱ组的最大撞击力峰值及G值随撞击能量的增加而增加，但是与Ⅲ相比，材质Ⅰ和材质Ⅱ的最大撞击力峰值机G值呈降低趋势。

由下表可知，当比较最大撞击力峰值时，无论撞击能量为5 J还是7 J，材质Ⅰ和材质Ⅱ的最大撞击力峰值均低于材质Ⅲ。与材质Ⅲ相比，在实验中材质Ⅰ和材质Ⅱ的最大撞击力峰值随撞击能量的变大而呈递减模式，说明其撞击能量越高;与材质Ⅲ相比，材质Ⅰ和材质Ⅱ的篮球鞋对运动员下肢减震的作用最佳。综合上表数据分析可知，材质Ⅰ的篮球鞋属于该实验中最能降低撞击力的篮球鞋，在撞击能量分别为5 J和7 J时，材质Ⅱ的篮球鞋在实验数据上与材质Ⅰ的篮球鞋存在差距，由此可知材质Ⅱ的篮球鞋在后跟部位的减震作用比材质Ⅰ的篮球鞋低;而材质Ⅲ的篮球鞋减震作用小于材质Ⅱ的篮球鞋。因此不同材质篮球鞋底结构对运动员下肢减震作用大小排序依次为材质Ⅰ、材质Ⅱ、材质Ⅲ。

从篮球鞋的结构来分析，材质Ⅲ的篮球鞋鞋底是由橡胶材质所构成，而在减震材料中，橡胶材料的减震效果较差，因此材质Ⅲ的篮球鞋减震效果不佳;材质Ⅱ的篮球鞋多由人造化工材料/橡胶构成，其主要目的是为了抗摩擦，中底设计了避震结构（EVA配合部分中空设计），因此可以起到一定的减震效果，较材质Ⅲ的篮球鞋减震效果较好;材质Ⅰ的篮球鞋通过结构设计和EVA鞋垫来配合减震，同时在鞋子的前掌和脚后跟设计了吸震材料做成吸震球，上层再EVA鞋垫，因此材质Ⅰ的篮球鞋对运动员下肢减震作用上效果最佳。

3 结语

（1）通过对不同材质的篮球鞋进行撞击实验得出最大撞击力峰值及G值的变化数据，根据数据分析可知，不同材质篮球鞋底结构对运动员下肢减震效果大小依次排序为：材质Ⅰ、材质Ⅱ、材质Ⅲ。

（2）随撞击能量的增加，材质Ⅰ、材质Ⅱ和材质Ⅲ的篮球鞋其最大撞击力峰值及G值也呈递增趋势。当进行不同材质间的篮球鞋比较时，在后跟部位的最大撞击力峰值及G值比较中，篮球鞋大小排序依次为材质Ⅲ、材质Ⅱ、材质Ⅰ。以材质Ⅲ为基准，材质Ⅱ的最大撞击力峰值减小率为1.56%～4.41%，材质Ⅰ最大撞击力峰值减小率为9.08%～13.83%;材质ⅡG值减小率为5.82%～7.83%，材质ⅠG值减小率为11.67%～15.69%。因此，材质Ⅰ的芯技术在篮球鞋后根部设计中有较高的避震能力，能减轻运动员下肢的震感，降低运动伤害的产生。

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