三类经典跑鞋的鞋底对人体行走中足底力值变化的影响
郑之钦，石晗生，熊峰
（三峡旅游职业技术学院 马克思主义学院，湖北 宜昌 413111）
摘 要：文章通过足底压力测量系统测量三类经典跑鞋的鞋底对人体行走中足底力值变化的影响，探究其差异性。结果表明，穿着Nike Vaporfly跑鞋行走时足底接触面积最大，该跑鞋较Nike Air Structure跑鞋和Adidas Boost跑鞋可提供更好的缓冲效果，在撞击时减弱震动、降低冲击力；Nike Air Structure跑鞋内外侧力值较均衡，步行过程中足部的内外翻差距不大，稳定性较另外两款跑鞋好。该工作可为鞋类制造商优化制鞋工艺及运动员突破极限提供一定的理论依据，同时为马拉松爱好者选购跑鞋提供参考依据。
关键词：跑鞋；行走；足底压力
Influence of the Soles of Three Types of Classic Running Shoes on the Change of Plantar Force during Walking
ZHENG Zhiqin, SHI Hansheng, XIONG Feng
(School of Marxism, Three Gorges Tourism polytechnic College, Yichang 413111, China)
Abstract: The impact of the soles of three classic running shoes on the changes in plantar force during walking was measured by a plantar pressure measurement device. The results show that when walking in Nike Vaporfly running shoes, the contact area of the sole is the largest. This running shoe can provide better cushioning effect than Nike Air Structure running shoes and Adidas Boost running shoes, reducing vibration and impact force during impact. The Nike Air Structure running shoes have a relatively balanced internal and external force, and there is not a significant difference in the flipping of the feet during walking, thus this shoe has better stability than the other two running shoes. This work can provide a theoretical basis for shoe manufacturers to optimize shoe making processes and athletes to break through their limits, while also providing reference for marathon enthusiasts to choose shoes.
Keywords: running shoes; walking; plantar pressure
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第一作者简介：郑之钦（1995.12－），男，土家族，湖北宜昌人，硕士，研究方向为运动人体科学、运动生物力学，847299859@qq.com。
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引言
随着科学技术的发展，鞋类设计中与功能相关的材料在不同程度上被一次次地更新，现在越来越流行提倡轻便和舒适的运动鞋。现代马拉松跑鞋在开发中使用的结构和工程技术（例如缓冲、稳定性和极简跑鞋）等改良设计影响着人体生物力学特性，有助于防止运动损伤[1]，为了跟上不断变化的趋势和发展技术，在跑鞋中添加或改进各种材质以研发各种功能（鞋面透气性、前掌弯曲刚度、脚跟到脚趾的高度差、扭转弯曲刚度和减压缓冲性）鞋成为现代跑鞋的研究热点[2]。Nike公司在马拉松跑鞋方面的研发处于全球领先地位，其旗下的Nike Vaporfly和Nike Air Zoom Structure跑鞋独特的设计使Nike公司收获了一大批粉丝。同样，Adidas公司于2013年使用了由德国化学公司巴斯夫开发的热塑性聚氨酯（TPU）胶囊新型缓冲材料，Adidas公司将其命名为Boost，相关研究证明它可提供更稳定的运行，不易产生较大变形[3]。其他制鞋商们迅速效仿，引发了当前的泡沫缓冲热潮。与传统的跑步损伤模型一样，虽然有大量的研究探讨了不同鞋型对这些参数的影响，但只有少量的研究探讨了不同类型的跑鞋如何影响足部和下肢生物力学。因此，本文旨在探究穿着三类经典跑鞋行走中足底力值变化，探究其差异性，为鞋内制造商进一步探究增强运动鞋技术、优化制鞋工艺及运动员突破极限提供重要的理论依据。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象
本实验选取4名业余马拉松跑者参与完成本次实验，年龄23.2±3.8岁，身高170±3.5 cm，体重70 kg，鞋码为42码，跑步为后脚跟着地，且10公里跑在45分钟左右。研究对象需要满足以下要求：受试者在整个测试期间保持其通常的饮食摄入量并避免饮酒；没有下肢手术史；试验前1个月内无严重的骨骼肌肉、关节疾病；在实验正式开始之前为受试者讲解相关实验要求、测试动作要求和实验流程等。受试者在实验前均签署知情同意书。
图1 实验用鞋（从左到右依次为Nike Vaporfly、Nike Air Structure、Adidas Boost）
1.2 研究方法
采用Emed-pedar系列鞋垫式足底压力测量系统（德国Novel公司研发）。采集频率为100 frame/sec，配备不同型号的鞋垫。Pedar控制盒最快扫描速度为20 000次/秒，当分布于两只鞋垫上的所有198个传感器同时工作时，最高采集频率为100 Hz。分析软件为足底力系统自带的测量分析系统管理软件。
根据前人研究，在Emed-pedar足底压力测量采集系统将足底分为外侧区与内侧区，同时又将足底这两部分分为9个区域，即足跟内侧（M01），足跟外侧（M02），足弓内侧（M03），足弓外侧（04），第一跖骨（M05），第2、3跖骨（M06），第4、5跖骨（M07），第1趾骨（M08），第2-5趾骨（M09），如图2所示。
图2 足底分区
从实验开始至结束穿着跑鞋采集足底峰值压强每5 min取一次数值，共计取12次，用后一次的数值减去前一次的就可以得到足底峰压强的变化值，观察变化值可以看出不同阶段足底不同区域里的变化。所采集的数据进行多配对样本的非参数检验（Friedman检验）。
2 研究结果分析
2.1 足底压力分区
受试者穿着不同类型的马拉松跑鞋于跑步机上以1 m/s速度行走，数据每5 min记录一次，共记录12组数据，多配对样本的非参数检验（Friedman检验）的研究结果显示，穿着不同类型的马拉松跑鞋（Nike Vaporfly、Nike Air Structure、Adidas Boost）行走时，最大力值、峰值压强、冲量等在足弓外侧（M04），第2、3（M06）跖骨，第4、5跖骨（M07），在第1跖骨（M05）区域，第1趾骨（M08）及第2-5趾骨（M09）区域存在显著性差异（P＜0.05），经过事后两两比较发现在M04、M06、M07、M08、M09区域NA与NV、NA与AD、NV与AD存在显著性差异（P＜0.05），在M05区域NA与AD存在显著性差异。而在M05区域足底接触面积存在显著性差异（P＜0.05），经过事后两两比较，发现NA和AD存在显著性差异（P＜0.05）。
2.2 穿不同鞋的力学分析
2.2.1 穿着三类马拉松跑鞋步行过程中的足底压强
从图3中可以看出Adidas Boost由于初始值较高，5 min后开始下降，在第20 min下降到整个过程的最小值，随后有所上升，后面基本变化不大，整个过程趋势较为平缓。但Nike Vaporfly和Nike Air Structure整体都呈缓慢增长的趋势。从整体观察三双鞋的整体趋势是上升的，且足底压强值Adidas Boost＞Nike Air Structure＞Nike Vaporfly。
图3 穿不同类型的马拉松鞋步行过程中足底压强
2.2.2 穿着三类马拉松跑鞋步行过程中的足底接触面积
研究结果显示，Nike Vaporfly的第一跖骨负重比例约占全部跖骨的37.21 %，Nike Air Structure 的第一跖骨负重比例约占全部跖骨的43.43 %，Adidas Boost第一跖骨的负重比例约占全部跖骨的35.46 %。比较三双鞋的足底接触面积，可以看出Nike Vaporfly和Nike Air Structure 接触面积相差不大，二者均在第5 min开始增加，随后基本无变化，而Adidas Boost的总体接触面积最少，35 min时面积达到最大，随后缓慢下降，整体呈现“升高-下降”趋势。从图4中可看出接触面积Nike Vaporfly＞Nike Air Structure＞Adidas Boost。
图4 穿不同类型的马拉松鞋步行过程中足底接触面积
2.2.3 穿着三类马拉松跑鞋步行过程中的足底冲量
结果显示，Nike Vaporfly与Nike Air Structure冲量的初始值较小，而后逐渐增大，Nike Vaporfly在30 min开始后逐渐趋于稳定，Nike Air Structure到35 min达到最大，而后稍有降低，但35 min后整体冲量趋于稳定。Adidas Boost在开始阶段冲量值较大，整体趋势基本保持不变。三者之间进行比较，冲量值呈现Adidas Boost＞Nike Air Structure＞Nike Vaporfly。
2.2.4 穿着三类马拉松鞋步行过程中的足内侧、外侧力值
足底压力测试系统可将足底分为外侧区和内侧区，研究结果显示在足的外侧区。研究结果显示Nike Vaporfly与Nike Air Structure足内侧力整体呈上升趋势，而Adidas Boost足内侧力值上下波动，整体力值较Nike Vaporfly与Nike Air Structure力值小；穿着三类马拉松跑鞋步行测量的足外侧值三者均呈整体上身趋势，Adidas Boost与Nike Air Structure的整体力值较Nike Vaporfly大。从足的整体区域来看，三款跑鞋中Adidas Boost内侧力值小，外侧力值偏大；Nike Vaporfly 内侧力值较大于外侧力值；Nike Air Structure内外侧相对较均衡。
压力分布在所有跑鞋和足部所有区域上，在每种跑鞋中，压力分布有不同的趋势。穿着三类马拉松跑鞋在步行过程中足底足弓外侧（M04），第2、3跖骨（M06）、第4、5跖骨（M07），第1趾骨（M08）、第2-5趾骨（M09）区域的最大力值、峰值压强、冲量都存在一定的差异，在第一跖骨（M05）区域只显示NA与AD存在差异。随者时间的增长，由于穿鞋会改变足部脚弓的曲度，导致足弓呈塌陷状，因此会造成足底压强增加。三种跑鞋中Adidas Boost压强最大，这也和足底的接触面积有关，由于长时间的行走，导致足弓承受的负荷逐渐累积增加，足底肌及小腿肌开始发挥代偿作用[4]，从而导致足底接触面积发生改变。
足底冲量的分布被定义为一个物理量，它是每个单位冲量的大小乘以它到足底冲量中心的距离的平方所形成的所有乘积的总和[5]。冲量代表了足底各区域在一定时间内所受到的力的连续作用而产生的一种累积效应。Adidas Boost跑鞋较Nike Vaporfly跑鞋和Nike Air Structure跑鞋鞋底更硬，足触地过程所受的压强大，因此导致冲量大。同时，Nike Vaporfly跑鞋中底采用了弹性泡沫，增加了接触时间，能够有效缓冲足触地过程中的力，较软的中底可以降低冲击力。从足的整体区域来看，三款跑鞋中Adidas Boost内侧力值小，外侧力值偏大，易产生较小内翻；Nike Vaporfly 内侧力值较大于外侧力值，易产生较小外翻；Nike Air Structure内外侧相对较均衡，稳定性更好。
跑步中，脚踝是传递压力的关键部位，其所承受的压力达到三倍体重[6]，大多数高水平跑者采用前脚掌先落地，穿着Nike Vaporfly跑鞋时，其缓冲作用较另外两款跑鞋更明显，这对于脚踝力量的要求较高，而专业马拉松跑者的脚踝力量较普通跑者更强，控制能力更好，因此，在选用跑鞋的时候，专业马拉松跑者可选购Nike Vaporfly跑鞋，业余跑者可选购Nike Air Structure跑鞋或Adidas Boost跑鞋。
3 结论与建议
Nike Vaporfly跑鞋较Nike Air Structure跑鞋和Adidas Boost跑鞋可提供更好的缓冲效果，并在撞击时减弱震动，降低冲击力，增大足底与地面的接触面积；Nike Air Structure跑鞋内外侧力值较均衡，步行过程足部的内外翻差距不大，稳定性较另外两款跑鞋更好。专业马拉松运动员可选购Nike Vaporfly跑鞋，业余马拉松爱好者可选购Nike Air Structure跑鞋。
参考文献：
[1]LAFORTUNE M. The role of research in the development of athletic footwear[J]. Korean Journal of Sport Biomechanics,2002,12(02):407-415.
[2]PolePole.足·够能量阿迪达斯BOOST科技改变你的运动生活[J].中国服装,2015(04):14-19.
[3]DAY S M, THOMPSON P D. Cardiac risks associated with marathon running[J]. Sports Health, 2010,2(04):301.
[4]HUNTER S K, JOYNER M J, JONES A M. The two-hour marathon: What’s the equivalent for women?[J]. Journal of applied physiology,2015,118(10):1321-1323.
[5]JOYNER M J. Modeling: Optimal marathon performance on the basis of physiological factors[J]. Journal of applied physiology,1991,70(02):683-687.
[6]IAAF.FLASH: Kipchoge breaks marathon world record in Berlin with stunning 2:01:39[Z].Archived from the original on 18 February 2019, Retrieved 16 September,2018.
原载：《西部皮革》杂志2023年5月第10期
