摘要:压力舒适性是运动鞋的评价指标之一,然而少有针对运动鞋鞋面压力相关研究的总结。从鞋面压力的影响因素、测量手段和对运动鞋性能的影响几个方面进行了综述,旨在深入分析鞋面压力与运动鞋穿着舒适性的关系,鞋面压力对运动损伤和运动成绩的影响,并通过文献综述展望未来的研究方向,以期为设计师从事运动鞋设计和消费者正确选择运动鞋提供参考。
关键词:运动鞋;鞋面压力;生物力学
引言
运动鞋是体育运动中的重要装备之一,20世纪中叶以来,运动鞋的研究与生物力学相互结合,以提高运动成绩、预防运动损伤为目标,对运动鞋的材料、结构进行不断改进。随着材料科技的不断进步,消费者对运动鞋的功能需求不断提高,运动鞋在造型、结构、材料和工艺等方面均得到了长足发展,从而衍生出各种类型的专业运动鞋,现在运动鞋的种类还在不断细分。
运动鞋的生物力学研究结果表明,通过改变鞋底后跟厚度[1-2]、帮面结构、帮面材料[3]、系带方式[4]以及鞋垫材料与厚度[5]能够影响足底压力分布、帮面压力分布以及鞋的舒适度。鞋内压力测量可以为提高运动鞋穿着舒适性、预防运动损伤提供有价值的参考。研究表明,足底和足背的舒适感与脚部各区域的峰值压力有关[6],其中鞋面对足背的压力能够表征脚与鞋子形状的匹配程度[4,7]。越来越多的研究者开始重视鞋面压力对足部舒适性的影响,然而并未有针对鞋面压力相关研究的系统性评述。因此,本文旨在探讨鞋面压力对运动鞋各项性能的影响,综述其与预防运动损伤、运动性能和舒适性关系的研究现状,并对研究前景进行展望。
1鞋面压力的影响因素
鞋面压力指的是鞋帮面部位与足部接触而产生的压力,鞋面压力的大小会影响人体的感知舒适性[4,8-10],同时也会影响运动表现[4]。前人研究结果表明,运动鞋结构、系带方式、帮面材质和鞋楦尺寸均会影响鞋面压力的大小。
1.1运动鞋结构
为了满足不同情境下的穿着需求,设计者会对鞋子结构进行差异化设计,这种鞋子结构的差异会产生不同的鞋面压力。阮果清等人[11]在有关不同运动鞋鞋面压力影响的研究中发现,网球鞋跖趾关节外侧部位受力显著高于篮球鞋和跑鞋,在QichangMei等人[12]的研究中报道了穿着跑鞋时第五跖趾关节外侧位置平均压力((8.0±4.7)kPa)明显小于篮球鞋((21.5±11.5)kPa)与网球鞋((33.3±26.6)kPa)。其原因可能是为满足鞋子在不同动作及环境下的穿着需求,设计师对运动鞋结构进行差异化设计。与网球鞋和篮球鞋相比,跑鞋对于脚的束缚较小。而网球鞋与篮球鞋的设计需要结合运动特性,在结构上使鞋面与跖趾关节之间的接触十分紧密,以减少足部相对于鞋面或鞋底的相对运动,这种紧密接触使在运动时篮球鞋与网球鞋帮面对该部位产生的压力显著高于跑鞋。在足球比赛中,传球和射门的精度对于取得比赛胜利至关重要,这些动作通过运动员足部与足球的频繁碰撞完成。优化足球鞋帮面结构与材质,可以使脚与足球碰撞时足背区域压力分布更加均匀,研究表明减小鞋面压力梯度,使碰撞时接触区域压力更均匀分布,能够提高踢球的准确性[13]。
1.2鞋面材料特性
研究表明,鞋面的材料特性也是鞋面压力的重要影响因素,鞋面压力峰值与材料刚度有关,材料越坚硬(杨氏模量越高)其鞋面压力峰值越大[14]。在RuperezMJ[15]的一项研究中,通过在足部表面放置14个传感器,测量了5双不同鞋面材料鞋子的鞋面压力,这5种材料的杨氏模量逐渐递增(最小杨氏模量8.616MPa,最大杨氏模量126.085MPa)。结果表明在第五跖趾关节和小趾部位,硬质鞋面材料(即弹性模量大)的鞋子在穿着时会产生更高的鞋面峰值压力。
1.3鞋楦设计
鞋楦是鞋的母体,是鞋子的成型模具。鞋楦的不同设计会使成鞋内腔尺寸有所差异,这种差异会对穿着时鞋面压力产生影响。AlexisHerbaut等人[8]对比了3种鞋楦对儿童网球鞋鞋面压力的影响,这3种鞋楦分别为薄鞋楦、中等鞋楦、宽鞋楦,宽鞋楦比薄鞋楦的跖骨宽度大4mm、跖骨围长大14mm、后跟宽度大4mm,中等鞋楦比薄鞋楦的跖骨围长大7mm,其余尺寸基本一致。结果表明鞋楦尺寸差异对第1跖骨外侧、舟状骨、足跟内侧、第五跖骨外侧和足跟外侧的压力有显著影响(P<0.05)。宽鞋楦比另两种鞋楦生产的鞋子更宽,在前足、中足和后足部位产生的鞋面压力更小。
1.4系带方式与鞋带松紧度
穿着者通过选择系带方式、调整鞋带松紧改变足背区域的鞋面压力大小,提高穿着舒适性。在MarcoHagen[4]的一项研究中对比了3种系带方式(如图1所示)与3种鞋带松紧程度对鞋面压力的影响,3种系带方式均是经验丰富的跑步者和生产厂商所推荐的,“REG6”和“TIGHT6”为常见的之字形系带方法,“ALL”系带方式为依次从第6个,第5个,第7个同侧鞋孔外侧拉出鞋带,然后穿过最后两个鞋孔之间鞋带形成的环,“A57”与“ALL”的不同之处在于鞋带没有穿过第6个鞋孔。结果表明,不同的系带方式对鞋面压力具有显著影响,使用A57的系带方法,系鞋带时去掉第6个鞋孔后距骨、舟状骨和内侧楔骨的鞋面压力峰值显著降低,研究结果还显示鞋带越紧鞋面压力越高。
此外,动作类型也是影响鞋面压力的因素之一。通过对鞋面压力影响因素的总结,发现还没有研究者对比进行不同动作时鞋面压力的差异。不同运动的特征动作不尽相同,例如篮球运动的跳跃投篮动作、足球运动的运球射门动作等,未来的研究可以针对这些特征动作进行进一步研究,了解不同动作条件下鞋面压力的差异,为鞋靴设计提供参考。
相关期刊推荐：《西部皮革》是国内外公开发行的皮革行业综合型科技期刊，刊期为半月刊。主要报道制革、皮化、皮化原料、皮机、环保检测制鞋、鞋楦、鞋机、鞋饰五金及鞋用材料及皮革制品及相关行业信息等内容。是一份深受全国鞋革行业广大读者欢迎、在国内颇具影响的刊物。
同时,前人在研究鞋带对鞋面压力的影响时也存在一定的局限性,研究者在研究中设置的鞋带松紧程度十分宽泛,只是通过受试者主观感受设定鞋带松紧程度,没有使用测量仪器对鞋带松紧程度进行客观的精确量化,也缺乏对运动过程中的鞋带松紧程度的动态记录。
2鞋面压力的测量仪器
测量脚背的压力的研究很少,这可能是因为大多数压力测量系统都适用于评估静止、行走、跑步或其他活动中足-鞋界面和鞋-地界面之间的相互作用,而不适用于测量足背侧的压力。如表1所示,现有的能够测量鞋面压力的仪器以形态进行分类,有覆盖整个足背的整体片状传感器(图2)、袜套状传感器(图3)和覆盖特殊标志点的独立片状传感器(图4)等类型。整体片状压力传感器覆盖面积大,能够覆盖整个足背或测量鞋面对足背产生的压力。但由于其不能弯折的原因,测量部位会受到足部形状限制。袜套状的压力传感器是一只装有压力传感器的袜子。其优点是在使用时对受试者的限制小,测量过程中传感器不易被察觉,受试者可以更自然地行进。独立片状类型传感器由几个单独的传感器构成,使用时贴合在足背区域的特殊位置,进行鞋面压力采集与分析。此类测量仪器的优点十分明显,能够准确测量点位点的压力值,表征足背多个标志区域的压力,但存在覆盖面积较小、测试中位置容易移动等缺点。
3鞋面压力对运动鞋舒适性的影响
3.1运动鞋舒适性
舒适性是人们对客观环境从生理和心理方面进行的综合评价。运动鞋舒适性受其材料特性、内部气候、美观性和合脚性的影响[16]。相关研究将运动鞋舒适性与足底压力分布[17-19]、鞋面压力分布[4,8-10]、垂直冲击力[19-20]、脚和腿的形状和对齐方式[21-22]和足部敏感性[23-24]联系起来,其中鞋面压力分布能够用于表征鞋与脚的契合度[25]。
3.2舒适度感知的量化方法
鞋的舒适性并不能被直接测量,因此研究者通过间接的测评量表来评估鞋的舒适度。在有关鞋舒适性的影响研究中,大多使用7分或15分制感知量表和连续视觉模拟量表。连续视觉模拟量表(visualanaloguescale,VAS)已被证明是一种可靠的主观舒适度测量方法[9,26-28],使用时必须清楚地划定VAS的端点(例如,左端标记为“一点也不舒服”,右端标记为“可以想象的最舒服的状态”),最佳长度为100mm或150mm,受试者通过截取线段长度来表征舒适度。VAS的比例特性允许通过其量化两种或两种以上鞋的舒适性差异。另外一种方法为Borg评分量表,设定的7~15个分数来量化舒适度感知[4,22,26,29-30],通过设定评价项目名称,选择序数大小来评判舒适度高低。由于序数本身的离散间距,很难检测到条件之间的微小差异。与之相比,VAS量可以表很容易并且较为准确地获得舒适度评价结果。
3.3鞋面压力与运动鞋舒适性关系
压力分布与主观舒适感受的关系十分明显[31],在一定压力范围内两者呈负相关性关系。相关文献研究了不同条件下鞋面压力与舒适性之间的关系,如表2所示,研究者探究了鞋带松紧[4,9]、系带方式[4]、运动鞋类型[9-10]等条件下穿着运动鞋时鞋面压力与舒适性的关系,研究表明减小鞋面压力,能够提升舒适度。
经过文献分析,笔者发现:在研究鞋面压力与舒适性的关系时,研究者很少考虑实际运动中疲劳前后人体感知的差异。其记录的舒适度感知是建立在短时间运动所产生的即时的感知上,并不能表征在长时间运动中鞋面压力与舒适性的关系。在将来的研究中应考虑疲劳状态时人体骨骼、肌肉、组织和感知水平可能发生的变化。
4鞋面压力对运动损伤的影响
人们在体育运动的训练和比赛中可能会出现各种的急慢性损伤,称为运动损伤。运动损伤的发生原因是多方面的,运动鞋是影响因素之一。SergioAntonioPuigcerver[32]进行了一项有关足球运动时鞋面压力变化的研究,该研究结果表明:足球比赛射门时运动员舟状骨和楔形骨周围是压力较高的区域,这与足球运动员跗跖关节损伤的高发生率相一致。在运动中产生的一些慢性损伤被认为与鞋面压力相关,鞋面压力的长期不适可能会引起老茧、鸡眼等慢性损伤,甚至可能会导致更为严重的皮肤问题[33]。
此外,MarcoHagen等人[4]设置了4种系带模式,受试者依照主观感知分别将鞋带调整至松、适中、紧的状态,分别进行测试,结果表明:特殊的7孔系带方式具有更好的穿着舒适性,更紧的鞋带虽然使鞋面压力增大但是能够提高稳定性,降低运动损伤风险。可见鞋面压力对运动损伤的影响与运动鞋穿着情景有关,在实际应用中应考虑舒适性与预防运动损伤之间的平衡性。在短时剧烈运动中可以适当提升鞋面压力,增强感知、提升稳定性,降低急性损伤几率,而在相对平缓但是时间较长的运动中则可以降低鞋面压力,减少慢性损伤。
5鞋面压力对运动成绩的影响
与大众体育运动相比,竞技体育中运动员对运动鞋的需求不仅仅是舒适性和预防损伤,运动员更希望运动鞋能够有助于提高自己的运动成绩。显然,舒适性与运动员的表现有关,在短时间的运动表现情况下,运动员能够应对一定程度的不适,但长时间的不适状态很可能会影响运动员的表现[34]。而在一项有关足球运动的研究中,研究者发现可以通过改变鞋面结构改善鞋与球碰撞时鞋面压力的不均匀性,提高踢球的准确性[13]。——论文作者：晏彪1,弓太生1,汤运启2,魏书涛3,王志康2,张移帆2
