運(yùn)動(dòng)鞋屈曲剛度對(duì)舒適性及短跑表現(xiàn)的影響

萬祥林，曲 峰

1 前言

舒適是消費(fèi)者對(duì)鞋的主要要求之一，提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)一直是運(yùn)動(dòng)科學(xué)界研究的一個(gè)重要方向，世界各國的研究人員都在投入大量的人力和物力進(jìn)行深入的測(cè)試和研究。對(duì)于人體來說，要提起足跟，跖趾關(guān)節(jié)必然會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，因此，跖趾關(guān)節(jié)對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)來說不容忽視。鞋的屈曲剛度是指使鞋前掌繞跖趾關(guān)節(jié)處彎曲單位轉(zhuǎn)角所需施加的力矩，反映鞋彎曲的難易程度。運(yùn)動(dòng)鞋前掌部位因材料、厚度、結(jié)構(gòu)等不同造成其屈曲剛度的變化。然而，屈曲剛度的改變?nèi)绾斡绊懘┲叩氖孢m性和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)一直沒有明確答案。

已有研究發(fā)現(xiàn)，鞋底的屈曲剛度特征的確會(huì)影響穿著舒適性及跑、跳的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。張遠(yuǎn)才［1］發(fā)現(xiàn)，鞋前掌易彎折性會(huì)影響穿著舒適性，但并非彎折力值越小，感受到的易彎折舒適性就越好，因其測(cè)試用鞋各部位結(jié)構(gòu)和材料均不一樣，作者提到如鞋幫面材料等會(huì)對(duì)舒適性造成影響，因此，想要了解鞋的屈曲剛度如何影響舒適性和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，就要盡可能的做到只改變鞋屈曲剛度這一個(gè)特性，而保證鞋的其它部分一致。Stefanyshyn［18］發(fā)現(xiàn)，穿著較大屈曲剛度鞋的受試者平均跳高了1.7cm，短跑成績提高了1.2%［17］，Roy［16］發(fā)現(xiàn)，提高鞋屈曲剛度能提高變相跑的成績。

一些學(xué)者試圖從關(guān)節(jié)能量的角度來分析鞋屈曲剛度影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的原因，Stefanyshyn和 Nigg［18］發(fā)現(xiàn)，鞋底屈曲剛度增加可使縱跳時(shí)跖趾關(guān)節(jié)能量流失顯著減少。而Roy［16］則發(fā)現(xiàn)，增加鞋屈曲剛度沒有明顯影響跑步經(jīng)濟(jì)性，跖趾關(guān)節(jié)的負(fù)功并沒有顯著變化。

人體通過神經(jīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制并最終依靠肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的力（或力矩）來完成動(dòng)作，人體的機(jī)械能只能是來源于肌肉。在跑、跳等動(dòng)作中肌肉活動(dòng)影響著下肢關(guān)節(jié)角度和剛度、軟組織的振動(dòng)等諸多方面，并最終影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)［15］。從機(jī)能節(jié)省化的角度考慮，在達(dá)到同樣甚至更好效果的前提下，節(jié)省不必要的肌肉活動(dòng)可以降低能量消耗，從而達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)成績和能力的目的。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋屈曲剛度影響肌肉活動(dòng)方面的研究很少，Roy［16］的研究發(fā)現(xiàn)，穿不同屈曲剛度鞋跑時(shí)，比目魚肌、腓腸肌、股二頭肌、股直肌、股外側(cè)肌的肌電振幅沒有顯著區(qū)別。同時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)中很少有鞋屈曲剛度影響穿著舒適性規(guī)律和機(jī)制的定量研究，也未見綜合分析鞋屈曲剛度如何影響舒適性及運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的文獻(xiàn)，因此，鞋屈曲剛度影響穿著舒適性和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的機(jī)制并不明確。然而，只有明確規(guī)律和機(jī)制，才能對(duì)各種運(yùn)動(dòng)鞋進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也有助于運(yùn)動(dòng)員選擇適合自己的運(yùn)動(dòng)鞋。因此，本研究試圖通過漸變鞋的屈曲剛度，探索鞋屈曲剛度對(duì)穿著舒適性及短跑表現(xiàn)的影響，并進(jìn)一步從機(jī)械能及下肢肌肉活動(dòng)等角度，分析屈曲剛度影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的原因。

2 研究方法

2.1 測(cè)試跑鞋

由專業(yè)鞋廠制作的跑步鞋3雙，42號(hào)，通過改變前掌中底材料使屈曲剛度變化，前掌厚度一致，其余部位相同，外觀無明顯差別，受試者視覺無法分辨出不同，測(cè)試用鞋見圖1。

本研究評(píng)價(jià)鞋底跖趾關(guān)節(jié)屈曲剛度的方法是將鞋頭置于測(cè)力臺(tái)（Kistler 9281CA，Switzerland，1000Hz）上，鞋立起，人手握住后跟，保持鞋后跟垂直于臺(tái)面，施加一個(gè)垂直向下的力，使鞋跖趾關(guān)節(jié)部位彎曲30°并保持3s后離開測(cè)力臺(tái)，30°為跑步時(shí)腳跖趾關(guān)節(jié)背屈的最大角度［18］。所有測(cè)試由同一個(gè)人完成，每雙鞋相同的溫度和粘彈性條件下（相同的恢復(fù)時(shí)間和測(cè)試時(shí)間）測(cè)10次。計(jì)算每一次測(cè)量保持階段中間1s的垂直力的平均值，再對(duì)10次結(jié)果進(jìn)行平均，根據(jù)力值從小到大分別將鞋命名為低剛度、中剛度、高剛度鞋（表1）。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試者按自己的習(xí)慣掌握鞋帶的松緊度。本研究的所有實(shí)驗(yàn)中受試者均著統(tǒng)一的襪子。

圖1 本研究測(cè)試用鞋圖Figure 1.The Test Shoe Used in this Study

表1 本研究測(cè)試鞋基本情況一覽表Table 1 Basic Information of the Test Shoe

2.2 受試者

男性短跑運(yùn)動(dòng)員12名（年齡為21.8±1.9歲；身高為176.9±3.6cm；體重為67.9±6.7kg），鞋碼為歐碼42號(hào)，實(shí)驗(yàn)前48h未從事劇烈運(yùn)動(dòng)，確認(rèn)其下肢及足部半年內(nèi)無明顯損傷，所有受試者優(yōu)勢(shì)腳均為右腳。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2.3.1 主觀舒適性測(cè)試

舒適性量表采用150mm視覺模擬量表，將穿完對(duì)照鞋后的感覺作為中間水平，受試者根據(jù)自己的主觀感受，在橫線上（左端代表最不舒適，為0分，右端代表最舒適，為10分）劃一條豎線表示自己對(duì)該項(xiàng)目的主觀舒適感覺程度。問題包括:1）前腳掌緩沖，2）前腳掌穩(wěn)定性，3）后跟穩(wěn)定性，4）足弓部位舒適性，5）足背舒適性，6）整體舒適性。正式實(shí)驗(yàn)前，給受試者詳細(xì)講解測(cè)試流程及問卷中題目的含義，使其了解問卷的填寫方法。在穿著每雙測(cè)試鞋測(cè)試之前，受試者先穿一雙對(duì)照鞋進(jìn)行感受，保證測(cè)試前足部主觀舒適度處于同樣水平，測(cè)試順序?yàn)镃-Ti-C-Tj-CTk（C為對(duì)照鞋，T為測(cè)試鞋，為隨機(jī)順序）。受試者按照自己的習(xí)慣完成一定的跑跳動(dòng)作，重點(diǎn)感受問卷中相應(yīng)項(xiàng)目的舒適程度，之后立即填寫舒適性量表。每個(gè)題目的滿分為10分，按受試者劃線處距橫線左端距離占整條橫線長度的百分比來確定得分。

2.3.2 足底壓力測(cè)試

采用鞋墊式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)（Novel Pedar System，Germany，100Hz）測(cè)量受試者在跑步時(shí)右側(cè)腿的足底壓力。受試者熟悉跑臺(tái)后以3.0m／s的速度在坡度為0的跑臺(tái)上勻速跑，按隨機(jī)順序完成三雙鞋的測(cè)試，每次采集步幅穩(wěn)定后3步步態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)三步數(shù)據(jù)取平均值。鞋墊根據(jù)足的解剖特點(diǎn)劃分成前掌內(nèi)側(cè)、前掌外側(cè)、足弓、足跟4個(gè)區(qū)域。計(jì)算每一區(qū)域的最大壓強(qiáng)和足底接觸面積。

2.3.3 短跑表現(xiàn)測(cè)試

應(yīng)用數(shù)字跑道（ADCP-04，中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所）測(cè)試受試者短跑表現(xiàn)。受試者充分熱身后按隨機(jī)順序穿著測(cè)試鞋，以站立式起跑在數(shù)字跑道上完成約45 m疾跑。每雙鞋測(cè)一次，每次之間充分休息。通過數(shù)字跑道的配套軟件，導(dǎo)出步速并計(jì)算受試者通過20～30m段的平均步速。

2.3.4 跑步動(dòng)作生物力學(xué)測(cè)試

受試者著泳褲，在身上貼13個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)（左／右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中點(diǎn)，右大腿前側(cè)，股骨外側(cè)髁，股骨內(nèi)側(cè)髁，脛骨粗隆，腓骨外踝，脛骨內(nèi)踝，鞋尖，鞋后幫正中、與足尖同高點(diǎn)，第一跖趾關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，第五跖趾關(guān)節(jié)外側(cè)）。通過肌電儀（MegaWin ME6000，F(xiàn)inland，1000Hz）采集右側(cè)腿股直肌、股二頭肌、脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭肌電信號(hào)，同時(shí)通過三維測(cè)力臺(tái)（Kistler 9281CA，Switzerland，1000Hz）、8鏡頭紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，USA，200Hz）與肌電同步采集運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。受試者以跟-尖式的著地方式完成跑步動(dòng)作，起跑位置距離測(cè)力臺(tái)直線距離10～20m，通過測(cè)力臺(tái)的速度控制在4±0.3m／s。速度通過便攜式測(cè)速系統(tǒng)（Newtest Powertimer，F(xiàn)inland）監(jiān)控，兩個(gè)測(cè)速儀紅外發(fā)射裝置置于測(cè)力臺(tái)一側(cè)，二者間距3m。在規(guī)定跑速下，受試者以正常步態(tài)、無任何步伐調(diào)整并以右腳著在臺(tái)面上，視為一次有效測(cè)試，按隨機(jī)順序完成3雙鞋的測(cè)試，每雙鞋采集3次有效數(shù)據(jù)，結(jié)果均取3次平均值。

采集的所有標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)采用Butterworth低通濾波法進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為10Hz。根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立骨盆坐標(biāo)系、大腿坐標(biāo)系、小腿坐標(biāo)系、足坐標(biāo)系、前足坐標(biāo)系、后足坐標(biāo)系，其中，髖關(guān)節(jié)中心根據(jù)Bell［2］的研究計(jì)算，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為股骨內(nèi)外側(cè)髁中點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為內(nèi)外踝中點(diǎn)，跖趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為第一、五跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)中心；采用歐拉角的方法計(jì)算髖、膝、踝、跖趾關(guān)節(jié)的三維角度；采用逆動(dòng)力學(xué)［9］的方法計(jì)算關(guān)節(jié)的三維凈力矩，其中，人體慣性參數(shù)采用DeLeva修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人體慣性參數(shù)［8］。

本研究忽略足趾的慣性參數(shù)，假設(shè)無外力作用時(shí)，跖趾關(guān)節(jié)的凈關(guān)節(jié)力和凈力矩為0，直到地面反作用力（GRF）作用到關(guān)節(jié)遠(yuǎn)端。忽略趾骨的慣性效應(yīng)后，關(guān)節(jié)凈力矩與作用于壓力中心處的GRF對(duì)該關(guān)節(jié)的力矩平衡，GRF對(duì)跖趾關(guān)節(jié)的三維力矩等于力臂（壓力中心到跖趾關(guān)節(jié)中心的向量）與GRF向量的叉乘結(jié)果在足三個(gè)解剖面上的投影，跖趾關(guān)節(jié)凈力矩與其等值反向。

關(guān)節(jié)功率定義為關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積，采用梯形法計(jì)算關(guān)節(jié)功率對(duì)時(shí)間積分獲得關(guān)節(jié)功。研究表明，內(nèi)外側(cè)（冠狀面）的運(yùn)動(dòng)對(duì)走、跑過程的動(dòng)力學(xué)及能量參數(shù)影響很小［10，24］，因此，本研究僅分析人體矢狀面數(shù)據(jù)，并對(duì)各指標(biāo)按跑步支撐相進(jìn)行歸一化處理。

肌電的原始信號(hào)采用帶通濾波進(jìn)行處理，濾波器范圍為8～500Hz，并計(jì)算跑步支撐相的均方根振幅（RMS）。

2.3.5 統(tǒng)計(jì)分析

不同鞋間的參數(shù)采用單因素重復(fù)測(cè)量方差分析（oneway repeated measures ANOVA）進(jìn)行比較，后續(xù)兩兩比較采用LSD法。顯著性水平定為一類誤差概率不大于0.05，所有統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SPSS 13.0軟件完成。

3 結(jié)果

3.1 主觀舒適性

在主觀舒適性測(cè)試中（表2），低剛度鞋在前腳掌緩沖、足背舒適性、整體舒適性方面的舒適度得分高于中剛度鞋和高剛度鞋（P＜0.05），而在前腳掌穩(wěn)定性、后跟穩(wěn)定性、足弓部位舒適性方面的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，三種鞋無顯著性差異。

表2 本研究受試者穿不同鞋主觀舒適度評(píng)價(jià)比較一覽表Table 2 Perceived Comfort Rating in Different Shoe Conditions

3.2 足底壓力

在足底壓力測(cè)試中（圖2），低剛度鞋在前掌內(nèi)側(cè)和前掌外側(cè)區(qū)域的足底最大壓強(qiáng)低于中剛度鞋和高剛度鞋（P＜0.05）。鞋的屈曲剛度不影響各區(qū)域足底接觸面積（圖3）。

3.3 短跑表現(xiàn)

本研究受試者穿高剛度鞋（8.48±0.53m／s）完成短跑時(shí)，速度快于中剛度鞋（8.36±0.45m／s，P＜0.05）和低剛度鞋（8.34±0.59m／s，P＜0.05）。

圖2 本研究不同鞋各區(qū)域足底最大壓強(qiáng)比較圖Figure 2.Peak Plantar Pressure of Different Area in Different Shoe Conditions

圖3 本研究不同鞋各區(qū)域足底接觸面積比較圖Figure 3.Plantar Contact Area of Different Area in Different Shoe Conditions

3.4 跑的關(guān)節(jié)能量

跑步支撐相時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化后的髖、膝、踝、跖趾關(guān)節(jié)功率見圖4。結(jié)果表明（表3），受試者穿中剛度和高剛度鞋時(shí)，跖趾關(guān)節(jié)負(fù)功顯著小于穿低剛度鞋（P＜0.05），而其他關(guān)節(jié)在不同鞋間的正功、負(fù)功均無顯著性差異。

圖4 本研究受試者穿不同鞋跑時(shí)支撐相髖、膝、踝、跖趾關(guān)節(jié)平均功率曲線圖Figure 4.Mean Power Curves for Hip，Knee，Ankle and Metatarsophalangeal Joints during the Stance Phase of Running in Different Shoe Conditions（n＝12）

表3 本研究受試者穿不同鞋跑時(shí)支撐相髖、膝、踝、跖趾關(guān)節(jié)做功比較一覽表Table 3 The Work Performed at the Hip，Knee，Ankle and Metatarsophalangeal Joints during the Stance Phase of Runningin Different Shoe Conditions

3.5 肌電信號(hào)

受試者穿不同鞋跑的支撐相下肢股直肌、股二頭肌、脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭的RMS值均無顯著性差異（圖5）。

4 討論

舒適性是一種建立在個(gè)人偏好和習(xí)慣基礎(chǔ)上的主觀感受，對(duì)一些人舒適的鞋，可能對(duì)于另一些人來說是不舒適的。研究表明，VAS是評(píng)價(jià)鞋舒適性的有效方法且被廣泛使用［11，12］，本研究基于 VAS的主觀舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，低剛度鞋在前腳掌緩沖、足背及整體舒適性方面的得分要高于中剛度鞋和高剛度鞋，即在主觀感受方面屈曲剛度較低的鞋的舒適性，要優(yōu)于剛度較高的鞋。另外，本研究還通過足底壓力的客觀指標(biāo)進(jìn)一步反映舒適性。有學(xué)者提出，鞋的緩沖避震主要是與舒適性相關(guān)而與損傷關(guān)系不大［13］，盡管有少數(shù)研究得出，足底壓力的大小與舒適性并沒有明顯的相關(guān)關(guān)系［7，20］，但多數(shù)研究還是認(rèn)為，較低的足底壓力、較大的足底接觸面積可提高鞋的穿著舒適性［5，6，21］。從本研究的結(jié)果看，跑時(shí)低剛度鞋前掌內(nèi)側(cè)和外側(cè)最大足底壓強(qiáng)較其他兩種鞋小，跑步時(shí)腳前掌的最大足底壓強(qiáng)發(fā)生在蹬離地面階段，本研究中跑步蹬離地面時(shí)，跖趾關(guān)節(jié)背屈角度低剛度鞋較其他兩種鞋要大（P＜0.05），Budhabhatti［3］的有限元建模研究發(fā)現(xiàn)，跖趾關(guān)節(jié)背屈角度減小，趾壓力會(huì)增大，這與本研究中穿屈曲剛度較大的鞋跑步蹬地時(shí)前掌足底壓力較大的結(jié)果一致，結(jié)合主觀舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果可以得出，屈曲剛度較低的鞋具有較好的穿著舒適性。

圖5 本研究受試者穿不同鞋跑時(shí)支撐相下肢肌肉RMS圖Figure 5.Root Mean Square（RMS）Values of Lower Limb Muscles during the Stance Phase of Running in Different Shoe Conditions

本研究受試者穿高剛度鞋進(jìn)行短跑時(shí)快于另兩種鞋，表明鞋屈曲剛度確實(shí)影響了短跑成績。從運(yùn)動(dòng)裝備的角度來提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，依靠優(yōu)化使用者與裝備之間的能量傳遞，主要包括優(yōu)化骨骼肌肉系統(tǒng)、增加能量產(chǎn)生和減少能量損失三個(gè)方面［14］。在運(yùn)動(dòng)鞋方面優(yōu)化骨骼肌肉系統(tǒng)未見明確報(bào)道，盡管通過運(yùn)動(dòng)鞋來進(jìn)行能量回歸的研究不少，但應(yīng)用到鞋中并不是很成功，一方面，是使用的材料致力于增加緩沖，而不是很好的儲(chǔ)存-回輸材料，即沒有高的能量產(chǎn)生-流失比例；另一方面，能量儲(chǔ)存的最大位置（鞋后跟）與能量回輸率最高的部位（鞋前掌）并不對(duì)應(yīng)，因此，將能量回歸運(yùn)用到鞋的設(shè)計(jì)中并不容易，也不高效?；诖?，運(yùn)動(dòng)鞋的設(shè)計(jì)應(yīng)該更注重如何減少能量損失。

在人體跑、跳運(yùn)動(dòng)中，影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)最重要的因素之一，就是跖趾關(guān)節(jié)、踝、膝、髖的能量產(chǎn)生與吸收的比率［23］。從功-能的角度講，肌力矩所做的功將影響系統(tǒng)的機(jī)械能，當(dāng)關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度一致時(shí)關(guān)節(jié)功率為正值，關(guān)節(jié)肌群向心收縮做正功，這個(gè)功率在整個(gè)收縮期間內(nèi)的積分值，便是肌肉做的總功，這意味著肌肉產(chǎn)生能量和能量向肢體的傳遞；當(dāng)關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度不一致時(shí)，關(guān)節(jié)功率為負(fù)值，關(guān)節(jié)肌群離心收縮做負(fù)功，這時(shí)外力對(duì)肌肉所做的功為總功，體現(xiàn)著能量由肢體環(huán)節(jié)流向肌肉，肌肉吸收能量。

根據(jù)功率曲線（圖4），可以將跑的支撐相大致分成2個(gè)階段。對(duì)于髖關(guān)節(jié)來說，第一階段由伸肌完成的凈正功；第二階段由屈肌完成的凈負(fù)功。對(duì)于膝、踝關(guān)節(jié)來說，第一階段由膝伸肌群、踝跖屈肌群完成的凈負(fù)功；第二階段由膝伸肌群、踝跖屈肌群完成的凈正功。在跖趾關(guān)節(jié)則主要是后半段由跖屈肌完成的負(fù)功和離地時(shí)一個(gè)較小的正功。跑時(shí)髖肌力矩被認(rèn)為是最重要的產(chǎn)能環(huán)節(jié)，髖肌力矩產(chǎn)生的能量是人體總能量的限制因素并決定著跑時(shí)對(duì)擺動(dòng)腿能量的輸入。膝關(guān)節(jié)首要的角色是吸收能量，在短跑的擺動(dòng)階段末期，該肌力矩對(duì)能量的吸收能力被認(rèn)為是步頻和跑速最大的限制因素。踝背伸肌在著地之初最重要的作用是能量消散，并在支撐階段后期扮演產(chǎn)能角色，該肌力矩做的正功是膝伸力矩所做正功的3倍［4，22］。

本研究中受試者穿不同鞋跑時(shí)髖、膝、踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生和吸收的能量均沒有明顯不同。跖趾關(guān)節(jié)是一個(gè)離地前能量吸收多而產(chǎn)生很少的關(guān)節(jié)，跖趾關(guān)節(jié)從足滾動(dòng)至前掌到離地，基本都是背屈，跖趾關(guān)節(jié)在支撐相能量產(chǎn)生很少，這些關(guān)節(jié)能量流失或者足離地后回輸，因此，不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)產(chǎn)生明顯影響。研究結(jié)果中穿低剛度鞋跑時(shí)跖趾關(guān)節(jié)吸收20.5J能量，比中剛度鞋高11.4J，比高剛度鞋高15.1J，這表明，當(dāng)增加鞋屈曲剛度，能減少跑時(shí)跖趾關(guān)節(jié)的能量損失，因此，跖趾關(guān)節(jié)能量損失的減少，可能是短跑成績提高的原因。這與Stefanyshyn等人［18］關(guān)于縱跳的研究結(jié)果類似，Stefanyshyn采用的是二維逆動(dòng)力學(xué)法研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算跖趾關(guān)節(jié)的能量對(duì)關(guān)節(jié)中心的選擇很敏感，關(guān)節(jié)中心向前移動(dòng)1cm，跖趾關(guān)節(jié)吸收的能量平均減少17%［19］。在二維的方法中選擇第五跖骨頭作為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，增加了GRF對(duì)跖趾關(guān)節(jié)的力臂從而力矩會(huì)偏大。Roy關(guān)于跑的研究采用的是三維方法，但Roy的研究中增加鞋的屈曲剛度，跖趾關(guān)節(jié)的負(fù)功沒有顯著變化，這可能與鞋及受試者的差異有關(guān)。

人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能只能是來源于肌肉做功，因此，鞋不同屈曲剛度影響跑時(shí)跖趾關(guān)節(jié)能量損失的機(jī)制，應(yīng)當(dāng)是影響了下肢的肌肉活動(dòng)。本研究主要選擇下肢的股直肌、股二頭肌、脛骨前肌和腓腸肌進(jìn)行肌電信號(hào)的分析，來探索鞋的屈曲剛度對(duì)下肢肌肉活動(dòng)的影響。在跑的過程中，股直肌收縮主要是完成屈髖和伸膝動(dòng)作，股二頭肌收縮主要是完成伸髖和屈膝運(yùn)動(dòng)，脛骨前肌收縮時(shí)主要完成足背屈，而腓腸肌收縮主要完成屈膝和使踝跖屈。鞋屈曲剛度增加，跖趾關(guān)節(jié)能量損失減少，研究假設(shè)能量損失減少，需要肌肉激活的程度會(huì)減少，動(dòng)作的經(jīng)濟(jì)性提高。從機(jī)能節(jié)省化的角度考慮，在達(dá)到同樣甚至更好效果的前提下，節(jié)省了不必要的肌肉活動(dòng)，可以降低能量消耗，從而達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)成績和能力的目的。

本研究結(jié)果表明，跑支撐階段股直肌、股二頭肌、脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭肌電的RMS值無顯著性差異，即鞋屈曲剛度的變化，對(duì)所選取肌肉的活動(dòng)水平?jīng)]有造成顯著影響。在蹬地階段，跖趾關(guān)節(jié)周圍主要是跖屈肌群做離心收縮，跖趾關(guān)節(jié)的跖屈肌主要是趾長屈肌和踇長屈肌，而這兩塊肌肉位于小腿三頭肌的深層，其活動(dòng)無法通過表面肌電測(cè)得，而它們的活動(dòng)可能受到鞋屈曲剛度的影響，但目前研究深層肌肉的活動(dòng)仍存在困難，今后可通過計(jì)算機(jī)仿真等其他方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論與建議

穿著屈曲剛度較低的鞋能獲得更好的舒適性體驗(yàn)。在一定程度上增加運(yùn)動(dòng)鞋的屈曲剛度可使跖趾關(guān)節(jié)能量損失減少，從而提高短跑的表現(xiàn)。

屈曲剛度較低的鞋能提供更好的舒適性，但這對(duì)短跑表現(xiàn)并沒有好處，因此，制造商在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)鞋及消費(fèi)者在選擇鞋時(shí)需要綜合考慮這兩方面因素。

鞋屈曲剛度增加對(duì)跑步過程中跖趾關(guān)節(jié)能量損失和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的良好影響可能有適當(dāng)?shù)姆秶?，無限制增加鞋屈曲剛度，運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)反而可能下降。鞋的穿著舒適性也存在同樣的問題。因此，今后的研究可以增加鞋屈曲剛度的變化梯度，進(jìn)一步定量研究屈曲剛度的變化影響舒適性和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的規(guī)律，從而找到獲得最好運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和舒適性的最佳屈曲剛度。

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