对不同中底气泡EVA综训鞋后跟减震与稳定的研究

龙婷^a，周继和^a，李俊茗^b

^a成都体育学院，^b天府新区航空旅游职业学院

1.前言

体育运动中，人体与地面接触时会受到地面的冲击力，冲击力的累积会造成运动损伤。鞋的减震可减小人体受到的冲击力，从而预防或减小损伤。运动中踝关节、膝关节力学的变化可能成为下肢损伤的因素。鞋的稳定可以减小踝关节运动范围。我们需要鞋提供减震与稳定。中底气泡内置技术可以提升鞋的减震，但中底气泡内的气体具有流动性与中底气泡结构的厚度会影响后跟稳定。而目前关于应用中底气泡的鞋研究并不多，中底气泡填充技术的研究与应用在我国也是方兴未艾。现通过15名男性受试者穿四款EVA综训鞋:跑步中下肢的动力学、运动学指标差异。后跟材料的力学指标差异。两种研究获得结果。为使用和制造中底气泡EVA综训鞋提供参考。

2.研究目的

对比分析四款EVA综训鞋后跟减震与稳定；

3.研究对象与方法

3.1研究对象

3.1.1四款EVA综训鞋：

三款不同中底气泡EVA综训鞋、现有EVA综训鞋（均 41欧码 ）。

三款不同中底气泡EVA综训鞋除了中底气泡大小不同，其它均相同，分别是中底大泡、中底小泡、中底实心。为便于研究，我们现将四款EVA综训鞋进行编号。(三款不同中底气泡EVA综训鞋：中底大泡：A，中底小泡：B，中底实心：C，现有EVA综训鞋：D）

3.1.2受试者

15个男性受试者，年龄33（±6.17）years，身高170（±2.38）cm，体重64（±7.27）kg，BMI 22（±2.59），跑龄4（±2.69）years，跑量38（±18.31）km/week。所有的受试者六个月均无损伤，裸足测量在脚码在40.5-41.5欧码之间，跑步测试采用后跟着地的方式，每周跑量20km以上，在测试前阅读签订参与测试知情书。

3.2研究方法

3.2.1生物力学测试

3.2.1.1受试者的标记

受试者测试穿相同的运动服与测试袜。测试前用mark荧光点对受试者进行标记。受试者身体的标记点9个（见图1）：髂前上棘点（左、右），腰点（左、右），右腿的股骨大转子、股骨内侧髁、股骨外侧髁、内踝、外踝。用mark荧光板标记右大腿外侧，右小腿外侧。每款测试鞋（右脚鞋）标记点5个（见图2）：右足跟骨上（E点）、右足跟骨下（F点）、右足跟骨外（与右足跟骨上、下中点同一水平面，G点）、第一跖趾关节隆起处（H点），第五跖趾关节隆起处（I点）。

图1:受试者标记图                       图2：测试鞋标记图

3.2.1.2生物力学测试过程

使用英国制造的Vicon（5镜头）动作捕捉系统及其配套软件操作系统一套，采集频率为1000HZ。瑞士生产的 Kistler三维测力台2块，型号 BP600900-2K-CTT，采样频率为 1000 HZ。美国 C-Motion 公司开发的 Visual3DTM 三维步态/体态分析软件（V3D），版本号 4.00.20。对同步获取的 Vicon 运动学及 Kistler 动力学数据，进行生物力学方法的处理和逆向动力学的计算分析。生物力学测试在室内橡胶跑道上进行。为给受试者一定的加速距离与减速距离，起点与终点的相距25m，压力板中心置于12.5m处。两个红外发射装置间距3.3m，分别置于三维测力台一侧、对侧同样安置两台红外接收装置。三维测力台位于两红外发射接受装置的正中（见图3）。测试前对受试者讲解测试过程，并让受试者热身，受试者热身完毕示意开始测试。每次在起跑点均采用同一只脚起跑，测试速度为3.3m/s（±5%），要求以正常的跑姿，无任何步伐调整并以后跟着地右脚全脚掌落于三维测力台上为一次有效数据，每款EVA综训鞋收集五次有效数据。每款测试鞋顺序随机。

图3：生物力学测试场地示意图

3.2.2冲击测试

运用动态冲击测试仪（Impact）对四款EVA综训鞋后跟进行冲击测试。方法：用8.5kg的导弹头从50mm的上空对鞋后跟进行冲击，冲击五次取平均值。四款EVA综训鞋带鞋垫、不带鞋垫各冲击五次，取平均值。以此研究四款EVA综训鞋后跟材料回弹、衰减的影响。

3.2.3数据的处理与分析

所有测试指标的数据使用 Excel和spss进行整理分析。实验数据进行Shapiro-Wilk、RM ANOVA、Cohen.SD、Post-Hoc.LSD检验。经Shapiro-Wilk检验数据是否符合正态分布，P>0.05为正态分布，P<0.05则不是正态分布。在第一步的基础上，符合正态分布的数据通过单因素方差分析，不符合正太分布的数据经重复测试方差分析（RM ANOVA）。Cohen.SD检验效应值大小，效应值（Effect Size，简称ES）。ES<0.1为小效应，ES>0.4为大效应，效应越大，显著性水平下的实用价值越高。Post-Hoc LSD检验，两两比较数据均值大小，显著性水平为α=0.05。为了排除受试者体重对地面反作用力的影响，使不同受试者的数据结果具有可比性，本研究中所有峰值、谷值、加载率均除以受试者各自体重（body weight简称bw）进行标准化处理，单位为bw。

3.4测试流程与测试指标。

测试流程：

第一步进行冲击测试，冲击测试指标4个:鞋后跟受冲击加速度峰值（Peak Acc）、加速度峰值时刻（Time Peak Acc）、能量回归百分比、最大形变量。第二步进行生物力学的跑步测试。动力学指标11个：触地时间（Contact Time）、第一峰值时刻（Time of Peak 1）、第一峰值（Peak 1）、第一峰值最大加载率（VILR 1）、第一峰值平均加载率（VALR 1）、谷值时刻（Time of IPM）、谷值（IPM）、第二峰值时刻（Time of Peak 2）、第二峰值（Peak 2）、第二峰值最大加载率（VILR 2）、第二峰值平均加载率（VALR 2）。运动学指标11个：鞋着地角（矢）（Shoe Ground Angle Sag td）、鞋着地角速度（矢）（Shoe Slap Vel Sag during gc）、鞋着地角（额）（Shoe Ground Angle Fro td）、踝关节背曲角度（矢）（Ankle Dorflex Angle Sag td）、踝关节内翻角度（额）（Ankle Inv Angle Fro td）、踝关节外翻角度（额）（Ankle Ev Angle Fro td）、踝关节外翻最大角速度（额）（Ankle Ev Vel Max Fro）、全脚掌运动角度（额）（Rearfoot Rom Fro）、膝关节屈曲角度（矢）（Knee Flex Angle Sag td）、膝关节屈曲最大角度（矢）（Knee Felx Angle Max Sag gc）、膝关节屈最大角速度（矢）（Knee Flex Vel Max Sag）。第三步进行后跟冲击测试，测试指标与第一步相同。

测试指标注释：

鞋后跟受冲击加速度峰值：导弹头由鞋上方50mm处冲击鞋后跟，与后跟接触后，后跟产生形变。当导弹头向下速度变为零的时刻，后跟的形变最大，此时后跟形变产生的加速度峰值。

加速度峰值时刻：加速度峰值出现的时刻。

能量回归百分比：导弹头回弹至最高点的重力势能与初始高度的重力势能的比值。

最大形变量：鞋后跟受冲击产生的最大形变。

触地时间：鞋与地面接触的时间。

第一峰值：垂直地面反作用力第一个波峰值。

第一峰值时刻：垂直地面反作用力第一个波峰值出现的时刻。

第一峰值最大加载率：单位时间力的变化，垂直地面反作用力开始时刻至第一峰值时刻过程中出现的最大斜率值。

平均加载率：一段时间力的变化平均值。

谷值：垂直地面反作用力第一个波谷值。

谷值时刻：垂直地面反作用力第一个波谷值出现的时刻。

第二峰值：垂直地面反作用力第二个波峰值。

第二峰值时刻：垂直地面反作用力第二个波峰值出现的时刻。

第二峰值最大加载率：单位时间力的变化，垂直地面反作用力谷值时刻至第二峰值时刻过程中出现的最大斜率值。

（注：峰值、加载率均除以受试者各自体重（body weight简称bw）进行标准化处理，避免受试者体重的影响，使不同受试者的数据结果具有可比性，单位为bw。）

鞋着地角（矢）：鞋着地时刻F、H、I三点所在平面与水平面在矢状面上形成的夹角。

鞋着地角（额）：鞋着地时刻F、H、I三点所在平面与水平面在额状面上形成的夹角。

全脚掌运动角度（额）：后跟着地至前脚掌着地F、H、I三点所在平面在额状面上的运动角度。

4. 研究结果与分析

4.1动力学数据分析

表1动力学指标 (平均值±标准差）

注：＊<0.05 具有显著性差异；ES<0.1小效应，ES>0.4大效应，效应值越大，显著性实用价值越大

对其动力学数据进行Shapiro-Wilk、RM ANOVA、Cohen.SD、Post-Hoc.LSD检验分析,第一峰值、谷值、第二峰值最大加载率、第二峰值平均加载率、第二峰值均为正态分布。触地时间、第一峰值最大加载率、谷值、第二峰值最大加载率、第二峰值平均加载率、第二峰值均存在显著性差异。第一峰值最大加载率ES>0.4,显著性条件下实用价值大。加载率越小，减震效果越好。峰值越小，减震效果越好。

由表1可知A、B、C、D触地时间C最长，A、B、C之间无显著性差异，只有C>D ,具有显著性差异。触地时间越长，减震效果越好，C的减震效果最好。第一峰值最大加载率C最小,A>C、B>C、D>C具有显著性差异。第二峰值最大加载率C最小，B>A、B>C、B>D具有显著性差异，A、C、D无显著差异。第二峰值平均加载率B最大。因为加载率越小，减震效果越好，C的减震效果最好，这与触地时间结论相同 。第二峰值C最小，A>C、B>C具有显著性差异，C与D无显著性差异，因峰值越小，减震效果越好，则C的减震效果最好。

根据生物力学测试动力学数据，三款不同中底气泡EVA综训鞋C表现出最好的减震，其次是A，B减震最差。A、B、C相比D均提高了后跟减震。

图4：地面冲击力图（注：Ａ：红色、Ｂ：蓝色、Ｃ：绿色、Ｄ：紫色）

由图4可知，C的第一峰值最小且出现的最晚，D的第一峰值最大，地面冲击力图与动力学数据一致。在触地时间25%以前均出现第一峰值，在触地时间25%附近出现谷值，在触地时间50%附近出现第二峰值。四条曲线在第一峰值到谷值之间重合度小，中底气泡结构在四款测试鞋之间反映出不同的减震表现。

4.2运动学数据分析

表2运动学指标 (平均值±标准差)

注：＊<0.05 具有显著性差异；ES<0.1小效应，ES>0.4大效应，效应值越大，显著性实用价值越大

对其运动学实验数据进行Shapiro-Wilk、RM ANOVA、Cohen.SD、Post-Hoc.LSD检验分析,鞋着地角（矢）、鞋着地角（额）、膝关节屈曲最大角度（矢）不服从正太分布，其余均为正态分布。重复测量方差分析（RM ANOVA）鞋着地角（矢）、鞋着地角（额）、踝关节内翻角度（额）、全脚掌运动角度（额）、踝关节外翻最大角速度（额）、膝关节屈曲最大角度（矢）的存在显著性差异。鞋着地角（额）、踝关节外翻最大角速度（额）ES>0.4，显著性条件下实用价值大。

由表2可知：A、B、C、D，鞋着地角（矢）C最大，A、B、D之间无显著性差异，C>A、C>B、C>D均有显著性差异。着地角越大，减震越好，C的减震最好。鞋着地角（额）D最大，A<C,A<D,B<C,B<D具有显著性差异，着地角（额）越小，后跟越稳定。踝关节内翻角度（额）与全脚掌运动角度（额）D最大，D>A、D>B、D>C均有显著性性差异，A、B、C之间不存在显著性差异。踝关节外翻最大角速度（额）D最大，D>A、D>B、D>C均有显著性差异。膝关节屈最大速度（矢）C最小，A>D、B>D,D>C均成显著性差异，A、B之间无显著性差异。C在触地过程中提供更好的减震与支撑，A、B、C相比D减小运动过程中矢状面踝关节内翻、外翻的运动角度、角速度以及额状面的运动角度。在测试过程中底气泡可能发生破裂，不是形变。对着地过程中踝关节、膝关节运动角度，角速度进行分析，三款不同中底气泡EVA综训鞋相比现有的EVA综训鞋并没有降低后跟稳定。

图5：膝关节角速度图（矢）与踝关节角度图（额）（Ａ：红色，Ｂ：蓝色，Ｃ：绿色，Ｄ：紫色）

由图5可知：跑步过程中膝关节最大角速度C最小。在着地减震阶段A、B、C、D的膝关节角速度曲线分明，说明四款测试鞋在着地阶段膝关节角速度有不同的运动表现。着地之后，四条曲线基本重合。踝关节运动角度D最大，同样再着地减震阶段曲线分明，A、B、C的踝关节运动角度小于D，三款不同中底气泡EVA综训鞋相比现有的EVA综训鞋并没有降低后跟稳定。.

4.3冲击测试分析

EVA综训鞋需要在运动过程中提供减震，中底气泡填充技术能提供更大的减震空间，从而提升减震效果。本研究对四款EVA综训鞋的后跟均进行冲击测试，目的是研究能量回归与衰减特性。

表3冲击测试指标（不带鞋垫）

表4冲击测试指标（带鞋垫）

由动量定理：Fｔ=ｍｖ，冲击测试由同一个导弹头从同一高度对后跟进行冲击，则冲击获得动量一致，那么后跟冲击峰值出现的时刻越晚，后跟的减震越好。由表3、4、可知，A、B、Ｃ峰值出现时刻均晚于D，C的峰值出现时刻最晚，C的减震效果最好。能量回归百分比C最大。能量回归百分比越高，减震效果越好。这与我们生物力学测试结论一致。峰值与最大形变量没有表现出系统的趋势。Post测试指标没有表现出与Pre测试指标一样的趋势，特别A Pre与post峰值差异较大，怀疑是经过生物力学与功能性主观的跑步测试，里面的气泡发生爆破或不可逆形变。A后跟表现出潜在的冲击衰减加强。三款不同中底气泡EVA减震鞋的中底气泡可能发生了破裂或不可逆的变形，导致测试前后指标的系统性趋势不一样。

5.研究结论与建议

5.1结论

三款不同中底气泡EVA综训鞋比现有的EVA综训鞋后跟减震更好。三款不同中底气泡EVA综训鞋中底实心（C）后跟减震最好。

三款不同中底气泡EVA综训鞋相比现有EVA综训鞋并没有降低后跟稳定，四款EVA综训鞋后跟稳定无显著性差异。

5.2建议

中底气泡结构可以减震，控制内置气体量可以控制后跟稳定。需要更好的材料来保护中底气泡结构，减小中底气泡衰减特性。

参考文献

[1] Dinato R C, Ribeiro A P, Butugan M K, et al. Biomechanical variables and perception of comfort in running shoes with different cushioning technologies. Journal of Science & Medicine in Sport, 2015, 18(1): 93

 [2] Hennig E M, Valiant G A, Liu Q. Biomechanical Variables and the Perception of Cushioning for Running in Various Types of Footwear. Journal of Applied Biomechanics, 1996, 12(2): 143-150

 [3] Lafortune M A, Hennig E M, Lake M J. Dominant role of interface over knee angle for cushioning impact loading and regulating initial leg stiffness. Journal of Biomechanics, 1996, 29(12): 1523-1529

 [4] O'Leary K, Vorpahl K A, Heiderscheit B. Effect of cushioned insoles on impact forces during running. Journal of the American Podiatric Medical Association, 2008, 98(1): 36

 [5] Wegener C, Burns J, Penkala S. Effect of neutral-cushioned running shoes on plantar pressure loading and comfort in athletes with cavus feet: a crossover randomized controlled trial. American Journal of Sports Medicine, 2008, 36(11): 2139-2146

 [6] Brauner T, Sterzing T, Wulf M, et al. Effects of differently cushioned running shoes at left and right foot on running symmetry. Journal of Foot & Ankle Research, 2014, 7(Suppl 1): A8

 [7] Sterzing T, Schweiger V, Ding R, et al. Influence of rearfoot and forefoot midsole hardness on biomechanical and perception variables during heel-toe running. Footwear Science, 2013, 5(2): 71-79

 [8] Knapik J, Pope R, Orr R, et al. Injuries and footwear (Part 1): Athletic shoe history and injuries in relation to foot arch height and training in boots. 2015.

 [9] Willy R W, Davis I S. Kinematic and kinetic comparison of running in standard and minimalist shoes. Medicine & Science in Sports & Exercise, 2014, 46(2): 318-323