运动鞋的生物力学分析班级：本硕121 姓名：孟宪章学号：5702112111摘要：运动鞋科技的每一项进步都离不开生物力学研究。

无论国际品牌Nike和Adidas，还是以李宁为代表的国内一线品牌，其核心技术的创新都必须遵循人体运动的生物力学原理。

足的结构与力学功能问题、“足—鞋—地”相互作用的力学问题、鞋体材料与结构的运动功效问题以及足的骨结构生物力学模型问题，一直以来都是运动鞋生物力学研究的主题。

国内外的品牌运动鞋的核心技术也都大同小异，主要是：模拟裸足、足跟控制、缓震减震。

能量回归。

1 足的生物力学研究足作为下肢的末端环节，通过直接或间接与外界接触，并发生力的相互作用，从而改变人体的运动状态。

因此，足的结构与运动功能的生物力学问题是运动鞋生物力学研究的基础。

足的生物力学研究主要涉及足的结构与形态分析、足的运动学测量分析、足的动力学测量分析和足的生物力学建模分析。

1．1足的形态与结构分析足的形态与结构测量，借助了现代影像技术及电子技术，如三维足部扫描系统、X光、CT和MRI动态扫描系统等都早已运用于不同功能运动鞋的设计与制作。

基于CAD计算机辅助设计并结合数字化技术的脚型测量系统，则使脚型测量更加简单快捷，个性化运动鞋的设计已变得十分方便。

1．2足的运动学测量分析Siegler等研究了人体踝关节和距下关节的三维运动学特征，提出的重要结论对认识踝关节、距下关节以及在旋转、内翻等足运动过程中的作用具有指导意义。

Sammarco利用瞬时旋转中心的方法考察了踝关节在背屈和内翻动作中的运动学特征。

EIlgsbe利用有限螺旋轴法研究了跟距关节的三维运动学特征。

Root等不仅提出了足部形态结构影响足部运动功能的观点，而且，采用三维影像技术研究了足的运动学特征，为足的运动学测量分析提供了理论与方法基础。

1．3足的动力学测量分析Vlorton是最早利用复印技术记录足部压力分布的学者，他所设计的运动图像技术，其原理是利用橡胶的弹性把压力转换为相应比例的变形。

随后，出现了用铝箔取代墨水和纸张作为复印介质的改进技术。

之后通过记录即时压力曲线，并获得足底压力分布的运动图像技术随后开始出现。

Elfamu的自动压力计便是这一技术的应用成果，第二代自动压力计使用了显示器和图像处理技术，可以通过黑白或彩色图像进行局部压力分析。

此后，研究人员又利用光弹性作为压力转换方式，研制出新的压力显示系统。

Cavanagh和Miehiyoshi采用类似的技术，并通过计算机处理得到了足底准三维压力曲线，曲线上各点的纵向坐标值与足底该点处的压力成比例，可以更直观地反映足底压力及其分布状况。

近年来，随着计算机和图像处理技术的不断发展，其应用领域不断扩大，足底动态压力分布的测量与分析技术已经广泛应用于足与鞋底的动力学测量。

压力板技术多采用力-电转换技术，足底压力被转换为可以方便测量的电信号。

从而得到相当精确的结果，但其电延迟性不利于动态研究。

而具有较好的精确性、良好的动态响应和较高的灵敏度的压电晶体技术就成为很好的替代，而且，电工学的发展解决了长期困扰该技术的充电泄漏问题，使其成为足底压力测量的有力工具。

1．4足的生物力学建模研究足的生物力学建模研究，起初关注的重点是建立足结构的数学模型，通过对足部骨骼解剖结构的数学描述，计算和分析足骨的作用力。

Salathe等用一个可变刚性结构模拟足部结构，支撑点为5个跖骨前端和跟骨块状体，分析了跖骨的变形、关节的屈曲以及足底腱膜的作用；后来又从结构-机能解剖学的角度改进了这个模型，该模型考虑到了足部所有的骨骼，并计算了关节的偏转以及韧带和肌腱的弹性，利用这一模型检验了关于足部吸收冲击波的假设。

Mizrahi等在模拟足部突发内翻时，提出了用一个准线性二阶欠阻尼系统模拟距下关节的想法，并依据这一模型得到了一些符合生物力学原理的结果。

随着计算机技术和有元理论的发展，研究者开始使用数值模型和有限元法分析复杂的足结构。

ANSYS、ABAQUS和NISA等有限元分析软件包，则为生物力学研究人员进行足部生物力学建模和计算提供了极大方便。

随着分析软件的不断升级和医学成像系统的进步，有限元分析法也从开始的二维建模到三维建模，再到现在的微观建模分析。

可以说，借助于数值建模和有限元分析，不仅可以研究十分复杂的足部结构与功能，而且，可以分析足运动的生物力学原理和运动损伤机理。

顾耀东等对提踵状态下足纵弓应力分布和内翻式落地足跖骨力学反应等医学问题进行了有限元分析；李建设等对踏跳瞬间足后跟骨骼受力等体育问题进行了有限元分析。

2 足一鞋的生物力学研究足底与支撑界面之间的压力及其分布的测量，可以为研究足部的结构与功能、足伤的预防与诊治和身体的姿态与控制提供重要的信息。

“足一地”、“足一鞋”和“鞋一地”界面间相互作用的生物力学问题，既是生物力学研究的主题，也是运动鞋设计制造商关注的重点。

2．1“足一地”界面与足健康的生物力学研究不同的地面条件，为足与地的相互作用提供了不同的运动界面，而不同的运动界面是引起足运动损伤的重要原因。

Kolitzus等的研究指出，若运动界面的材料太软或太硬，都可能造成运动性足伤害并影响人的运动表现。

Morlock等的研究肯定了减小足底压力有助于降低运动性足损伤。

Claire等的研究指出，足底各部位的压力分布相对平均，可以有效降低足运动伤害，并可以对鞋尤其是运动鞋的功能设计提出关键要求。

2．2“足一鞋”界面与足健康的生物力学研究不同的运动鞋，通过鞋的中底材料及其鞋底结构进行能量吸收与释放，以缓冲足底所受的撞击力并保护足健康。

Shorten等认为，柔性缓冲系统可以延长足底撞击力的作用时间以减小力值，更重要的是，可以增大足底受力面积以减小压强。

虽然足底压力分布测试系统已被普遍应用于测量足一地间的相互作用，但这些系统只能测量足底(裸足时)或鞋底(着鞋时)与地面的相互作用力。

HennJg等采用装有499个压电陶瓷感应器的鞋垫，测得了受试者穿运动鞋，并以1．5 m／s的速度行走时的足底压力分布数据。

许多学者研究了不同类型的运动鞋对跑和跳的影响，认为鞋底的软、硬度不同和结构设计变化会导致不同的地面反作用力，并产生不同的运动学参数。

SKang应用非线性有限元分析，研究了不同的鞋跟垫材料对足底冲击波的吸收能力，发现用二阶非线性“应力一应变”曲线能准确地描述这些制鞋材料，肯定了有限元法在设计具有特殊功能的鞋类中起到的关键作用。

Lemmon等采用有限元分析法，详细描述了步行时足前区的足-鞋相互作用。

Shiang对中底材料的有限元分析，采用了中底表面垂直方向的鞋内压力数据，并没有考虑接触面上的剪切力。

大多数运动鞋的中底由密度为150～250 kg／m³的EV A乙烯树脂醋酸纤维材料制成，材料的疲劳损耗一般采用实验室疲劳测试。

在鞋后跟区加载了频率为2．5HZ的0～1．5 kN的力，在相当于500 mi。

的跑步后，发现鞋可以吸收55％士10％的能量。

Bartlett等分析了鞋中底EV A部分的几何单元，发现接近鞋外底的单元经过3 200 km的跑步后几乎被压平。

Mills等的研究指出，随着EV A材料内空气的减少，鞋的缓冲功能将随之降低。

3国际品牌运动鞋的生物力学核心技术运动鞋与普通鞋的关键区别就是适合并有利于运动，以Nike和Adidas为代表的国际一线品牌运动鞋，以其功效卓越并不断创新的核心技术，引领着专业运动鞋的技术方向和大众运动鞋的时尚潮流。

Nike的核心技术是air气囊鞋底科技和后跟稳定技术；Adidas的核心技术是HUG环抱系统、GCS地面控制系统和智能芯片技术。

这些核心技术无论怎样创新，都必须遵循一个基本原则，即结构设计必须符合人体运动的生物力学原理，其主要的生物力学原理是模拟裸足、能量回归、缓震减震、后跟控制和回归自然。

3．1模拟裸足裸足行走及运动可以同时训练足部的大、小肌肉群，尤其是足底肌肉群。

因此，长期以来，裸足都作为足部肌肉训练的有效手段。

足部大、小肌肉群的同步训练有利于减少运动性足损伤，已经得到“振动台训练”实验的支持。

这个结论也得到了Nike对模拟实验的进一步支持，即具有较强的小肌肉群支持的踝关节，在运动中产生的关节内力(图l右)远远小于只有大肌肉群支持的踝关节(图1左)。

表明踝关节周围的小肌肉群能够快速调整并适应足一地界面的各种变化，从而保护足和踝免受损伤。

模拟裸足的生物力学依据已被学界肯定，其概念也早已被运动鞋制造商充分运用。

图1. 小腿肌肉群（弹簧）在关节中的作用Adidas提出的“feet you wear”概念，就是使鞋的内衬和内底结构尽可能模拟真人足的形状。

Nike主张模拟裸足的动力学状态，“Nike free”系列跑鞋就是模拟裸足的代表。

该跑鞋为裸足运动制造了典型的全掌落地鞋底，其前掌鞋底结构柔韧系数较高，后掌鞋底结构宽大且弹性较好，跑鞋的大底有较深的沟槽，可以使足部更自然地随鞋底受力而扭转、移动和抓地，良好的前掌柔韧性有利于增大前掌的接触面积，使压力分布在一个更大的区域，并有利于提高足弓的运动功能。

经实验测试，穿该跑鞋跑步时，足跖趾关节的运动位移较普通跑鞋减少了7％，而屈肌力量增大了20％。

“feet you wear”概念鞋“Nike free”系列跑鞋3．2能量回归能量回归的概念缘于对田径跑道的实验测试。

实验者发现，适当的跑道硬度可以为跑步者提供更快的奔跑速度和更少的体能消耗。

运动鞋能量回归的原理是：落地缓冲阶段鞋底产生形变以储存能量，离地蹬伸时该能量部分回归给人体。

为了提高能量回归的效率，运动鞋中底的结构与材料十分关键，Adidas的悬空中底和Nike的全掌及分掌气囊中底等技术，都是能量回归的经典设计。

运动鞋实现真正意义上的能量回归，直到两个专利的出现才有了实质性的突破，第一个专利解决了结构上的问题(EMA)，第二个专利采用了特殊材料(PB)。

EMA(energy management athletics)的设计理念，是基于鞋中底前、后掌位置的两个弹性悬空设计，因为悬空，可以大形变，进而在鞋底形变时储存大能量。

这一设计的能量回归功效已经通过运动中的耗氧量测试得到间接验证。

实验测试表明，EMA能量回归跑鞋(图5)与此前公认的具有气囊组合能量回归系统的著名跑鞋New Balance 766相比较，穿EMA者的耗氧量减少2．2％。

EMA 能量回归跑鞋PB(Power Bounce)的设计理念是通过鞋底材料的改进实现能量回归。

该设计的鞋中底材料为EV A膨胀混合物，在缓慢受力过程中，这些材料表现得非常柔软，在快速受力过程中，又体现得非常具有弹性。

该设计的运动鞋能量回归测试，至今尚未见相关的测试报告。

3．3足跟控制足跟控制理论在运动鞋研究的初期就引起了关注。