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首页 > 体育论文 > > 运动鞋摩擦性能的生物力学特点
运动鞋摩擦性能的生物力学特点
>2021-11-15 09:00:00



运动鞋的摩擦特性是重要的保护性能指标之一[1].为改良鞋子的保护功能,提高鞋的品质,降低由于滑倒或者摩擦不足造成的损伤,消费者和鞋子生产商都越来越关注提高鞋底的防滑性[5].目前,对运动鞋性能评估的相关研究较少,而现有的评估鞋质量的国家检测标准则仅仅局限于鞋子的耐折性能、粘合强度、剥离强度以及耐磨性能等方面[2,4],而这些指标只是对于鞋子的耐穿和结实程度进行评价,没有包含保护性能的相关指标。然而不论是日常健身还是专项训练,运动鞋的保护性能是至关重要的,尤其是对于专业运动员来说,如何预防劳损是一个长久的研究方向[3,4].步行和跑步动作是日常生活、日常全民健身以及几乎大部分运动专项都包含的最普遍的运动形式。

受上述现状的启发:本研究选取市面上在售的同一品牌、不同功能的运动鞋与不同的运动表面材料(塑胶、木板、人造草皮,测力台的刚性表面)进行组合。要求受试者穿着不同款式的运动鞋在 4 种表面上完成步行和跑步动作,通过测力台搜集的数据来分析不同运动鞋在不同运动表面的摩擦特征,进而对运动鞋摩擦性能进行评估,以寻求测定不同运动鞋-表面摩擦特性的人体测试方法,希望为鞋的制造商提供评估测量运动鞋摩擦特性的方法参考,同时为将来针对专项化和个性化的运动鞋定制提供参考依据。

1 研究对象与方法

1. 1 研究对象

选取 30 名北京体育大学不同专业的学生,平均年龄为 22 岁,其中男、女生比例为 19:11.受试者无下肢损伤史,平均体重为 63. 56 ±11. 06 千克。其中有训练专项的学生 6 人、无训练专项的学生 24 人。基本情况见表 1:

1. 2 实验方法

1. 2. 1 实验设备

使用 Kistler3D 测力台,采集测试数据。将不同的运动鞋和作用表面的进行组合,要求受试者完成不同的动作,以获得不同组合下时的摩擦系数、对应的时间以及速度等指标,测试的抽样频率为 1 000Hz.获取行走和跑步时的摩擦特性数据。

5 款同一品牌不同功能的运动鞋,鞋底均由橡胶大底与 EVA 材料组成,由不同的比列和花纹组成,A款为健步走鞋、B 款为马拉松跑鞋、C 款为慢跑鞋、D款为综合训练鞋、E 款为太极鞋。每一款运动鞋有 5个号码(37,38,40,41,42),适合不同脚大小的受试者。一共进行测试的共有 25 双鞋。

4 种作用表面的材质分别为刚性( 测力台表面) 、塑胶、木板和人造草皮。其中刚性表面即测力台自身的表面,其他材质的表面分别选用田径场的塑胶表面、室内篮球场馆的木质地板以及足球场的人造草皮表面,裁成与测力台表面相等面积的大小,测试时粘贴在测力台表面,每次更换一种测试表面,测力台就进行一次调零和校正。

1. 2. 2 动作的完成

步行:以正常的步行速度沿测力台 Y 轴方向通过。

跑步动作:以慢跑的速度沿测力台 Y 轴方向通过。

每个动作完成两次,避免因为测试紧张或者不适应测力台的受试者出现动作的异常。

1. 2. 3 符号说明

单支撑过程:足部从与测力台最初接触到离开的整个过程。

(1)摩擦系数(Coefficient of Friction)。

本实验将受试者完成步行或跑步的前进方向设置为测力台的 y 轴正方向。因为足部在着地阶段和蹬伸阶段,二者在 y 轴上的作用力是相反的。因此。着地阶段获得的摩擦系数值是负值,蹬伸阶段获得的摩擦系数值为正值。且在一个单支撑过程中,摩擦系数的绝对值表现出先由大变小而后再变大的特点,摩擦系数的变化呈现“S”形曲线,即着地瞬间和离地瞬间均出现一个摩擦系数的峰值,一正一负。

| CoF | = f / N(f 是摩擦力,N 是垂直于作用表面的压力),通过 EXCEL 软件计算整个动作过程各个时间点的合摩擦系数值以及前进方向上的摩擦系数。

①|CoFxy|m:水平面上的最大合摩擦系数,无单位。

②| CoFy | m:动作前后方向上的最大摩擦系数的绝对值,无单位;

③|CoFy1|:单支撑过程,动作前进方向上出现的第一个摩擦系数峰值的绝对值,即着地瞬间摩擦系数的峰值的绝对值,无单位;

④|CoFy2|:单支撑过程,动作前进方向上出现的第二个摩擦系数峰值的绝对值,即离地瞬间的摩擦系数的峰值的绝对值,无单位;

(2)时间。

①t:步行和跑步动作的一个单支撑过程的持续时间或转身动作中,足部和测力台接触的时间段:

t = t2 - t1(1)注:t1 是动作的开始时间点,即足与测力台最初接触的时间点,t2 是动作的结束时间点,即足离开测力台的瞬间。

② Txy: | CoFxy | m 出现的时间比值,可反映| CoFxy | m出现的早晚。

Txy = ( txy - t1) / t (2)注:其中 txy 表示出现| CoFxy| m| 的时间点,t1 是单支撑的起始时间点。

③Ty1、Ty2:出现 | CoFy1 | 和 | CoFy2 | 的时间点占整个 t 的时间比值,可反映出现| CoFy1 | 和| CoFy2 | 的早晚。

Ty1 = ( ty1 - t1) / t (3)

Ty2 = ( ty2 - t1) / t (4)

注:其中 ty1,ty2 分别表示出现|CoFy1|和|CoFy2|的时间点,t1 是单支撑的起始时间点。

1. 2. 4 测试指标

(1)t:一个单支撑过程持续的时间;

(2) |CoFxy|m:水平面上的最大合摩擦系数;|Co-Fy | m:在动作前进方向上的最大摩擦系数;

(3) |CoFy1 |:在动作前进方向上,着地瞬间的摩擦系数峰值;|CoFy2|:在动作前进方向上,离地瞬间的摩擦系数峰值;

(4)Txy:出现|CoFxy|m 的时间点占整个 t 的时间比值 ;(5)Ty1、Ty2: |CoFy1|和|CoFy2|出现时间占整个t 的时间比值。

1. 2. 5 数据处理

全部数据采用所有受试者的平均数表示,各指标采用 SPSS 11. 0 统计软件包进行分析,并对数据结果进行配对 T 检验分析,P < 0. 05 表示有显着性差异,P< 0. 01 表示有非常显着性差异。

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