三种篮球鞋足跟部压缩性能的比较研究

宋雅伟，蔡奕玺，华宇飞

三种篮球鞋足跟部压缩性能的比较研究

宋雅伟，蔡奕玺，华宇飞

通过对3种篮球鞋足跟部压缩性能的进行比较研究，从而对不同篮球鞋鞋底缓冲减震功能进行科学评价。对1名篮球专业的大学生穿着3种国内外拥有顶尖技术的高端品牌篮球鞋（NIKE FLIGHT96、ADIDAS TS PROMODEL和ANTA“霸道”三代）在正常步行速度下的足底压力分布的测试，结合Instron材料力学试验机对3种不同类型的鞋底材料进行压缩试验，对相关数据进行分析。通过3双鞋压缩行为、能量吸收的特征和应力松弛的参数来比较和分析，在相同应力下，NIKE的应变最小，NIKE的模量和能量吸收最大，其次为ANTA和ADIDAS；在应力松弛的试验中，NIKE的应力松弛衰减度为最小，ANTA和ADIDAS几乎相同。

篮球鞋；压缩试；弹性模量；应力松弛

运动员穿有减震功能的运动鞋可以缓冲地面冲击力对人体造成的伤害，有助于提高运动成绩。通常每步行1 km，一只脚要承受600～700次的重力冲击，若是激烈运动，冲击力就更大。跑步时，脚触地的瞬间，受到地面的冲击力将达到人体重量的2～4倍。这种冲击力在人体内会产生震荡波，对人体各部位造成不同程度的伤害。这就要求运动鞋鞋底要有一定的吸收和降低地面冲击力的功能。如果运动鞋没有良好的减震系统来缓解这种冲击力，一定会使双脚感到疲惫不堪，还会对膝关节、腰、背以及大脑造成冲击伤害。因此，篮球鞋的最主要功能之一就是缓冲减震功能[1]。

本研究试图通过鞋底减震材料压缩试验的方法分析3款篮球鞋在缓冲减震的功能特性并进行对比分析，为科学、定量地评价篮球鞋在不同运动状态下的功能特性提供一些有用参数和标准[2]。

1 篮球鞋鞋底功能测试验

1.1 研究对象

1.1.1 参加测试人员样本 采用随机抽样的方法，从南京体育学院体育系篮球专选学生中随机抽取1名大学生（男性）参加本次试验。受试者年龄21岁、体重79.338 kg、身高183.69 cm、足长26.917 cm、足宽10.257 cm、足弓高5.41 cm。测试之前，由测试人员说明本研究的目的、研究方法及试验步骤，在受试者充分了解本研究的试验过程，并进行适应性试验后，测试正式进行。

1.1.2 测试鞋种类及选鞋标准 选择有独立减震结构（材料）的篮球鞋并考虑各个品牌篮球鞋的主流减震技术，且鞋底厚度基本相同，选取了ANTA“霸道”三代、ADIDAS TS PROMODEL和NIKE FLIGHT96 3款篮球鞋，尺码均为US10，即EUR44码。

1.2 研究方法

对穿着不同品牌篮球鞋足跟部进行受力测量（Novel测力鞋垫），通过力值对应找出篮球鞋鞋底材料在该状态下的压缩性能（Instron材料力学试验机），分析不同篮球鞋鞋底在材料、硬度等因素上的差异。

1.2.1 测试仪器与设备 鞋底材料压缩试采用Instron电子万能材料试验机3367（传感器最大量程为30 000 N，使用量程为1 000 N，精度为0.3%）。足底压力分布测试采用德国Novel公司的Emed-pedar系列鞋垫式足底压力测量系统。数据采集频率为100 frame/sec，每只鞋垫表面分布99个压力传感单元，通过电缆线与控制盒相连，控制盒执行读取、记录、发送、同步输出数据等功能，当分布于两只鞋垫上的所有198个传感器同时工作时，最高采集频率为100 Hz[3-4]。

1.2.2 试验方法与步骤 （1）运动员穿不同品牌篮球鞋进行行走，通过测力鞋垫找出足跟刚接触地面时、整个足跟着地时、全足着地时的力值大小。（2）在Novel鞋垫足跟部选取9个传感器（标号为8、9、10、15、16、17、22、23和24）作为测试区域，在鞋垫上做好标记，并计量面积为2 048 mm2（64 mm×32 mm）；根据鞋底的标记区域，制作一个与标记区域相匹配的不锈钢压头（见图1）。（3）在Instron自动控制电子万能试验机进行鞋的材料压缩试验，鞋试样为试用3种不同硬度的鞋底后跟。本试验以5 mm/min速度对试样施加预载荷，当载荷达到600 N时进行卸载，预调处理5次。预调处理完成后，再加载至600 N计算鞋的弹性模量。计算机程序设定从时间t（0）开始采集数据，每0.01 s采集一个数据，历时72 s，试样的弹性模量曲线经计算机进行曲线拟合（见图2）。（4）应力松弛试验以5 mm/min速度对试样施加预载荷，当载荷达到300 N时进行卸载，预调处理5次。预调处理完成后，加载至300 N后变速度50 mm/min，加载至1 000 N后，使应变保持恒定，计算机程序设定从时间t（0）开始采集数据，每0.01 s采集一个数据，历时72 s。（5）以.xls格式保存鞋底材料压缩试每一时刻的载荷和位移值，做出载荷—位移曲线，并结合足底压力中的有关数据对曲线进行对应分析。

图1 足跟部面积单元格图Figure 1 The heel area of the cell map

2 结果与分析

2.1 3双篮球鞋的压缩行为

在步态中，针对足跟受力，选取3个时刻进行分析，分别是（1）足跟着地刻：在足跟着地时相内，指足接触地面的瞬间。（2）全跟着地刻：指足跟全部接触地面的瞬间，足跟进入支撑阶段的时间段；（3）全掌着地刻：足首次触底之后重心由足跟向全足转移的时间段；在全掌着地时相内，指足跟触底之后，足向前滚动，足前掌（跖骨）接触地面的时间点。

根据图2、图3可以得出鞋底压力的受力，再由压力值可以通过Novel鞋垫所采集的数据判断步行的每个时刻的受力情况，以鞋垫刚采集到力值信号为0.00 s开始计算。图3分别为（1）足跟刚接触地面时的受力情况，在0.02 s时，它的力值达到0.04 kN，（2）整个足跟全部着地时的受力情况，在0.04 s时力值达到0.13 kN，（3）全掌着地时的受力情况，在0.10 s时力值达到0.22 kN。

3种篮球鞋鞋底材料的应力应变曲线见图2。ADIDAS的鞋底在应力达到0.02 kN左右时，应变已经达到了6 mm。此后，材料模量突然增大，压缩曲线陡然增高。这是由于达到一定的应变以后，材料内的泡孔被压实，产生塌陷，材料致密化所导致[5]。NIKE和ANTA在应力达到0.04 kN前，压缩曲线几乎重合。此后，应力在从0.04 kN增加到0.13 kN这个阶段，NIKE的压缩曲线斜率变大，这个阶段是从足跟刚着地过度到整个足跟部分着地的过程（见图4），此阶段是由于NIKE气垫中的每个密闭气室收到外力的压缩，使得内部的压力上升，给与足跟部一个反作用力造成的曲线斜率的变大。

图4 3双篮球鞋的模量时间图Figure 4 The modulus time map ofthree pairs ofbasketballshoes

从图4可以看出，3双鞋的模量都随时间的增加而增加。其中模量最小的是ADIDAS的EVA发泡材料，NIKE与ANTA在压缩初期的模量几乎相同，但是在足跟刚接触地面到整个足跟完全接触地面的阶段，NIKE的模量时间曲线出现了陡增。说明气垫在此时给与足跟部的反作用力相对于ADIDAS和ANTA来说要大。

2.2 3双鞋能量吸收的特征

2.3 压缩3双篮球鞋的应力松弛

应力松弛，就是在恒定温度和形变保持不变的情况下，材料内部的应力随着时间增加而逐渐衰减的现象。应力松弛是黏弹性材料的重要力学特性之一[6]。3双篮球鞋的应力松弛曲线见图6。

由图6可得，3双鞋的在应力几乎相同的情况下，应力的变化率有所不同。NIKE的应力松弛曲线衰减的幅度明显要比ADIDAS和ANTA小，而ADIDAS和ANTA在初始阶段略有不同，但从10 s左右开始，两条曲线几乎重合。ADIDAS的应力松弛曲线方程为y=913.83e-0.0039x，可决系数为R2=0.888 4，ANTA的应力松弛曲线方程为y=915.01e-0.004x，可决系数为R2=0.879 9，而NIKE的气垫的应力松弛是在压力的作用下，密闭气室内部的体积被压缩，但由于气体没有向外扩散，导致气垫内部给与压力的反作用力上升，从而使应力的衰减减缓。其应力松弛曲线方程为y=924.96e-0.0026x，可决系数为R2=0.9093（x横坐标为时间s，y纵坐标为应力N）。

3讨 论

ANTA-A-Core，中文是“磁芯”的意思，主要功能集中在减震和反弹两点。ADIDAS-adiPRENE，这是一种经过高温分解后重新排列分子的专利EVA材料，并通过注射发泡成形的这种EVA内部为小蜂巢结构，比传统的EVA吸收冲击力和提供反弹力的效果更好[7]。通常被放置在脚后跟冲击的区域，它能够很好的吸收冲击力，更好的分散压力。NIKE-Zoom Air是高弹性气垫，是一款装有织物芯体且外表扁平的气垫，芯体的材料一般是尼龙三维立体织物，这种织物分上下两层，中间有致密的纵向纤维连接，将织物的上下两层各连接到气室的上下内壁，通过气体的特性和纤维的延伸性能提供更加灵敏、快速的反应[8]。

在图5中，在0.02 s到0.04 s这个阶段，3双鞋的弹性模量和能量的吸收均陡增。因为这个阶段是足跟刚一接触地面到整个足跟接触地面的阶段，身体的压力全部集中在足跟部，因此出现了陡增。从0.04 s到0.10 s是整个足跟着地过度到全足着地的阶段，足跟的压力逐渐分散到全足，所以此后3双鞋的模量和能量吸收的增加都减缓。在整个阶段中，因为NIKE的模量（应力/应变）最大，所以吸收的能量也最多。发泡材料在受到外应力作用产生应变后，外力所作的功被转化为势能储存起来或着热能耗散掉。而ADIDAS的EVA发泡材料中的气泡可以看作是零模量的，在较低的应变区域内，气泡壁主要起到承载的作用，所以弹性模量较小[9]。应变达到一定的值以后，材料模量突然增大，压缩曲线陡然增高，这是因为达到一定的应变以后，材料内的泡孔被压实，产生塌陷，材料致密化所导致，因此此后的曲线也趋于平缓[10]。

在应力松弛试验中，ADIDAS和ANTA的发泡材料其应力松弛不仅包含分子链段的松弛，还包含有气体扩散过程而导致的应力下降，即在压力作用下，发泡材料体积被压缩，泡孔内的气体压力上升，导致气体通过泡壁向外扩散，从而导致泡孔内的气体压力降低、应力下降。

4 结论与建议

（1）足跟初始着地到全部足跟着地的阶段，NIKE的模量最大，应力松弛的衰减比较慢，它对足跟部有较好的支撑作用。而在全足跟着地到全掌着地时期，3双鞋的支撑作用差异不大。（2）从全足跟着地到全掌着地，随着足跟部分应力的增加，NIKE吸收的能量也增加，在3双鞋中能量吸收最多，因此起到的减震效果最好。因此NIKE的篮球鞋比较适合于体重较大的锻炼者穿着。（3）ADIDAS的应变比较大，形变也比较大，因此对足的支撑比较差，容易造成技术动作的变形。（4）本研究对3个品牌的篮球鞋进行了分析研究，建议ADIDAS和ANTA在足跟部材料的能量吸收这一方面进行更多的研究和新技术开发，以适应各种锻炼群体的需要。

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Compression Performance of Three Kinds of Basketball Shoes Heel

SONG Yawei,CAI Yixi,HUA Yufei
(Dept.of Human Sports Science,Nanjing Institute of Physical Education,Nanjing 210014,China)

Objective:Through heel compression performance of three kinds of basketball shoes to cushion shock absorption capabilities for scientific evaluation.Methods:A basketball professional college student dressed in three kinds of high technology top brand basketball shoes made by home and abroad (NIKE FLIGHT96,ADIDAS TS PROMODEL and ANTA"hegemony"three generations)in the normal walking speed distribution of plantar pressure under the test,combined with Instron material testing machine mechanics of three different types of shoes materials compression test on the relevant data for analysis.Results:Three brand of shoes through the compression behavior,energy absorption characteristics and stress relaxation parameters for comparison and analysis,under the same stress,NIKE strain the smallest,NIKE's modulus and energy absorption maximum,followed by ANTA and ADIDAS.In the stress relaxation experiment,NIKE stress relaxation attenuation to a minimum,ANTA and ADIDAS almost the same.Discussion:Analysis of three pairs of shoes has different compression performance reasons.Conclusions:NIKE described the advantages of the compression performance,and ADIDAS,and ANTA in compression performance deficiencies recommendations.

basketball shoes;compression experiments;elasticity modulus;stress relaxation

G 804.61

A

1005-0000（2010）01-0057-03

2009-05-31；

2009-11-05；录用日期：2009-11-10

宋雅伟（1970-），男，江苏连云港人，博士，南京体育学院副教授。

南京体育学院运动人体科学系，南京210014。