不同场地对足球运动员侧切动作足底动力学的影响

何志强，郑晓兵，刘海斌，元文学，丛陪信

（1.大连理工大学体育教学部，大连 辽宁 116024；2.大连理工大学材料科学与工程学院，大连 辽宁 116024)

运动人体科学

不同场地对足球运动员侧切动作足底动力学的影响

何志强1，郑晓兵2，刘海斌1，元文学1，丛陪信1

（1.大连理工大学体育教学部，大连 辽宁 116024；2.大连理工大学材料科学与工程学院，大连 辽宁 116024)

足球是世界上最流行、参与人数最多的运动项目，素有“世界第一运动”的美誉，足球运动在给人们带来激情的同时，也给众多参与者带来了痛苦的损伤，造成运动损伤的各种因素中，场地因素是最主要的原因之一。为了解不同足球场地（天然草、人造草、木地板、橡胶场）对运动员足底动力学的影响，本研究选取8名男性大学高水平足球运动员作为实验对象，应用三维测力平台，通过测力平台实时记录的力值数据进行绘图分析，研究不同场地（天然草、人造草、木地板、橡胶场）对实验对象变向侧切动作的足底摩擦力和扭矩的影响。结果表明：天然草场地摩擦力和扭矩特性最佳，人造草次之，木地板和橡胶场地性能较差，不适宜用作足球运动场地，但天然草场地的维护使用费用昂贵，因此人造草场地是目前较为理想的高校足球运动场地。

足球运动 ；关节损伤 ；不同场地 ；摩擦力 ；旋转扭矩

足球是世界上最流行、参与人数最多的运动项目，素有“世界第一运动”的美誉。高速的奔跑、频繁的身体碰撞以及复杂的技术动作，在给人们带来激情的同时也对身体各部位造成很大的损伤隐患[1]。因此为探究足球运动损伤的具体情况，国内外的相关研究学者做了大量的研究[2-6]。

研究表明[7]：足球运动损伤大多发生在下肢，其中踝关节和膝关节因其特殊结构以及复杂的受力状况致使损伤最为常见。在造成损伤的各种因素中，足球场地质量不佳是最主要的原因[8]。因此，研究不同场地对运动员足底动力学的影响对减少和防范足球运动中的损伤具有重要指导意义。

目前国内外常见的足球场地分为天然草、人造草、橡胶和木地板4种。不同场地会对足球运动员足底产生不同的摩擦力。做旋转动作时，足底与运动场地间物理分布产生的摩擦力相互作用会产生足底扭矩，这种足底扭矩是影响下肢关节旋转扭矩的主要因素[9-11]。旋转扭矩是已知的造成竞技体育中受伤较多的高风险因素之一[11]。即使经验丰富的球员对不同场地关于足底扭矩大小也是所知甚少。

由此可见，足底运动和地面之间的高旋转扭矩与下肢和膝关节的扭损伤是紧密、复杂关联的[11]。然而，针对不同场地对足球运动员足底动力学影响方面的研究却并未见详细的报道。

因此，本研究选取8名大学高水平男性足球运动员作为实验对象，应用三维测力平台，研究不同场地（天然草、人造草、木地板、橡胶场）对实验对象变向侧切动作的足底摩擦力和扭矩的影响。

本研究不仅揭示了不同足球场地对运动员足底动力学的影响，还为足球赛事如何选择合理的足球场地提供了有效的动力学信息，同时也为进一步研究不同场地对足球运动员下肢关节损伤的力学机制提供了一定的方法学基础。充足的理论依据。

1.2.2 实验法

1.2.2.1 实验对象 实验对象选取大学高水平男子足球队队员8人（平均身高176.84cm，平均体重68.66kg），都不存在神经和运动系统疾病。

1.2.2.2 实验设备 采用自主研发的三维测力平台DLUT4060-2系统[12-14]对不同场地情况下，足球技术动作进行力学分析。该系统由测力平台由（DLUT4060，台面面积400*600，采样频率800Hz，触发门限10N）电荷放大器、A/D转换器、数据采集和数据分析软件构成。三维测力平台在使用前需要进行标定。图1为测力平台、钢板和地面材质的组装图。钢板与测力平台通过6个螺丝钉固定在一起，钢板有凹槽，在凹槽上放入实验用不同地面材质。图2为改造后的跑道装备图。

图1 测力平台、钢板和地面材质的组装

图2 改造后的跑道装备

1.2.2.3 场地标准 橡胶地面、人工草地、地板地面、天然草地这4种地面在足球比赛中都会经常用到。天然草地在职业足球比赛中主要使用，人工草地在非职业运动员比赛或者学生比赛中最为常见，地板地面和橡胶地面更多的是应用于五人制足球比赛以及一些业余的足球运动会中（图3）。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象以不同场地对足球运动员侧切动作足底动力学的影响为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法 通过查阅近20篇中外文献，了解前人在足球运动与场地对运动员身体损伤情况方面的研究成果，并分析、讨论了摩擦力和旋转扭矩对不同部位的损伤影响情况，对本研究课题的开展以及后续实验提供了

1）橡胶地面：橡胶地面采用橡胶颗粒与粘合剂及无毒、无污染颜料经模压热固成型的田径场地专用橡胶地面。

2）人造草地：根据足球运动的特点和国际足联（FIFA）的技术标准要求，草高55～64mm，在外观上几乎与天然草相差无几，色泽鲜亮。

3）地板地面：地板是一种具有优良的承载性能、高吸震性能、高抗变形性能的专用运动木质地板。

4）天然草地：选取比赛用天然草坪的一部分作为实验用草，草的高度一般在3～5cm。

本实验用到的4种场地材质见图3。

1.2.2.4 实验过程 实验前，对所有实验对象进行实验目的和内容的相关培训，尤其是对实验对象进行足球侧切技术动作培训，并且所有实验对象签订自愿参加、无报酬协议书。

实验过程中，要求所有实验对象穿着耐克传奇（Nike TIEMPO RIO II 5）碎钉足球鞋和专业足球训练服。

实验地点：大连理工大学体育教学部实验室，实验时间为2016年5月。

以足球运动中最易造成踝关节损伤的斜线变向跑技术动作为研究内容。

斜线变向跑（此动作在足球比赛中进攻队员会经常用到，因为进攻队员会在高速当中使用一些假动作来摆脱防守队员，所以进攻队员会在比赛中不断使用此动作，然而这一动作也会对足球运动员的踝关节造成一定的伤害）：运动员沿直线向前跑，前方的足底突然发生向外扭转，使得前进方向由向前改为向两侧偏移称为斜线变向跑。

为了减小人为因素引入的误差，要求每人每个动作重复测试20次，每次测试前让实验对象充分休息，以确保实验对象每次动作正确规范，符合真实比赛时的状态。图4为本实验运用的斜线变向跑的路线图。

1.2.3 数理统计法 运动员足底与不同场地接触时的X、Y方向的摩擦力以及旋转扭矩将由三维测力平台实时监测记录，将得到的数据导入SigmaPlot数据处理软件，进行绘图比较分析。

图5 4种场地足底x方向摩擦力变化曲线

图6 4种场地足底y方向摩擦力变化曲线

2 结 果

2.1 X方向摩擦力由横切动作要领可知，足底X方向摩擦力的变化应存在制动过程和提供横向变向动力2个阶段。摩擦力的变化趋势为先减小，然后反向增大，直至慢慢离开地面又趋于零。

由图5可以看出，4种场地都能较好地拟合这个过程，且制动过程几乎一致，但提供横向变向的能力有很大差异，橡胶场地提供的摩擦力最大，木地板最小，天然草和人造草相近。

图5中反向摩擦力增大的过程中存在一个小的峰谷，这是由于运动员在横向变向的过程中出现了微小幅度的垫步，对场地的压力稍有减小，导致足底摩擦力减小。

2.2 Y方向摩擦力Y方向为足球运动员的前进方向，此方向上同样存在制动和提供向前动力2个阶段，不过在Y方向上足球运动员的重心由后向前移动的变化不能忽视，所以Y方向摩擦力在最初的阶段随着正压力的增大而先增加，后减到零，然后反向提供向前的动力。

由图6可以看出，人造草、橡胶场地和木地板都呈现这种情况，但天然草在Y方向上的摩擦力直接减小，且综合图1、图2来看，天然草在2个方向上几乎同时完成制动，较其他3种场地来说更为高效，这是由于天然草场地土壤形变能很好地吸收制动能量。此外，由于微小幅度的垫步导致出现了二次制动，形成类似图1曲线的起伏现象。

2.3 足底旋转扭矩本文全面地比较了4种常见的足球场地与足球运动员足底接触的扭矩大小。图7扭矩变化曲线可以明显看出，橡胶场地造成的旋转扭矩最大，然后依次是人造草、天然草、木地板。

图7 4种场地足底Tz旋转扭矩变化曲线

3 讨 论

由图5、图6、图7可以清晰地了解4种场地对运动员足底摩擦力和旋转扭矩特性的不同影响。有研究表明[8]，摩擦力是导致足球运动员严重损伤的重要因素之一，在各种损伤的诱因中占到了三分之二。尤其是穿钉鞋在人造草场地上进行足球运动会增加损伤几率，在扭转、滑行等动作时更易发生损伤[15]。本文仅选取统一的碎钉足球鞋，故可忽略不同鞋钉对数据的影响。

关于足球运动中足底与地面接触所产生的2种摩擦力前人也有所研究，2种摩擦力在足球运动中发挥着很重要的作用，但同时也是致病的最大隐患。摩擦力有助于高效完成急停、加速、变向等动作，但高的摩擦力也会对踝关节和膝关节造成过多的负荷，过小的摩擦力又会导致滑行，也容易因此而损伤[16]，所以足底与场地接触摩擦力应处于一个合理的范围才最适宜用于足球运动。

通过图5、图6还可以明显看出，橡胶场地摩擦力过大，木地板摩擦力过小，都不宜用于比赛场地，人造草和天然草的摩擦力在两者之间且近似一致，只是在Y方向上初始阶段天然草的性能更佳，上文已做详细分析。除了摩擦力，足底旋转扭矩也是导致足球运动员损伤的另一关键因素，特别是对踝关节和膝关节的损伤[11]。

关于不同场地对旋转扭矩的影响国内外早有研究，但主要针对人造草和天然草2种场地的比较，Villwock的实验也证实了人造草所产生的扭矩明显大于天然草[17]，这和本实验所得结果基本一致。所以结合摩擦力考虑，天然草场地最适宜用作足球比赛场地，但天然草场地造价成本较高。有研究表明，在人造草场地每天使用8h、天然草场地每天使用0.6h的情况下，前者的维护费用也只有后者的15%左右[18]，大大降低了使用成本。在场地性能要求不高的情况下，可以选择合适的人造草场地开展足球运动。

4 结论与建议

4.1 结论4种足球场地各有特点：橡胶场地摩擦力较大,旋转扭矩较大；木地板摩擦力最小,旋转扭矩也较小；天然草和人造草在X方向上摩擦力曲线趋势相近,但在Y方向上，天然草的制动效率高于人造草，对比两者扭矩曲线，天然草场地扭矩明显小于人造草。

4.2 建议综合比较4种场地的性能，橡胶场地因摩擦力和旋转扭矩过大会使足球运动员脚踝损伤风险增加，而木地板的摩擦力和旋转扭矩又过小导致抓地力差,不足以提供动力，同时也容易导致滑动损伤，两者不适合开展足球运动。天然草的摩擦力和旋转扭矩较为适中，有利于减轻对脚踝的损伤,更适合开展足球运动，但天然草场地造价以及维护费用昂贵，并不能得到广泛应用，相比其他足球场地，人造草的性能较优也更为接近天然草，因此可以选用人造草场地进行替代。

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Effects of Different Field on Cutting Movement in Soccer Players

HE Zhi-qiang1, ZHENG Xiao-bing2, LIU Hai-bin1, YUAN Wen-xue1，CONG Pei-xin
(1.Department of Physical Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China; 2.School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China)

Soccer has always been considered as the f i rst sport in the world because of its popularity and numerous fans. However, it not only decorates the world with passion, but also injures players. Early studies have shown that the quality of field is the main reason among various factors inducing injury. In order to have a clear acknowledge of the effects on foot dynamics between different fields (natural grassland, artif i cial grass, wood f i eld and rubber f i eld), eight professional male soccer players have been recruited in the experiment. With the force plates, use the force value data from the force plates to plot and analyze, the effects of different f i elds (natural grassland, artif i cial grass, wood f i eld and rubber f i eld) on subjects’ foot friction and rotating torque could be measured when subjects performed cutting movement. Results in this study shown that the friction and rotating torque property of natural grassland f i ts subject best and arti fi cial grass fi eld is less preferable, but wood or rubber fi eld is not a good choice for soccer field due to their inferior property. But the cost of using and maintaining natural grassland is expensive, so artif i cial grass is more ideal alternative in college soccer sport.

soccer; injury of joint; different f i eld; friction force; rotating torque

G804.2

A

1004 - 7662(2017)03- 0077-05

2017-02-05

何志强 ，讲师 ，硕士 ，研究方向 ：运动人体科学。