鞋底結(jié)構(gòu)對足底壓力和平衡性的影響

鞋底結(jié)構(gòu)對足底壓力和平衡性的影響

以來自三名男性患者的足部無拇指倒置等足部疾病和足部損傷史的男性患者為研究對象，他們在光腳、無底足部運動、艾中底足部運動和內(nèi)底匡足運動的生物力學(xué)測試上進(jìn)行了實驗。本文研究了運動中低層結(jié)構(gòu)對地板壓力和平衡的影響，并為鞋業(yè)提供了參考的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。1鞋、鞋的舒適性隨著人們生活水平的提高,運動鞋的穿用對象已不局限于運動員,打破了職業(yè)、年齡和性別的界限,滲透到社會的每一個角落,走進(jìn)了千家萬戶。運動鞋的作用也不再僅限于保護(hù)人腳免受外物傷害和美化體態(tài)儀表,運動鞋的穿用舒適性成為消費者的共同追求,因此,運動鞋的舒適性研究也就成為現(xiàn)代制鞋領(lǐng)域的前沿課題,其中足底壓力是影響鞋類穿用舒適性能最重要的一個方面。因此,在設(shè)計和制作鞋類產(chǎn)品時,了解足底的受力情況是很有必要的。人在行走或快跑時,人腳承受巨大的重力,腳底也因此承受著很大的壓強,如果某個部位的壓強大到超出一定范圍,可能會引發(fā)傷痛或產(chǎn)生不舒適的感覺,所以腳底各部位所承受的壓力,對鞋的舒適性有著重要影響,也就是說鞋的舒適度取決于施加和分布于腳和鞋之間的壓力或壓強。鞋底是運動鞋的關(guān)鍵部件,主要由大底(又稱外底)、中底和內(nèi)底(又稱鞋墊)三部分構(gòu)成。其中,中底和內(nèi)底是運動鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點,是確保運動鞋具備良好緩沖性、減震性和能量回歸的重要構(gòu)件,它直接影響著運動鞋的功能和舒適性。具有高技術(shù)減震性能的運動鞋中底,可使人體重量比較合理地分布在腳的各個部位,緩沖運動對大腦、跟骨和身體其他部位造成的震蕩,保證了運動鞋的舒適性需求。因此,具備減震緩沖功能的基料或底材做鞋的中底,是運動鞋重要的組成部分。本研究主要根據(jù)人行走時足底所受壓力大小及分布,對運動鞋鞋底進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,從足底壓力和平衡性等方面,研究運動鞋的中底結(jié)構(gòu)對成鞋舒適性的影響。2試驗部分2.1研究主題2.1.1足部損傷史的危險因素本研究選取足部無拇趾外翻等足部疾病和足部損傷史的3名男性受試者作為試驗對象,受試者身體狀況和足部機能均良好,且所穿鞋碼相同。受試者基本信息見表1。2.1.2測試中的鞋和材料外底相同的無中底運動鞋、EVA中底運動鞋各3雙,鞋碼均為41碼;柔軟度良好的乳膠內(nèi)底3雙,鞋碼均為40碼。2.2試驗設(shè)備比利時愛爾思康公司的“Footscan”足底壓力測試系統(tǒng),測試板長2m,傳感器數(shù)目16384個,采樣頻率500Hz。2.3材料和檢測數(shù)據(jù)(1)3名受試者均以2m/s的行走速度光腳走過足底壓力測試板,采集足底生物力學(xué)及內(nèi)外翻數(shù)據(jù)。(2)3名受試者均穿著無中底的運動鞋以2m/s的速度走過足底壓力測試板,采集足底生物力學(xué)及內(nèi)外翻數(shù)據(jù)。(3)3名受試者均穿著EVA中底的運動鞋以2m/s的速度走過足底壓力測試板,采集足底生物力學(xué)及內(nèi)外翻數(shù)據(jù)。(4)將乳膠內(nèi)底放入無中底的運動鞋內(nèi),3名受試者均穿著添加內(nèi)底后的運動鞋以2m/s的速度走過足底壓力測試板,采集足底生物力學(xué)及內(nèi)外翻數(shù)據(jù)。2.4可有效采集外翻穩(wěn)定性的內(nèi)外翻數(shù)據(jù)“Footscan”足底壓力測試系統(tǒng)通過測試板的傳感器,經(jīng)計算機連續(xù)采樣,可自動采集到足底各區(qū)域壓力和壓強值及表征人腳行走平衡性的內(nèi)外翻數(shù)據(jù)。本研究中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理在MicrosoftExcel中完成。3結(jié)果與分析3.1外布本底布人在行走和運動狀態(tài)下,身體的重力最終承載在腳底面上,集中分布于足底各部位。足底受力部位劃分見圖1。為了便于研究,將大腳趾1～腳趾5統(tǒng)稱為腳趾部位,跖骨1～跖骨5統(tǒng)稱為跖骨部位,因此,人足底受力主要分布于腳趾、跖骨、中足和后跟4個部位。3.2外包材料的選擇和外包的研究減震緩沖性能反映的是鞋保護(hù)人腳免受外力侵害和增進(jìn)腳感舒適的能力。影響運動鞋減震緩沖性能的主要因素與鞋底材料及其結(jié)構(gòu)有關(guān)。足底所受的壓力主要是人體重力作用于地面產(chǎn)生的反作用力,足底局部壓力過大,輕則使腳的神經(jīng)、血液、皮膚及生理機能受到損傷,重則使韌帶、肌肉甚至骨骼遭受永久性傷害。因此,對足底壓力進(jìn)行研究的目的主要是通過改變鞋底結(jié)構(gòu)或材質(zhì),提高鞋底抵抗地面沖擊的能力,減小地面對足底的反作用力,避免足部受到傷害而產(chǎn)生足部疾病,從而達(dá)到保護(hù)人腳健康的目的。足底壓強是足底單位面積所承受的地面反作用力,足底壓強與人腳感覺舒適性息息相關(guān),足底壓強過大,人腳會感覺到壓迫感甚至疼痛,足底壓強小,則人腳感覺自然、放松。在相同的運動速度下,人體足部受到的地面反作用力是相等的,而由于鞋底的存在,可產(chǎn)生不同的接觸面積和不同的彈性效果。因此,對足底壓強的研究,主要通過提高鞋底的適腳性,增大人腳與鞋底的接觸面積或提高鞋底的吸震性,降低地面對足底的反作用力,避免高壓強區(qū)的出現(xiàn),從而達(dá)到增強腳感舒適性的目的。3.2.1材料的分散和有效分散壓力研究受試者以相同的運動狀態(tài)穿著不同鞋底結(jié)構(gòu)的運動鞋測試后足底各主要部位所受最大壓力,可分析得到中底的吸震性和護(hù)腳性,有效避免足底局部壓力過大,降低人腳行走或運動過程中受傷的風(fēng)險。由表2～表4可以看出,3名受試者光腳走路時,受力較大部位均主要分布于跖骨和足跟,而跖骨部位為整個足底承重的骨骼支架,后跟部位生長著較多的運動韌帶,因此,這兩個部位都是人腳運動過程中需要重點保護(hù)的部位。所以,是否能有效分散這兩個部位的壓力,就成為判斷運動鞋減震性能好壞的關(guān)鍵。3名受試者穿著無中底的運動鞋測試時,除了001受試者左足足跟和右足跖骨部位所受壓力較光腳時小外,其余的跖骨和足跟部位所受壓力均較光腳時大,說明無中底的運動鞋并不能有效減緩跖骨和足跟的壓力,反而大大增加了中足的壓力,使其成為了足底壓力最大的部位,增加了受傷的風(fēng)險。3名受試者穿著EVA中底運動鞋測試時,除002受試者左足跖骨部位和003受試者左足足跟部位受力較光腳時稍大外,其余的跖骨和足跟部位均較光腳時受力小,且其他部位也未出現(xiàn)足底壓力過大,說明EVA中底運動鞋可有效分散足底各部位的壓力,使需要重點保護(hù)的足底區(qū)域壓力得到緩解,而壓力不足的中足部位得到支撐,使足底壓力的分布更加均勻。3名受試者穿著乳膠內(nèi)底的運動鞋測試時,其跖骨和足跟部位受力均較光腳時小,且其他部位也未出現(xiàn)受力過大的情況,說明乳膠鞋墊亦可合理調(diào)整足底壓力分布,減小壓力的高峰值。3.2.2試驗結(jié)果分析足底壓強反映的是人腳感覺的舒適性,因此研究受試者以相同的運動狀態(tài)穿著不同鞋底結(jié)構(gòu)的運動鞋測試后足底各主要部位所受最大壓強,可分析得到人腳各部位對鞋感覺的舒適度,從而設(shè)法避免足底局部壓強過大,降低人腳的不適感和疼痛感。由表5～表7可以看出,與足底最大壓力分布相似,3名受試者光腳測試時,壓強最大部位均主要分布于跖骨和足跟,因此,有效降低這兩個部位的壓強就成為了鞋類設(shè)計尤其是中底設(shè)計的關(guān)鍵。穿著無中底的運動鞋測試時,3名受試者跖骨和足跟部位所受壓強均略小于光腳時,說明穿鞋有助于增大足底的接觸面積,減小足底壓強,但與穿著EVA中底的運動鞋和乳膠內(nèi)底的運動鞋相比較,其壓強仍較大,舒適性依然不佳。穿著EVA中底的運動鞋測試時,3名受試者的跖骨和足跟部位最大壓強均最小,且腳趾和中足部位壓強亦不大,說明EVA中底能有效降低和平衡足底各部位壓強,增強鞋的穿著舒適性。穿著乳膠內(nèi)底的運動鞋測試時,3名受試者跖骨和足跟部位最大壓強均較光腳和穿著無中底的運動鞋時小,但較穿著EVA中底的運動鞋大,說明乳膠鞋墊亦可降低和緩解足底壓強,增進(jìn)腳感舒適性,但其效果不如EVA中底。3.3壓力中心軌跡與平衡深度的平衡足底平衡性反映的是人行走或運動過程中腳的平衡穩(wěn)定性。評判足底平衡性好壞的兩大指標(biāo)是足底的壓力中心軌跡與平衡中心線的偏離情況和足底內(nèi)外翻情況。足底的壓力中心軌跡與平衡中心線偏離越大,足底內(nèi)外翻數(shù)值越大,說明足底平衡性越差,腳踝關(guān)節(jié)越容易扭傷。3.3.1底的壓力中心軌跡比對測試后,足底的壓力中心軌跡和平衡中心線可直觀的從足底圖像中看出,因此,通過對兩條線的比對,可大致看出足底平衡性。圖2為足底的壓力中心軌跡與平衡中心線比對示意圖,其中直線為平衡中心線,曲線為足底的壓力中心軌跡。3名受試者測試后,均發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:足底的壓力中心軌跡與平衡中心線的偏離程度由小到大的順序依次為穿著無中底的運動鞋<光腳<穿著乳膠內(nèi)底的運動鞋<穿著EVA中底的運動鞋,說明無中底的運動鞋對腳的平衡性最好,EVA中底的運動鞋對腳的平衡性最差,乳膠內(nèi)底的運動鞋對腳的平衡性居兩者之中。3.3.2外底對人腳運動穩(wěn)定性的影響內(nèi)外翻數(shù)值是對足底平衡性的精確表征。圖3為人腳行走或運動過程中內(nèi)翻或外翻示意圖。從表8～表10可以看出,3名受試者穿著無中底的運動鞋測試后,內(nèi)翻或外翻最大角度均較光腳時略小,說明外底對人腳有一定的固定作用,可阻止行走或運動時人腳的左右晃動,足底平衡性稍好。3名受試者穿著EVA中底的運動鞋測試后,內(nèi)翻或外翻的最大角度均較光腳時大,說明彈性好的EVA中底不易于將腳固定,致使人腳行走或運動過程中平衡穩(wěn)定性不佳。穿著乳膠內(nèi)底的運動鞋測試后,內(nèi)翻或外翻的最大角度也較光腳時大,但較穿著EVA中底的運動鞋小,說明厚度均勻的乳膠內(nèi)底對增強足底的平衡性并無作用,應(yīng)根據(jù)光腳時足底的壓力中心軌跡,有針對性的對足底某些部位進(jìn)行相應(yīng)填充,增強足底的整體平衡性。4eva中底和乳內(nèi)底對腳穩(wěn)定性的對比通過本次試驗分析得出以下結(jié)論:(1)無中底的運動鞋減震緩沖性能不良,護(hù)腳性和舒適性均不佳,但其對腳有一定的固定作用,有利于增強腳的平衡性。(2)EVA中底和乳膠內(nèi)底具有較好的減震緩沖性,可有效減緩?fù)饬δ_的傷害和增強腳的舒適性,但由于其較柔軟,不能增強腳的平衡穩(wěn)定性。相比之下,EVA中底的減震緩沖性能更好,但其對腳的平衡性較乳膠內(nèi)底差。因此,在設(shè)計和制作運動鞋時,可根據(jù)光腳的壓力中心軌跡及內(nèi)外翻情況,選擇硬度適中的外底,增強腳的平衡性,再根據(jù)光腳的受力分布,選