鞋底结构对足底压力和平衡性的影响

鞋底结构对足底压力和平衡性的影响

以来自三名男性患者的足部无拇指倒置等足部疾病和足部损伤史的男性患者为研究对象，他们在光脚、无底足部运动、艾中底足部运动和内底匡足运动的生物力学测试上进行了实验。本文研究了运动中低层结构对地板压力和平衡的影响，并为鞋业提供了参考的生物力学数据。1鞋、鞋的舒适性随着人们生活水平的提高,运动鞋的穿用对象已不局限于运动员,打破了职业、年龄和性别的界限,渗透到社会的每一个角落,走进了千家万户。运动鞋的作用也不再仅限于保护人脚免受外物伤害和美化体态仪表,运动鞋的穿用舒适性成为消费者的共同追求,因此,运动鞋的舒适性研究也就成为现代制鞋领域的前沿课题,其中足底压力是影响鞋类穿用舒适性能最重要的一个方面。因此,在设计和制作鞋类产品时,了解足底的受力情况是很有必要的。人在行走或快跑时,人脚承受巨大的重力,脚底也因此承受着很大的压强,如果某个部位的压强大到超出一定范围,可能会引发伤痛或产生不舒适的感觉,所以脚底各部位所承受的压力,对鞋的舒适性有着重要影响,也就是说鞋的舒适度取决于施加和分布于脚和鞋之间的压力或压强。鞋底是运动鞋的关键部件,主要由大底(又称外底)、中底和内底(又称鞋垫)三部分构成。其中,中底和内底是运动鞋结构设计的重点,是确保运动鞋具备良好缓冲性、减震性和能量回归的重要构件,它直接影响着运动鞋的功能和舒适性。具有高技术减震性能的运动鞋中底,可使人体重量比较合理地分布在脚的各个部位,缓冲运动对大脑、跟骨和身体其他部位造成的震荡,保证了运动鞋的舒适性需求。因此,具备减震缓冲功能的基料或底材做鞋的中底,是运动鞋重要的组成部分。本研究主要根据人行走时足底所受压力大小及分布,对运动鞋鞋底进行适当调整,从足底压力和平衡性等方面,研究运动鞋的中底结构对成鞋舒适性的影响。2试验部分2.1研究主题2.1.1足部损伤史的危险因素本研究选取足部无拇趾外翻等足部疾病和足部损伤史的3名男性受试者作为试验对象,受试者身体状况和足部机能均良好,且所穿鞋码相同。受试者基本信息见表1。2.1.2测试中的鞋和材料外底相同的无中底运动鞋、EVA中底运动鞋各3双,鞋码均为41码;柔软度良好的乳胶内底3双,鞋码均为40码。2.2试验设备比利时爱尔思康公司的“Footscan”足底压力测试系统,测试板长2m,传感器数目16384个,采样频率500Hz。2.3材料和检测数据(1)3名受试者均以2m/s的行走速度光脚走过足底压力测试板,采集足底生物力学及内外翻数据。(2)3名受试者均穿着无中底的运动鞋以2m/s的速度走过足底压力测试板,采集足底生物力学及内外翻数据。(3)3名受试者均穿着EVA中底的运动鞋以2m/s的速度走过足底压力测试板,采集足底生物力学及内外翻数据。(4)将乳胶内底放入无中底的运动鞋内,3名受试者均穿着添加内底后的运动鞋以2m/s的速度走过足底压力测试板,采集足底生物力学及内外翻数据。2.4可有效采集外翻稳定性的内外翻数据“Footscan”足底压力测试系统通过测试板的传感器,经计算机连续采样,可自动采集到足底各区域压力和压强值及表征人脚行走平衡性的内外翻数据。本研究中数据的统计处理在MicrosoftExcel中完成。3结果与分析3.1外布本底布人在行走和运动状态下,身体的重力最终承载在脚底面上,集中分布于足底各部位。足底受力部位划分见图1。为了便于研究,将大脚趾1～脚趾5统称为脚趾部位,跖骨1～跖骨5统称为跖骨部位,因此,人足底受力主要分布于脚趾、跖骨、中足和后跟4个部位。3.2外包材料的选择和外包的研究减震缓冲性能反映的是鞋保护人脚免受外力侵害和增进脚感舒适的能力。影响运动鞋减震缓冲性能的主要因素与鞋底材料及其结构有关。足底所受的压力主要是人体重力作用于地面产生的反作用力,足底局部压力过大,轻则使脚的神经、血液、皮肤及生理机能受到损伤,重则使韧带、肌肉甚至骨骼遭受永久性伤害。因此,对足底压力进行研究的目的主要是通过改变鞋底结构或材质,提高鞋底抵抗地面冲击的能力,减小地面对足底的反作用力,避免足部受到伤害而产生足部疾病,从而达到保护人脚健康的目的。足底压强是足底单位面积所承受的地面反作用力,足底压强与人脚感觉舒适性息息相关,足底压强过大,人脚会感觉到压迫感甚至疼痛,足底压强小,则人脚感觉自然、放松。在相同的运动速度下,人体足部受到的地面反作用力是相等的,而由于鞋底的存在,可产生不同的接触面积和不同的弹性效果。因此,对足底压强的研究,主要通过提高鞋底的适脚性,增大人脚与鞋底的接触面积或提高鞋底的吸震性,降低地面对足底的反作用力,避免高压强区的出现,从而达到增强脚感舒适性的目的。3.2.1材料的分散和有效分散压力研究受试者以相同的运动状态穿着不同鞋底结构的运动鞋测试后足底各主要部位所受最大压力,可分析得到中底的吸震性和护脚性,有效避免足底局部压力过大,降低人脚行走或运动过程中受伤的风险。由表2～表4可以看出,3名受试者光脚走路时,受力较大部位均主要分布于跖骨和足跟,而跖骨部位为整个足底承重的骨骼支架,后跟部位生长着较多的运动韧带,因此,这两个部位都是人脚运动过程中需要重点保护的部位。所以,是否能有效分散这两个部位的压力,就成为判断运动鞋减震性能好坏的关键。3名受试者穿着无中底的运动鞋测试时,除了001受试者左足足跟和右足跖骨部位所受压力较光脚时小外,其余的跖骨和足跟部位所受压力均较光脚时大,说明无中底的运动鞋并不能有效减缓跖骨和足跟的压力,反而大大增加了中足的压力,使其成为了足底压力最大的部位,增加了受伤的风险。3名受试者穿着EVA中底运动鞋测试时,除002受试者左足跖骨部位和003受试者左足足跟部位受力较光脚时稍大外,其余的跖骨和足跟部位均较光脚时受力小,且其他部位也未出现足底压力过大,说明EVA中底运动鞋可有效分散足底各部位的压力,使需要重点保护的足底区域压力得到缓解,而压力不足的中足部位得到支撑,使足底压力的分布更加均匀。3名受试者穿着乳胶内底的运动鞋测试时,其跖骨和足跟部位受力均较光脚时小,且其他部位也未出现受力过大的情况,说明乳胶鞋垫亦可合理调整足底压力分布,减小压力的高峰值。3.2.2试验结果分析足底压强反映的是人脚感觉的舒适性,因此研究受试者以相同的运动状态穿着不同鞋底结构的运动鞋测试后足底各主要部位所受最大压强,可分析得到人脚各部位对鞋感觉的舒适度,从而设法避免足底局部压强过大,降低人脚的不适感和疼痛感。由表5～表7可以看出,与足底最大压力分布相似,3名受试者光脚测试时,压强最大部位均主要分布于跖骨和足跟,因此,有效降低这两个部位的压强就成为了鞋类设计尤其是中底设计的关键。穿着无中底的运动鞋测试时,3名受试者跖骨和足跟部位所受压强均略小于光脚时,说明穿鞋有助于增大足底的接触面积,减小足底压强,但与穿着EVA中底的运动鞋和乳胶内底的运动鞋相比较,其压强仍较大,舒适性依然不佳。穿着EVA中底的运动鞋测试时,3名受试者的跖骨和足跟部位最大压强均最小,且脚趾和中足部位压强亦不大,说明EVA中底能有效降低和平衡足底各部位压强,增强鞋的穿着舒适性。穿着乳胶内底的运动鞋测试时,3名受试者跖骨和足跟部位最大压强均较光脚和穿着无中底的运动鞋时小,但较穿着EVA中底的运动鞋大,说明乳胶鞋垫亦可降低和缓解足底压强,增进脚感舒适性,但其效果不如EVA中底。3.3压力中心轨迹与平衡深度的平衡足底平衡性反映的是人行走或运动过程中脚的平衡稳定性。评判足底平衡性好坏的两大指标是足底的压力中心轨迹与平衡中心线的偏离情况和足底内外翻情况。足底的压力中心轨迹与平衡中心线偏离越大,足底内外翻数值越大,说明足底平衡性越差,脚踝关节越容易扭伤。3.3.1底的压力中心轨迹比对测试后,足底的压力中心轨迹和平衡中心线可直观的从足底图像中看出,因此,通过对两条线的比对,可大致看出足底平衡性。图2为足底的压力中心轨迹与平衡中心线比对示意图,其中直线为平衡中心线,曲线为足底的压力中心轨迹。3名受试者测试后,均发现以下规律:足底的压力中心轨迹与平衡中心线的偏离程度由小到大的顺序依次为穿着无中底的运动鞋<光脚<穿着乳胶内底的运动鞋<穿着EVA中底的运动鞋,说明无中底的运动鞋对脚的平衡性最好,EVA中底的运动鞋对脚的平衡性最差,乳胶内底的运动鞋对脚的平衡性居两者之中。3.3.2外底对人脚运动稳定性的影响内外翻数值是对足底平衡性的精确表征。图3为人脚行走或运动过程中内翻或外翻示意图。从表8～表10可以看出,3名受试者穿着无中底的运动鞋测试后,内翻或外翻最大角度均较光脚时略小,说明外底对人脚有一定的固定作用,可阻止行走或运动时人脚的左右晃动,足底平衡性稍好。3名受试者穿着EVA中底的运动鞋测试后,内翻或外翻的最大角度均较光脚时大,说明弹性好的EVA中底不易于将脚固定,致使人脚行走或运动过程中平衡稳定性不佳。穿着乳胶内底的运动鞋测试后,内翻或外翻的最大角度也较光脚时大,但较穿着EVA中底的运动鞋小,说明厚度均匀的乳胶内底对增强足底的平衡性并无作用,应根据光脚时足底的压力中心轨迹,有针对性的对足底某些部位进行相应填充,增强足底的整体平衡性。4eva中底和乳内底对脚稳定性的对比通过本次试验分析得出以下结论:(1)无中底的运动鞋减震缓冲性能不良,护脚性和舒适性均不佳,但其对脚有一定的固定作用,有利于增强脚的平衡性。(2)EVA中底和乳胶内底具有较好的减震缓冲性,可有效减缓外力对脚的伤害和增强脚的舒适性,但由于其较柔软,不能增强脚的平衡稳定性。相比之下,EVA中底的减震缓冲性能更好,但其对脚的平衡性较乳胶内底差。因此,在设计和制作运动鞋时,可根据光脚的压力中心轨迹及内外翻情况,选择硬度适中的外底,增强脚的平衡性,再根据光脚的受力分布,选