运动鞋的生物力学分析

回归自然的跑鞋就是裸足。Stiff等的研究指出，运动鞋会降低足 的本体感受功能，进而导致足损伤不降反升。裸足跑则能使人产生本 能适应，将落地时的冲力大部分传递至肌肉组织，而鞋中的应力却易 传递至足底腱膜。
4国内品牌运动鞋核心技术的生物力学研究
• 近年来，国内的品牌运动鞋制造商在实验室建设和高技术应 用等方面都取得了长足的进步，但这些领域的每一项进步，都与 生物力学有关。 李宁运动鞋的主要技术是使用BUONCE反弹技术来掌控篮球鞋前 掌部位的反弹，使用CUSHION缓冲垫技术来实现慢跑鞋和篮球鞋 后跟部位的减震。“李宁弓”的结构缓震技术则是自主研发的核 心技术，其原理是利用拱形的受压变形实现有效的分压、缓震及 反弹 安踏运动鞋的主要技术是芯技术、足弓避震系统、动力旋转轴、 中底支撑稳定技术、前后套稳定系统和抱紧系统等，其中又以芯 技术和足弓避震系统为核心。
Adidas智能篮球鞋在减震技术上独树一帜，其鞋后跟的磁性传感器能感 受压力的变化，并将压力的变化传送到智能鞋的“大脑”——微处理器中， 微处理器则依据压力的大小及变化来判断运动鞋的减震程度是否适宜， 然后，由马达驱动的电缆系统将调整运动鞋的减震部分，使鞋的中底 根据需要变得更软或更硬。
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3．5 回归自然
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3．4缓震减震
材料减震 ： 国际一线品牌运动鞋普遍采用的是加热压缩的EVA(乙烯树 脂醋酸纤维)发泡橡胶混合物质，其特点是质量轻、弹性好。高密度PU (聚氨基甲酸乙脂)材料也常被用在后掌的中底夹层
结构减震：主要是中底夹层采用“囊”结构，最经典的是Nike的Air气囊技 术，其技术原理是将加压的气体压缩进PU聚亚安脂材料制成的囊内 。
3．2能量回归 运动鞋能量回归的原理是：落地缓冲阶段鞋底产生形变 以储存能量，离地蹬伸时该能量部分回归给人体。 EMA(energy management athletics)的设计理念，是基于 鞋中底前、后掌位置的两个弹性悬空设计，因为悬空，可以 大形变，进而在鞋底形变时储存大能量。 PB(Power Bounce)的设计理念是通过鞋底材料的改进实 现能量回归。该设计的鞋中底材料为EVA膨胀混合物，在缓 慢受力过程中，这些材料表现得非常柔软，在快速受力过程 中，又体现得非常具有弹性。
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结语
• 运动鞋的新概念和新技术日新月异，有些概念还只是商业炒作， 缺乏必要的生物力学原理分析，有些技术还因为商业机密封存在 实验室。但运动鞋的生物力学研究前景广阔，将成为国内、外运 动生物力学研究的热点领域。综观国内、外品牌运动鞋，其关键 技术都体现在鞋底科技上，国际一线品牌运动鞋的关键技术主要 是缓震减震、能量回归、足跟控制和模拟裸足，国内一线品牌运 动鞋尽管“新概念”频出、“新技术”不断，但都围绕着运动鞋 研发的上述几个基本问题，所谓的新概念和新技术还普遍缺乏令 人信服的生物力学测试数据和运动功能评价报告，其关键原因则 是专注运动鞋生物力学研究的专业人才十分匮乏。
3国际品牌运动鞋的生物力学核心技术
3．1模拟裸足 裸足行走及运动可以同时训练足部的大、小肌肉群，尤其 是足底肌肉群。足部大、小肌肉群的同步训练有利于减少运动 性足损伤，已经得到“振动台训练”实验的支持。模拟裸足的生 物力学依据已被学界肯定，其概念也早已被运动鞋制造商充分 运用。
具有较强的小肌肉群支持的踝关节，在运动中产生的关节 内力(图右)远远小于只有大肌肉群支持的踝关节(图左)。
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3．3足跟控制
比较裸足和穿鞋状态下的跑步特征可以发现，裸足时踝关节的 外翻较小，穿鞋状态下的足外翻则非常明显，对踝关节造成损伤。 Adidas率先提出的GCS地面控制系统，已经成功地应用于跑鞋 的后掌部。在落地支撑时，鞋后掌部能随鞋所受到的冲击力而产 生适当的水平移动。 Nike的“shox”篮球鞋是基于汽车悬挂系统开 发的IST独立悬空技术，其独立的形变单元体，在缓冲时提供较柔 韧而稳定的支撑，蹬伸时提供较弹性而坚固的支撑。
2 足一鞋的生物力学研究
• 2．1“足一鞋”界面与足健康Biblioteka Baidu生物力学研究
不同的运动鞋，通过鞋的中底材料及其鞋底结构进行能量 吸收与释放，以缓冲足底所受的撞击力并保护足健康。Shorten 等认为，柔性缓冲系统可以延长足底撞击力的作用时间以减小 力值，更重要的是，可以增大足底受力面积以减小压强。 Skang应用非线性有限元分析，研究了不同的鞋跟垫材料对 足底冲击波的吸收能力，发现用二阶非线性“应力一应变”曲线能 准确地描述这些制鞋材料，肯定了有限元法在设计具有特殊功能 的鞋类中起到的关键作用。 2．2“足一地”界面与足健康的生物力学研究 Morlock等的研究肯定了减小足底压力有助于降低运动性足损伤。 Claire等的研究指出，足底各部位的压力分布相对平均，可以有 效降低足运动伤害，并可以对鞋尤其是运动鞋的功能设计提出关键要求。
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运动鞋的生物力学分析
班级：本硕121 姓名：孟宪章 导师：汤斌兵
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主要内容：
• 1 足的生物力学研究
• 2“ 足一鞋”的生物力学研究 • 3国际品牌运动鞋的生物力学核心技术
• 4国内品牌运动鞋核心技术的生物力学研
究
1 足的生物力学研究
1．1足的形态与结构分析 基于CAD计算机辅助设计并结合数字化技术的脚型测量系统 1．2足的运动学测量分析 Siegler:人体踝关节和距下关节的三维运动学特征 Sammarco:踝关节在背屈和内翻动作中的运动学特征 Root:提出了足部形态结构影响足部运动功能的观点 1．3足的动力学测量分析 复印技术,通过记录即时压力曲线，并获得足 底压力分布的运动图像技 1．4足的生物力学建模研究 借助于数值建模和有限元分析，不仅可以研究十分复杂的足部结构与 功能，而且，可以分析足运动的生物力学原理和运动损伤机理。