足球鞋核心技術的生物力學研究進展

孫　冬，顧耀東， 李建設

(1.寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211；2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018)

?

足球鞋核心技術的生物力學研究進展

孫冬1，顧耀東1， 李建設2

(1.寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211；2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018)

摘要：20世紀70年代以來，隨著運動鞋研究的不斷深入，足球鞋作為一種功能性特征運動鞋的研究也不斷增多。足球鞋科技的進步與生物力學相關研究緊密聯系，文章總結了大量國內外對足球鞋研究的相關文獻，從生物力學研究角度分析足球鞋與足、球、草坪之間的相互作用，并著重探討了足球鞋生物力學設計對運動表現和運動損傷的影響，一方面為足球鞋更加合理的生物力學設計提供參考，另一方面也為人們根據自身特點合理選擇功能性足球鞋提供建議和指導。

關鍵詞：足球鞋； 核心技術；生物力學

0前言

20世紀70年代以來，隨著運動鞋研究的積極展開以及足球運動的廣泛開展，足球鞋也逐漸得到關注與研究。在所有足球有關的運動裝備中，足球鞋作為一種功能性鞋具與足球運動的關系最為密切和直接。足球鞋的鞋面是主要與足球接觸的部分包括鞋頭、鞋舌、鞋帶、鞋身；鞋底是直接與場地接觸的部分包括中底、外底、鞋釘。鞋釘一般按形狀劃分為常見的圓釘和刀狀鞋釘[1]；隨著足球運動的廣泛開展，足球鞋的分類也越來越細，根據不同鞋底設計將足球鞋劃分為以下幾種類型：適合表面松軟自然草地的SG(Soft Ground)系列、適合表面較硬自然草地的FG(Firm Ground)系列、適合較軟的泥地、沙地和草莖短的人造草地等硬場地的HG(Hard Ground)系列、適合人造草地的AG(Artificial Ground)和TF(Turf)系列及適合室內足球的IN(Indoor)系列等[2]，這幾種類型足球鞋的差異體現在不同構造、形狀、數量、長度的鞋釘設計上，如SG系列足球鞋一般是6到8個金屬長圓釘、FG和HG系列足球鞋一般是采用合成樹脂或橡膠材質制造的鞋釘，鞋釘較短、TF系列足球鞋已經不具備鞋釘，而是與鞋底一體化的橡膠顆粒，俗稱“碎釘”、IN系列足球鞋沒有鞋釘，取而代之的是橡膠或牛筋鞋底[3]。本文的目的是總結足球鞋生物力學設計對足球運動員的運動表現和非接觸性運動損傷風險的影響，為人們根據場地以及自身特點合理選擇功能性足球鞋提供建議和指導。

1足球鞋設計對運動表現的影響

足球運動的特點決定了運動員常常需要在短時間內完成快速啟動、側切、急停轉身、快速射門和傳接球等技術動作，足與地面之間的良好緩震、足夠的牽引力和穩定性是完成這些技術動作的前提條件[4,36]，一雙具有良好功能設計的足球鞋往往能夠為這些技術動作的出色完成提供保障。

1.1足球鞋鞋底設計對運動表現的影響

足球鞋鞋底是直接與運動場地接觸的部分，也是足球鞋中最具有科技含量的部分，它需要為運動員在場上的加速、轉身、急停等動作提供足夠的抓地力、穩定性和摩擦力[5]；鞋底設計主要包含鞋釘設計、鞋底軟硬度設計和減震設計，不同運動場地對應的足球鞋的差別主要體現在鞋釘設計上。Cawley等[6]研究發現有鞋釘的足球鞋與其它運動鞋相比在自然草皮上能產生更大的抓地力；Clarke 和 Carré[7]測量了不同場地條件下不同鞋釘設計足球鞋的垂直位移、鞋釘抓地力和鞋釘有效滲透面積，總結出在自然草皮上，抓地力的增大是依靠鞋釘與草皮之間相互滲透的有效橫截面積的增大，而在人工草皮上，鞋釘沒有完全穿透草皮表面，與草皮之間沒有相互滲透壓縮；Clemens Müller等[8]對15名足球運動員在人工草皮上分別穿著兩種不同形狀和三種不同長度鞋釘的足球鞋(見圖1)進行障礙跑和直線加速跑，結果顯示穿著刀狀鞋釘足球鞋成績顯著高于圓釘足球鞋、在一定范圍內鞋釘長度越長對應的成績越好(見圖2)，通過結果分析得出刀刃狀鞋釘通過增加與地面的接觸面積從而增大鞋底的抓地力，鞋釘的長度應介于50%和100%之間，并且隨著鞋釘長度的增加抓地力也隨著增加；McGhie D等[9]安排22名專業男性穿著三種不同鞋釘設計的足球鞋在三種不同的人造草皮上進行直線沖刺跑和90°側切兩個動作，結果顯示，鞋與地面之間的峰值牽引力、側切滑動速度有顯著性差異，但牽引系數并不隨著鞋釘構造和草皮狀態而改變，這可能是因為球員對足與地之間的牽引力有主動的調節作用；Sterzing等[10]研究發現鞋釘數量和構造的不同會對跑動速度有顯著性影響，綜上研究，鞋釘的形狀、長度、數量、構造直接影響了足球鞋的抓地力和穩定性，從而對運動表現造成影響。

圖1　a表示三種不同長度鞋釘的足球鞋；

注：NM100代表100%鞋釘長度，依此類推；Elliptic=橢圓形 Bladed=刀刃型

圖2　a和b代表三種不同長度鞋釘的足球鞋分別

注：Slalom=障礙跑；Acceleration=沖刺跑；Elliptic=圓形鞋釘；Bladed=刀狀鞋釘

1.2足球鞋鞋面設計對運動表現的影響

足球鞋的鞋面是直接與足球接觸的部分，鞋面生物力學設計與舒適度、擊球觸感、準確度、球速等密切相關[11]。Sterzing和Thorsten[12]研究了三種鞋掌圍度的足球鞋分別是較窄圍度、中等圍度、較寬圍度對運動員的舒適度、活動靈敏性和跑步速度的影響，發現，中等圍度和較寬圍度足球鞋具有較高的舒適度，鞋掌圍度不同對活動靈敏性和跑步速度沒有顯著性影響；Fraser等[13]對三種不同鞋面設計和材料的足球鞋進行抗彎曲性試驗，發現鞋面材料和設計的不同顯著影響了足球鞋整體的抗彎曲剛度，從而影響球鞋舒適度；Hennig等[14]研究發現，鞋面設計對擊球準度和球速有顯著性影響；Ishii等[15]運用三維有限元模擬的方法對五名足球運動員穿著不同鞋面設計的足球鞋擊球時球的出射角度、速度、旋轉度、形變程度進行建模分析(見圖3)，得出足球鞋面的彈性模量、摩擦系數對球的出射角度、速度、旋轉度均有一定影響,但不顯著；Sterzing和Hennig[16]研究了四種不同摩擦系數鞋面的足球鞋鞋面，發現對同一個人相同動作擊球后球的速度產生顯著影響； Kuo等[17]研究 發現鞋帶在鞋面上位置的不同對球員擊球準確度有顯著影響；綜上表明，球鞋的鞋掌圍度，鞋面的彈性模量、摩擦系數、鞋帶位置等因素會對球鞋舒適性和擊球觸感、球速、準確度等產生影響，從而影響運動表現。

圖3　有限元模型

a是運用裸足和鞋型數據構建出的足-鞋的有限元模型；b是將足球的外殼層和氣囊層分割為一個個小單元構建足球的有限元模型

2足球鞋設計對非接觸性運動損傷的影響

足球非接觸性運動損傷日益增多，致使許多優秀的專業足球運動員和業余愛好者運動生涯的提前終止。導致非接觸性運動損傷的原因很多，并且主要集中在下肢的膝關節、踝關節、足部[33]，文章主要從足球鞋的角度出發討論足球鞋與足球運動中非接觸性運動損傷的影響。

2.1足球鞋設計對膝關節損傷的影響

膝關節是人體最大、最復雜的關節，足球技術動作中有許多快速啟動、急停轉身、側切啟動、大力射門等快速反應動作，這些動作的反復累積會引起膝關節過度旋轉、內外翻而導致各種急慢性損傷的發生。膝關節損傷大部分集中在十字韌帶損傷、半月板損傷、內側副韌帶損傷等處[34,35]?，F在許多的鞋釘設計都要求在不同方向的運動上提高抓地力，有學者[37,38]研究發現鞋底與地面之間過高的牽引力是導致非接觸性膝關節損傷的主要因素；許多學者[18,20-22]研究發現較小的膝關節屈曲角度、較大的伸膝力矩、外展力矩、扭轉力矩和膝關節外展角度、較大的垂直和向后地面反作用力可能會導致膝關節半月板和前交叉韌帶(ACL)損傷風險的增大；Grund等[19]使用一種新型的氣動牽引裝置Trak Tester(見圖4)能夠實現對足球鞋與地面相互作用的牽引力進行精確測試，發現過高的牽引力會增大膝關節的扭轉力矩從而導致膝關節損傷風險的增加；Hewett等[23]研究發現，女性運動員中，膝關節外展力矩更大者ACL損傷損傷風險也增大，同時，膝關節外展力矩比膝關節屈曲角度能夠更好地預測ACL損傷。Smeets等[24]研究表明隨著鞋釘長度的增加，抓地力會顯著增大，而過高的抓地力會導致膝關節外展角度和外展力矩增大導致膝關節損傷風險的增大。Butler等[25]對14名男性專業足球運動員和14名女性專業足球運動員分別穿跑鞋、刀狀鞋釘足球鞋、碎釘鞋縱跳落地時的運動學數據進行采集分析后發現，在三種不同用鞋條件下的膝關節屈曲角度具有顯著性差異，并且男性運動員穿著刀狀鞋釘足球鞋落地時膝關節背屈角度平均增加1°，女性運動員穿著刀狀鞋釘足球鞋落地時膝關節背屈角度平均減少3°，得出落地力學機制隨著性別、鞋的不同發生變化；Kaila等[26]對15名業余足球運動員在標準人工草皮上進行直線加速跑和急停轉身的動力學數據進行采集，結果發現急停轉身動作與直線加速跑動作相比膝關節載荷、膝關節外翻力矩顯著性增大，這可能會增加ACL損傷的風險；綜上研究，足球運動中非接觸性膝關節損傷往往是由于不合適的球鞋選擇和不當的球鞋設計，導致運動員在側切、急停轉身等動作中膝關節過度外展、外旋從而引起膝關節損傷的發生。

圖4　能夠精確測量鞋底與草皮之間牽引力大小的

2.2足球鞋設計對踝關節與足部損傷的影響

足球是大運動量項目，世界上優秀的足球運動員一場比賽中的運動距離要達到1萬m左右，再加上不斷的奔跑、騰空等動作常常會引發踝關節和足部損傷，足球運動中的踝關節損傷多為急性損傷且大多集中于外側副韌帶[27]，足部損傷主要表現為足底筋膜炎和跟腱炎等慢性損傷。Hennig和Ewald[28]測試了足球運動員在正常跑動、加速沖刺、急停轉身等動作的足底壓力分布發現具有顯著性差異，這可能是導致足底損傷的原因。Bentley等[29]對29名業余男性足球運動員分別穿圓釘足球鞋和刀狀鞋釘足球鞋進行障礙跑并進行足底壓力測試(圖5)，結果顯示圓形鞋釘足底壓力分布是趨于正常的，刀狀鞋釘具有偏高的足底壓力被認為是足底筋膜炎的發病誘因。Eils等[30]使用足底壓力鞋墊對21名專業足球運動員分別進行正常跑動、側切、沖刺跑和射門這幾個過程進行足底壓力數據采集，數據分析后發現，側切、沖刺跑的足底壓力值要顯著高于正常跑動時足底壓力值，并且足底壓力值最高的部位集中在足中部和足外側，這可能會導致足底損傷的發生。Slim等[31]研究了專業足球運動員踝關節損傷與鞋釘設計和運動場地的關系,得出運動員非接觸性踝關節損傷是足、鞋、地面相互作用的結果，足球運動員應合理的選擇合適的鞋釘尺寸和鞋底構造的足球鞋并應根據場地條件(自然草皮和人工草皮)的不同來選擇合適的足球鞋，對于有踝關節損傷史的運動員可以考慮在鞋內加內墊或矯形器以防止損傷的進一步加重。Smith等[32]對6名男性專業足球運動員分別穿SG(自然軟草場)釘鞋和普通訓練鞋在自然草坪上直線跑并采集動力學參數，結果顯示，穿SG釘鞋的地面反作用力和作用力的加載率均顯著高于普通訓練鞋，這可能是導致足球運動員足部損傷的因素。以上研究表明，足球鞋設計尤其是鞋底構造與運動員踝關節和足底損傷密切相關，不當的鞋底設計常常會導致踝關節過度內外翻或足底壓力的顯著增大，易引起踝關節和足部損傷的發生。

圖5　a是圓釘足球鞋和刀狀鞋釘足球鞋；

3總結

回顧國內外關于足球鞋生物力學方面的研究成果可見，足球鞋作為適合足球運動的一種功能性鞋，無論對于專業足球運動員還是業余愛好者來說都具備非常好的幫助，它的設計要素主要體現在既能滿足在訓練和比賽的運動表現提高，又能減少非接觸性運動損傷的發生。運動表現的提升一方面需要足球鞋鞋底提供良好的穩定性、抓地力和緩震性能，另一方面需要鞋面提供良好的舒適度和合適的彈性模量、摩擦系數等。然而，過度重視足球鞋運動表現方面的研發(例如為降低鞋身重量的超輕足球鞋，為提高鞋與地面之間抓地力而增加鞋釘長度)，超輕足球鞋可能會降低球鞋的緩震性能降低對足的保護作用，過高的抓地力可能會導致急停轉身、側切等動作中膝關節伸膝力矩、外展力矩增大從而對運動員膝關節造成損傷。因此，足球鞋的設計應在保持運動員運動表現不出現下降的同時，更需關注球鞋設計對運動員下肢的保護以減少運動損傷的發生。

參考文獻

[1]Lees A, Nolan L. The biomechanics of soccer: a review[J].J Sports Sci,1998,16(3):211-234.

[2]Hilgers MP, Walther M. Evolution of soccer shoe design[J].Footwear Science,2011,16(3):123-126.

[3]Matsuo K, Moriyasu K, Nishiwaki T. Basic study on cleat shape design in soccer boots[J].Footwear Science,2011,3(1):101-102.

[4]Schrier NM, Wannop JW, Lewinson RT, et al. Shoe traction and surface compliance affect performance of soccer-related movements[J].Footwear Science,2014,6(2):69-80.

[5]Villwock MR, Meyer EG, Powell JW, et al. Football playing surface and shoe design affect rotational traction[J].Am J Sports Med,2009,37(3):518-525.

[6]Cawley PW, Heidt RS, Scranton PE, et al. Physiologic axial load, frictional resistance, and the football shoe-surface[J].Foot Ankle Int,2003,24(7):551-556.

[7]Clarke JD, Carre MJ. Improving the performance of soccer boots on artificial and natural soccer surfaces[J].Procedia Engineering, 2010,2(2):2775-2781.

[8]Muller C, Sterzing T, Milani T. Stud length and stud geometry of soccer boots influence running performance on third generation artificial turf [C].ISBS-Conference Proceedings Archive.2009,1(1).

[9]Mcghie D, Ettema G. Biomechanical analysis of traction at the shoe-surface interface on third-generation artificial turf [J]. Sports Engineering,2013,16(2):71-80.

[10]Sterzing T, Muller C, Henning EM, et al. Actual and perceived running performance in soccer shoes: A series of eight studies[J].Footwear Science,2009,1(1):5-17.

[11]Lees A, Asai T, Andersen TB, et al. The biomechanics of kicking in soccer: A review[J].J Sports Sci,2010,28(8):805-817.

[12]Sterzing T, Wulf M, Qin TY, et al. Effect of soccer shoe ball girth differences on fit perception, agility running and running speed perception[J].Footwear Science,2014,6(2):97-103.

[13]Fraser S, Harland A, Smith P, et al. A Study of Football Footwear Bending Stiffness[J].Procedia Engineering,2014,7(2): 315-320.

[14]Henning EM, Sterzing T. The influence of soccer shoe design on playing performance: a series of biomechanical studies [J]. Footwear Science,2010,2(1):3-11.

[15]Ishii H, Sakurai Y, Maruyama T. Effect of soccer shoe upper on ball behaviour in curve kicks[J].Scientific Reports, 2014, 4.

[16]Sterzing T, Henning EM. The influence of friction properties of shoe upper materials on kicking velocity in soccer[J].J Biomech,2007,40:S195.

[17]Kuo XL, Shiang TY. The instep kicking accuracy analysis using different soccer shoes[J].J Biomech,2007,40(7):625-629.

[18]James IT. Association of lower limb injury with boot cleat design and playing surface in elite soccer[J].Foot?Ankle Clin, 2013,18(2):369-380.

[19]Grund T, Senner V. Traction behavior of soccer shoe stud designs under different game-relevant loading conditions[J].Procedia Engineering,2010,2(2):2783-2788.

[20]Driscoll H, Kirk B, Koerger H, et al. Influence of outsole design on centre of rotation during turning movements[J].Procedia Engineering,2012,3(4):301-306.

[21]Arms SW, Pope MH, Johnson RJ, et al. The biomechanics of anterior cruciate ligament rehabilitation and reconstruction[J].Am J Sports Med,1984,12(1):8-18.

[22]Dowling AV, Corazza S, Chaudhari W, et al. Shoe-Surface friction influences movement strategies during a sidestep cutting task implications for anterior cruciate ligament injury risk[J].Am J Sports Med,2010,38(3):478-485.

[23]Hewett TE, Myer GD, Foed KR, et al. Biomechanical measures of neuromuscular control and valgus loading of the knee predict anterior cruciate ligament injury risk in female athletes a prospective study[J].Am J Sports Med, 2005, 33(4): 492-501.

[24]Smeets K, Jacobs P, Hertogs R, et al. Torsional injuries of the lower limb: an analysis of the frictional torque between different types of football turf and the shoe outsole[J].Br J Sports Med,2012,46(15):1078-1083.

[25]Butler RJ, Russell ME, Queen R. Effect of soccer footwear on landing mechanics[J].Scand J Med Sci?Sports,2014,24(1):129-135.

[26]Rajia K. Influence of modern studded and bladed soccer boots and sidestep cutting on knee loading during match play conditions [J]. Am J Sports Med,2007,35(9):528-535.

[27]Betnnon BD, Murphy DF, Alosa DM. Predictive factors for lateral ankle sprains: a literature review[J].J Athl Train,2002,37(4):376.

[28] Hennig EM. Plantar pressure measurements for the evaluation of shoe comfort, overuse injuries and performance in soccer [J]. Footwear Science,2014,6(2):119-127.

[29]Bentley JA, Ramanathan AK, Arnold GP, et al. Harmful cleats of football boots: a biomechanical evaluation[J].Foot & Ankle Surgery,2011,17(3):140-144.

[30]Eils E, Streyl M, Linnenbecker S, et al. Characteristic plantar pressure distribution patterns during soccer-specific movements[J].Am J Sports Med,2004,32(1):140-145.

[31]Tol JL, Slim E, Van Soest AJ, et al. The Relationship of the Kicking Action in Soccer and Anterior Ankle Impingement Syndrome A Biomechanical Analysis [J]. Am J Sports Med,2002,30(1):45-50.

[32]Smith N, Dyson R, Janaway L. Ground reaction force measures when running in soccer boots and soccer training shoes on a natural turf surface[J].Sports Engineering,2004,7(3):159-167.

[33]Wong P, Hong Y. Soccer injury in the lower extremities[J].Br J Sports Med,2005,39(8):473-482.

[34]Scranton PE, Whitesel JP, Powell JW, et al. A review of selected noncontact anterior cruciate ligament injuries in the National Football League[J].Foot Ankle Int,1997,18(12):772-776.

[35]Geli E, Myer GD, Silvers HJ, et al. Prevention of non-contact anterior cruciate ligament injuries in soccer players. Part 2: a review of prevention programs aimed to modify risk factors and to reduce injury rates[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc,2009,17(8):859-879.

[36]Perron JR. Soccer shoe component or insert made of one material and/or a composite and/or laminate of one or more materials for enhancing the performance of the soccer shoe[P].U.S. Patent,2012,8(5):191-285.

[37]Lambson RB, Barnhill BS, Higgins RW. Football cleat design and its effect on anterior cruciate ligament injuries a three-year prospective study[J].Am J Sports Med,1996,24(2):155-159.

[38]Torg JS, Quedenfeld TC, Landau S. The shoe-surface interface and its relationship to football knee injuries[J].Am J Sports Med,1974,2(5):261-269.

·體質研究·

Biomechanical Research of Progress on Soccer Boots’ Core Technology

SUN Dong1，GU Yao-dong1，LI Jian-she2

(1. Faculty of Sports Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China;

2. Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Since 1970s, with the development of sport shoes science, researches on soccer boots have increased rapidly. The progress of soccer boot’ technology highly related to biomechanical research. This paper summarizes a large number of relevant studies on soccer boots to analysis the interaction between boots, foot, ball, and surface, focusing on the effect of soccer boots on sports performance and sports injuries from a biomechanical perspective. The purpose of this study is to provide references for more reasonable soccer boots design, and it also offers advices or guidance for people to choose functional soccer boots according to individual characteristics.

Key words:soccer boots; core technology; biomechanics

文章編號：1004-3624(2015)04-0114-04

作者簡介：梁成軍(1970-)，男，講師，博士，主要研究方向：體育工程.

收稿日期：2015-05-25

中圖分類號:G804.66

文獻標識碼：A