文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 慢跑鞋耗能性的实验研究

慢跑鞋耗能性的实验研究

慢跑鞋耗能性的实验研究1

霍洪峰,赵焕彬

河北师范大学体育学院,石家庄(0500161)

E-mail:hhf413@http://www.wendangku.net/doc/14b4d6fe700abb68a982fbbc.html

摘要:旨在探求慢跑鞋的能量消耗性能及影响因素。同步测量男青年在分别穿3种慢跑鞋慢跑时的足底压力以及能耗量,得出:1、穿不同的运动鞋运动导致耗能量的差异具有显著性,能量消耗可作为反映慢跑鞋重要的性能的指标;2、在运动一定的情况下,鞋子越重,人体所消耗的能量就越多;3、鞋的足部控制是影响耗能性的重要因素,足部控制好的慢跑鞋耗能少;4、鞋的减震性能也是影响耗能性的重要因素,而减震性能好的慢跑鞋耗能多,能量回输是解决其矛盾的关键。其方法和结论可为慢跑鞋的评价提供重要参考意见。

关键词:慢跑鞋;耗能性;足部控制;减震性能

中图分类号:G804.49

1.引言

随着体育国际化发展的趋势,世界体育比赛日趋激烈,依靠影响体育成绩的高新技术竞技装备器材成为世界各国研究的重要方面。在各种运动项目中,运动鞋均是运动员重要的装备,运动鞋性能的好坏直接影响运动员在竞技比赛中成绩的发挥。比如,雅典奥运会男子110米栏冠军刘翔穿的是由美国Nike公司为其专门设计的一款轻巧跑鞋,为夺取奥运会金牌做出了贡献。可见,科学技术在运动鞋中的应用对提高现代田径竞技成绩发挥重要作用。长跑是能量消耗很大的运动项目,跑鞋的耗能对比赛的胜负起着举足轻重的作用。德国Adidas公司于二十世纪80年代提出扭力系统原理,美国Nike公司应用空气垫减震原理,均有可产生能量回输的优点,旨在节省能耗量。我国在运动鞋研制方面相对比较落后,同时在跑鞋能量消耗方面,以往的实验研究较少。

本文在国内外文献资料的基础上[1],同步使用足底压力分布测试系统和心肺功能综合测试系统,对慢跑鞋的能量特性进行实验探索,为进一步深入研究跑鞋的运动生物力学特性,并为评价和研发其它专项运动鞋提供思路。

2.研究方法

2.1 研究对象

选通型号鞋1、鞋2、鞋3等三种品牌慢跑鞋各1双,鞋码均为42号。

选取东北师范大学体育学院长跑学员12名为研究对象,受试者均为男性,无足部畸形、异常步态和足部外伤史,足踝关节活动正常。平均年龄25岁(24~26岁) ,平均体重67.1kg(60~76kg) 其一般情况见表1。

表1 被选鞋基本情况

鞋牌鞋型鞋号单鞋质量(g)

鞋1 慢跑鞋42 243

鞋2 慢跑鞋42 297

鞋3 慢跑鞋42 248

1本课题得到国家体育总局体育科研所的资助。

表2 受试者基本情况比较(S x ±)

性 别

例 数 年 龄 身 高 (cm) 体 重 (kg) 体重指数

(kg/m 2) 鞋 号 男 12 25.0±0.8 176.3±1.367.1±7.1 24.9±3.4 42

2.2 测试仪器

电动跑台、比利时足底压力分布测试系统Footscan insole(测量频率为100Hz ,传感器厚度2.2mm ,传感器密度4个/cm 2。引出厚度1.5mm ,压力范围1~60N/cm 2,最小分辨率为25g ,一致性为±25 g)、心肺功能综合测试系统(本院为德国产气体分析系统)、心率实时遥测系统。

2.3 检测方法

1)、测试前在跑台上训练受试者一周,使之适应跑台运动;控制受试者前三天的膳食,保证每次测试前的心律、血压一致。

2)、将Footscan 压力分布鞋垫放置鞋中要求压力鞋垫在鞋内平整无折叠,然后受试者小心穿上鞋子,以避免压力鞋垫折叠,采集模块系于腰间,测试完成后再将采集卡数据导入计算机;为受试者配好心率实时遥测系统,在运动过程中用特制的呼吸口罩,使受试者正常地吸入空气,将呼出的气体用气体代谢仪进行分析。

3)分别穿不同慢跑鞋进行测试:动态足底压力分布,受试者以以10km/h 运动时的足底压力分布,数据采集时间为8秒,足底压力分布解析系统可获得完整步态周期的足底压力分布图;以10km/h 的速度运动6分钟直至运动结束,通过气体代谢仪进行分析,得出指标呼吸商、摄氧量、能量消耗、心律等。

2.4 统计学分析

足底压力采集数据首先应用系统自带的分析软件进行压力分布动态云图显示、压力中心移动曲线计算等操作;呼出的气体用气体代谢仪进行分析。所有数据处理均用SPSS11. 0软件,用简单描述性统计,结果用(S x ±)表示,组间比较采用t 检验,在文献资料研究、经验总结和问卷调查、实验、等研究的基础上,进行分析、比较,从而得出一些规律性的认识与有益的启示。

3.结果与分析

3.1 受试者以10km/h 运动时足底压力

慢跑鞋耗能性的实验研究

慢跑鞋耗能性的实验研究

Footscan 测力鞋垫采集到数据以后,footscan software

2005分析系统对数据进行初步分析。数据分析系统截屏如图

所示。图1为2D 动态窗口,2D 动态窗口可以动态显示两足

足底各传感器部位的最大压力值,进而计算出平均压力值,

并能显示出足部运动过程中左右足底所受的最大力,同时显

示分析时的受力分区,把整个足底分成前掌、足弓部、足跟。

图1 足底受力分区

表3 受试者以10Km/h 的速度慢跑时足底受力 单位:N 脚足底受力 部 位

鞋1 鞋2 鞋3 整足最大应力值

684.4±17.9 681.0±19.9 696.3±25.7 足受力平均值

283.1±11.4* 275.9±9.8** 318.8±20.7 后跟极大应力值

374.3±24.7 385.8±13.2 390.1±20.4 前掌极大应力值

411.8±24.7* 463.0±22.8* 449.2±33.8 前掌—后跟

37.5 87.8 59.1 注:*与鞋2相比P <0.05,**与鞋2相比P <0.01;*与鞋3相比P <0.05,**与鞋3相比P <0.01

1)同一人由于习惯或动作定型,在跑速及个方面因素相同的情况下跑步,每次脚着地瞬间到蹬离地面的过程中,人体的动量变化是相同的。根据动量定理[2-3]

001)(p p t t F n i i ?=?∑=, (1)

其中∑=n i i

F 1

表示人体所受合力,0p 和p 分别表示人体着地瞬间的动量和离地面瞬间的动量,可知,在这段时间内脚受到的平均作用力可反映运动鞋的缓冲效果;2)最大应力值最好出现在离地时的前掌,以增强稳定性、减小冲击,且极大应力的离地前掌值与着地后跟值之差越大足部控制越稳定[4]。

受试者穿三种慢跑鞋以10Km/h 的速度慢跑,左、右足底压力差异不具有显著性,故作整体分析,足底各部位最大压力分布见表3。由表3可见,穿鞋2时足受力平均值最小,左鞋2减震性能最好。穿鞋1时足受力平均值次之,鞋3减震性能最差。穿鞋1时整足最大应力值最小,即穿鞋1慢跑时足受到地面的冲击力最小。慢跑时,最大应力值也都出现在离地时的前掌,稳定性都较好,其中穿鞋2时的前掌极大应力值与后跟极大应力值之差最大,鞋2的稳定性最好,鞋3次之,鞋1最差。

3.2 受试者以10km/h 运动时的耗能量情况

表4 受试者穿三种慢跑鞋以10km/h 运动5分钟耗氧、能量数据

部 位

耗氧量(mL) 耗能量(kJ) 鞋1

18054.4 ±2073.2** 379.3±12.5** 鞋2

19376.1±1964.1 407.3±11.7 鞋3 17853.7±2116.8** 369.1±12.7** 注:*与鞋2相比P <0.05,**与鞋2相比P <0.01;*与鞋3相比P <0.05,**与鞋3相比P <0.01

通过心肺功能综合测试系统测试出的运动时耗氧量、呼吸商,查出呼吸商对应的氧热价,再结合根据运动的时间计算出受试者的耗能量[5]。结果如表4所示,由于是根据耗氧量计算的,所得的数据经配对样本t 检验,差异确实是因所穿运动鞋不同引起的。在相同强度(10Km/h)、 相同时间(5min)的长跑运动中,穿鞋1要比穿鞋2所消耗的能量少,平均节省27.97KJ 能量;穿鞋3要比穿鞋1所消耗的能量少,平均节省10.2KJ 能量。说明穿不同的运动

鞋运动确实会导致耗氧量的差异,通过耗氧量计算出耗能量,定量比较受试者穿不同运动鞋而导致的人体体能消耗情况。又因为长跑运动中能量的消耗是教练与运动员所关心的问题,所以测试人体的总耗氧量是反映慢跑鞋重要的性能的指标。

3.2.1 鞋质量对慢跑鞋耗能性影响的分析

慢跑鞋耗能性的实验研究

三种慢跑鞋的质量由表1可知,鞋1与鞋3的质量相差不多,均小于鞋2的质量,且差异显著,对于其耗能性,如表4所示,穿鞋1、鞋3要比穿鞋2所消耗的能量少。图2可直观表示,穿鞋2所消耗的能量明显要比穿鞋1、鞋3多。因此,在运动一定的情况下,鞋子质量越大,人体所消耗的能量就越多,此实验证实与前人研究相符[6]。所以,研发运动鞋时应在不降低其它性能的同时尽可能减小鞋子质量,以减少其耗能性。

随着运动时间的延长,慢跑鞋耗能性影响程度会更加明显,可做相应的计算,计算结果如图2所示,如果运动员用2h30min跑完马拉松跑全程,穿鞋2所消耗的能量要比穿鞋1多消耗840KJ的能量,这部分多消耗的能量可以使运动员继续运动10min。与单信海教授的理论研究,鞋子每增加0.1kg质量,对于马拉松运动而言,多消耗的能量可以使运动成绩下降1.5min时间[6],有所差异,因此可见,鞋子质量并不是影响其耗能性的唯一因素。

3.2.2鞋足部控制、鞋减震性能对慢跑鞋耗能性影响的的分析

由表1可知,鞋1与鞋3的质量相差无几,但其耗能性的差异具有显著性,由3.1 受试者的足底压力分析得到,穿鞋3时足受力平均值低于穿鞋1时足受力平均值,即鞋3减震性能差。穿鞋3时的前掌极大应力值与后跟极大应力值之差大于穿鞋1时,即鞋3的稳定性好于鞋1。在相同强度(10 Km/h)、相同时间(5min)的长跑运动中,穿鞋3要比穿鞋1所消耗的能量少,平均节省10.2KJ能量的事实就可以理解了。因此,鞋的足部控制是影响耗能性的重要因素,足部控制好的慢跑鞋耗能少;这些慢跑鞋表现出减震性能好的耗能多,鞋的减震性能也是影响耗能性的重要因素。

4.结论与建议

1、穿不同的运动鞋运动会导致耗能量的差异(P<0.05),能量消耗可作为反映长跑运动鞋重要的性能的指标;针对长跑运动,耗能性可作为评价慢跑鞋优劣的总体指标。

2、在运动一定的情况下,鞋子质量越大,人体所消耗的能量就越多。研发运动鞋时应在不降低其它性能的基础上尽可能减小鞋子质量。

3、鞋的足部控制是影响耗能性的重要因素,足部控制好的慢跑鞋耗能少。

4、鞋的减震性能也是影响耗能性的重要因素,减震性能好的慢跑鞋耗能多,能量回输是解决运动鞋减震与耗能的关键,设计运动鞋减震性能的同时也应关心鞋的耗能情况,鉴于运动鞋各性能之间可能会互相影响,鞋子的设计与评价则要考虑运动专项的需求,寻求运动鞋性能的总体最优化。

参考文献

[1] 霍洪峰,赵焕彬,王海涛等.运动鞋性能指标及测试方法的研究[J].天津体育学院学报,

2007,22(1): 9-11.

[2] 漆安慎,杜婵英.普通物理教程力学[M].北京: 高等教育出版社,1997. 86-94.

[3] 运动生物力学教材编写组.运动生物力学[M].北京: 高等教育出版社,2000. 230-236.

[4] 陈晓,祖媛媛.军用鞋靴足底压力的舒适性测试分析[J].中国个体防护装备,2006,(1): 8-11.

[5] 邓树勋,洪泰田,曹志发.运动生理学[M].北京: 高等教育出版社,2003.221-227.

[6] 单信海.跑鞋能量特性的理论探讨[J].天津体育学院学报,2002,17(4): 28-30.Experiment Investigation on Dissipation Performance of

Jogging Shoes

Huo Hongfeng,Zhao Huanbin

College of Physical Education,Hebei Normal University,Shijiazhuang (50016)

Abstract

In the interest of estimate the dissipation performance and the influenced factors of jogging shoes, volar stress distribution and dissipation performation are analyzed while healthy young male jogging wearing three kinds of jogging shoes synchronously. The result shows: 1) It will bring on the difference of the dissipation quantity surely. Energy consume can become a index reflecting the important performance of jogging shoes; 2) In the occasion of certain sporting, the weighter of shoes, the more energy consumed ; 3) Foot control of jogging shoes is one important factor of effecting dissipation performance, good foot control will reduce dissipation quantity. 4) Damping performance is another important factor of effecting dissipation performance, good damping performance will increase dissipation quantity. The methods and conclusions will provide valuable reference for estimating jogging shoes.

Keywords:jogging shoes,dissipation performance,foot control,damping performance

作者简介:

霍洪峰(1981-),男,河北馆陶,硕士研究生,研究方向为运动生物力学;

赵焕彬(1957-),男,河北辛集,河北师范大学体育学院教授,博士生导师。