何志強(qiáng)，鄭曉兵，劉海斌，元文學(xué)，叢陪信

（1.大連理工大學(xué)體育教學(xué)部，大連 遼寧 116024；2.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 遼寧 116024)

運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)

不同場(chǎng)地對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員側(cè)切動(dòng)作足底動(dòng)力學(xué)的影響

何志強(qiáng)1，鄭曉兵2，劉海斌1，元文學(xué)1，叢陪信1

（1.大連理工大學(xué)體育教學(xué)部，大連 遼寧 116024；2.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 遼寧 116024)

足球是世界上最流行、參與人數(shù)最多的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，素有“世界第一運(yùn)動(dòng)”的美譽(yù)，足球運(yùn)動(dòng)在給人們帶來激情的同時(shí)，也給眾多參與者帶來了痛苦的損傷，造成運(yùn)動(dòng)損傷的各種因素中，場(chǎng)地因素是最主要的原因之一。為了解不同足球場(chǎng)地（天然草、人造草、木地板、橡膠場(chǎng)）對(duì)運(yùn)動(dòng)員足底動(dòng)力學(xué)的影響，本研究選取8名男性大學(xué)高水平足球運(yùn)動(dòng)員作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)用三維測(cè)力平臺(tái)，通過測(cè)力平臺(tái)實(shí)時(shí)記錄的力值數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，研究不同場(chǎng)地（天然草、人造草、木地板、橡膠場(chǎng)）對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象變向側(cè)切動(dòng)作的足底摩擦力和扭矩的影響。結(jié)果表明：天然草場(chǎng)地摩擦力和扭矩特性最佳，人造草次之，木地板和橡膠場(chǎng)地性能較差，不適宜用作足球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地，但天然草場(chǎng)地的維護(hù)使用費(fèi)用昂貴，因此人造草場(chǎng)地是目前較為理想的高校足球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地。

足球運(yùn)動(dòng) ；關(guān)節(jié)損傷 ；不同場(chǎng)地 ；摩擦力 ；旋轉(zhuǎn)扭矩

足球是世界上最流行、參與人數(shù)最多的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，素有“世界第一運(yùn)動(dòng)”的美譽(yù)。高速的奔跑、頻繁的身體碰撞以及復(fù)雜的技術(shù)動(dòng)作，在給人們帶來激情的同時(shí)也對(duì)身體各部位造成很大的損傷隱患[1]。因此為探究足球運(yùn)動(dòng)損傷的具體情況，國內(nèi)外的相關(guān)研究學(xué)者做了大量的研究[2-6]。

研究表明[7]：足球運(yùn)動(dòng)損傷大多發(fā)生在下肢，其中踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)因其特殊結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的受力狀況致使損傷最為常見。在造成損傷的各種因素中，足球場(chǎng)地質(zhì)量不佳是最主要的原因[8]。因此，研究不同場(chǎng)地對(duì)運(yùn)動(dòng)員足底動(dòng)力學(xué)的影響對(duì)減少和防范足球運(yùn)動(dòng)中的損傷具有重要指導(dǎo)意義。

目前國內(nèi)外常見的足球場(chǎng)地分為天然草、人造草、橡膠和木地板4種。不同場(chǎng)地會(huì)對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員足底產(chǎn)生不同的摩擦力。做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，足底與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地間物理分布產(chǎn)生的摩擦力相互作用會(huì)產(chǎn)生足底扭矩，這種足底扭矩是影響下肢關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)扭矩的主要因素[9-11]。旋轉(zhuǎn)扭矩是已知的造成競技體育中受傷較多的高風(fēng)險(xiǎn)因素之一[11]。即使經(jīng)驗(yàn)豐富的球員對(duì)不同場(chǎng)地關(guān)于足底扭矩大小也是所知甚少。

由此可見，足底運(yùn)動(dòng)和地面之間的高旋轉(zhuǎn)扭矩與下肢和膝關(guān)節(jié)的扭損傷是緊密、復(fù)雜關(guān)聯(lián)的[11]。然而，針對(duì)不同場(chǎng)地對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員足底動(dòng)力學(xué)影響方面的研究卻并未見詳細(xì)的報(bào)道。

因此，本研究選取8名大學(xué)高水平男性足球運(yùn)動(dòng)員作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)用三維測(cè)力平臺(tái)，研究不同場(chǎng)地（天然草、人造草、木地板、橡膠場(chǎng)）對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象變向側(cè)切動(dòng)作的足底摩擦力和扭矩的影響。

本研究不僅揭示了不同足球場(chǎng)地對(duì)運(yùn)動(dòng)員足底動(dòng)力學(xué)的影響，還為足球賽事如何選擇合理的足球場(chǎng)地提供了有效的動(dòng)力學(xué)信息，同時(shí)也為進(jìn)一步研究不同場(chǎng)地對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員下肢關(guān)節(jié)損傷的力學(xué)機(jī)制提供了一定的方法學(xué)基礎(chǔ)。充足的理論依據(jù)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)法

1.2.2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取大學(xué)高水平男子足球隊(duì)隊(duì)員8人（平均身高176.84cm，平均體重68.66kg），都不存在神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病。

1.2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 采用自主研發(fā)的三維測(cè)力平臺(tái)DLUT4060-2系統(tǒng)[12-14]對(duì)不同場(chǎng)地情況下，足球技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行力學(xué)分析。該系統(tǒng)由測(cè)力平臺(tái)由（DLUT4060，臺(tái)面面積400*600，采樣頻率800Hz，觸發(fā)門限10N）電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析軟件構(gòu)成。三維測(cè)力平臺(tái)在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定。圖1為測(cè)力平臺(tái)、鋼板和地面材質(zhì)的組裝圖。鋼板與測(cè)力平臺(tái)通過6個(gè)螺絲釘固定在一起，鋼板有凹槽，在凹槽上放入實(shí)驗(yàn)用不同地面材質(zhì)。圖2為改造后的跑道裝備圖。

圖1 測(cè)力平臺(tái)、鋼板和地面材質(zhì)的組裝

圖2 改造后的跑道裝備

1.2.2.3 場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn) 橡膠地面、人工草地、地板地面、天然草地這4種地面在足球比賽中都會(huì)經(jīng)常用到。天然草地在職業(yè)足球比賽中主要使用，人工草地在非職業(yè)運(yùn)動(dòng)員比賽或者學(xué)生比賽中最為常見，地板地面和橡膠地面更多的是應(yīng)用于五人制足球比賽以及一些業(yè)余的足球運(yùn)動(dòng)會(huì)中（圖3）。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象以不同場(chǎng)地對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員側(cè)切動(dòng)作足底動(dòng)力學(xué)的影響為研究對(duì)象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法 通過查閱近20篇中外文獻(xiàn)，了解前人在足球運(yùn)動(dòng)與場(chǎng)地對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體損傷情況方面的研究成果，并分析、討論了摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩對(duì)不同部位的損傷影響情況，對(duì)本研究課題的開展以及后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了

1）橡膠地面：橡膠地面采用橡膠顆粒與粘合劑及無毒、無污染顏料經(jīng)模壓熱固成型的田徑場(chǎng)地專用橡膠地面。

2）人造草地：根據(jù)足球運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和國際足聯(lián)（FIFA）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，草高55～64mm，在外觀上幾乎與天然草相差無幾，色澤鮮亮。

3）地板地面：地板是一種具有優(yōu)良的承載性能、高吸震性能、高抗變形性能的專用運(yùn)動(dòng)木質(zhì)地板。

4）天然草地：選取比賽用天然草坪的一部分作為實(shí)驗(yàn)用草，草的高度一般在3～5cm。

本實(shí)驗(yàn)用到的4種場(chǎng)地材質(zhì)見圖3。

1.2.2.4 實(shí)驗(yàn)過程 實(shí)驗(yàn)前，對(duì)所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容的相關(guān)培訓(xùn)，尤其是對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行足球側(cè)切技術(shù)動(dòng)作培訓(xùn)，并且所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象簽訂自愿參加、無報(bào)酬協(xié)議書。

實(shí)驗(yàn)過程中，要求所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿著耐克傳奇（Nike TIEMPO RIO II 5）碎釘足球鞋和專業(yè)足球訓(xùn)練服。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：大連理工大學(xué)體育教學(xué)部實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2016年5月。

以足球運(yùn)動(dòng)中最易造成踝關(guān)節(jié)損傷的斜線變向跑技術(shù)動(dòng)作為研究內(nèi)容。

斜線變向跑（此動(dòng)作在足球比賽中進(jìn)攻隊(duì)員會(huì)經(jīng)常用到，因?yàn)檫M(jìn)攻隊(duì)員會(huì)在高速當(dāng)中使用一些假動(dòng)作來擺脫防守隊(duì)員，所以進(jìn)攻隊(duì)員會(huì)在比賽中不斷使用此動(dòng)作，然而這一動(dòng)作也會(huì)對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員的踝關(guān)節(jié)造成一定的傷害）：運(yùn)動(dòng)員沿直線向前跑，前方的足底突然發(fā)生向外扭轉(zhuǎn)，使得前進(jìn)方向由向前改為向兩側(cè)偏移稱為斜線變向跑。

為了減小人為因素引入的誤差，要求每人每個(gè)動(dòng)作重復(fù)測(cè)試20次，每次測(cè)試前讓實(shí)驗(yàn)對(duì)象充分休息，以確保實(shí)驗(yàn)對(duì)象每次動(dòng)作正確規(guī)范，符合真實(shí)比賽時(shí)的狀態(tài)。圖4為本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的斜線變向跑的路線圖。

1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法 運(yùn)動(dòng)員足底與不同場(chǎng)地接觸時(shí)的X、Y方向的摩擦力以及旋轉(zhuǎn)扭矩將由三維測(cè)力平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SigmaPlot數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行繪圖比較分析。

圖5 4種場(chǎng)地足底x方向摩擦力變化曲線

圖6 4種場(chǎng)地足底y方向摩擦力變化曲線

2 結(jié) 果

2.1 X方向摩擦力由橫切動(dòng)作要領(lǐng)可知，足底X方向摩擦力的變化應(yīng)存在制動(dòng)過程和提供橫向變向動(dòng)力2個(gè)階段。摩擦力的變化趨勢(shì)為先減小，然后反向增大，直至慢慢離開地面又趨于零。

由圖5可以看出，4種場(chǎng)地都能較好地?cái)M合這個(gè)過程，且制動(dòng)過程幾乎一致，但提供橫向變向的能力有很大差異，橡膠場(chǎng)地提供的摩擦力最大，木地板最小，天然草和人造草相近。

圖5中反向摩擦力增大的過程中存在一個(gè)小的峰谷，這是由于運(yùn)動(dòng)員在橫向變向的過程中出現(xiàn)了微小幅度的墊步，對(duì)場(chǎng)地的壓力稍有減小，導(dǎo)致足底摩擦力減小。

2.2 Y方向摩擦力Y方向?yàn)樽闱蜻\(yùn)動(dòng)員的前進(jìn)方向，此方向上同樣存在制動(dòng)和提供向前動(dòng)力2個(gè)階段，不過在Y方向上足球運(yùn)動(dòng)員的重心由后向前移動(dòng)的變化不能忽視，所以Y方向摩擦力在最初的階段隨著正壓力的增大而先增加，后減到零，然后反向提供向前的動(dòng)力。

由圖6可以看出，人造草、橡膠場(chǎng)地和木地板都呈現(xiàn)這種情況，但天然草在Y方向上的摩擦力直接減小，且綜合圖1、圖2來看，天然草在2個(gè)方向上幾乎同時(shí)完成制動(dòng)，較其他3種場(chǎng)地來說更為高效，這是由于天然草場(chǎng)地土壤形變能很好地吸收制動(dòng)能量。此外，由于微小幅度的墊步導(dǎo)致出現(xiàn)了二次制動(dòng)，形成類似圖1曲線的起伏現(xiàn)象。

2.3 足底旋轉(zhuǎn)扭矩本文全面地比較了4種常見的足球場(chǎng)地與足球運(yùn)動(dòng)員足底接觸的扭矩大小。圖7扭矩變化曲線可以明顯看出，橡膠場(chǎng)地造成的旋轉(zhuǎn)扭矩最大，然后依次是人造草、天然草、木地板。

圖7 4種場(chǎng)地足底Tz旋轉(zhuǎn)扭矩變化曲線

3 討 論

由圖5、圖6、圖7可以清晰地了解4種場(chǎng)地對(duì)運(yùn)動(dòng)員足底摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩特性的不同影響。有研究表明[8]，摩擦力是導(dǎo)致足球運(yùn)動(dòng)員嚴(yán)重?fù)p傷的重要因素之一，在各種損傷的誘因中占到了三分之二。尤其是穿釘鞋在人造草場(chǎng)地上進(jìn)行足球運(yùn)動(dòng)會(huì)增加損傷幾率，在扭轉(zhuǎn)、滑行等動(dòng)作時(shí)更易發(fā)生損傷[15]。本文僅選取統(tǒng)一的碎釘足球鞋，故可忽略不同鞋釘對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

關(guān)于足球運(yùn)動(dòng)中足底與地面接觸所產(chǎn)生的2種摩擦力前人也有所研究，2種摩擦力在足球運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮著很重要的作用，但同時(shí)也是致病的最大隱患。摩擦力有助于高效完成急停、加速、變向等動(dòng)作，但高的摩擦力也會(huì)對(duì)踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)造成過多的負(fù)荷，過小的摩擦力又會(huì)導(dǎo)致滑行，也容易因此而損傷[16]，所以足底與場(chǎng)地接觸摩擦力應(yīng)處于一個(gè)合理的范圍才最適宜用于足球運(yùn)動(dòng)。

通過圖5、圖6還可以明顯看出，橡膠場(chǎng)地摩擦力過大，木地板摩擦力過小，都不宜用于比賽場(chǎng)地，人造草和天然草的摩擦力在兩者之間且近似一致，只是在Y方向上初始階段天然草的性能更佳，上文已做詳細(xì)分析。除了摩擦力，足底旋轉(zhuǎn)扭矩也是導(dǎo)致足球運(yùn)動(dòng)員損傷的另一關(guān)鍵因素，特別是對(duì)踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的損傷[11]。

關(guān)于不同場(chǎng)地對(duì)旋轉(zhuǎn)扭矩的影響國內(nèi)外早有研究，但主要針對(duì)人造草和天然草2種場(chǎng)地的比較，Villwock的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了人造草所產(chǎn)生的扭矩明顯大于天然草[17]，這和本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果基本一致。所以結(jié)合摩擦力考慮，天然草場(chǎng)地最適宜用作足球比賽場(chǎng)地，但天然草場(chǎng)地造價(jià)成本較高。有研究表明，在人造草場(chǎng)地每天使用8h、天然草場(chǎng)地每天使用0.6h的情況下，前者的維護(hù)費(fèi)用也只有后者的15%左右[18]，大大降低了使用成本。在場(chǎng)地性能要求不高的情況下，可以選擇合適的人造草場(chǎng)地開展足球運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論4種足球場(chǎng)地各有特點(diǎn)：橡膠場(chǎng)地摩擦力較大,旋轉(zhuǎn)扭矩較大；木地板摩擦力最小,旋轉(zhuǎn)扭矩也較小；天然草和人造草在X方向上摩擦力曲線趨勢(shì)相近,但在Y方向上，天然草的制動(dòng)效率高于人造草，對(duì)比兩者扭矩曲線，天然草場(chǎng)地扭矩明顯小于人造草。

4.2 建議綜合比較4種場(chǎng)地的性能，橡膠場(chǎng)地因摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩過大會(huì)使足球運(yùn)動(dòng)員腳踝損傷風(fēng)險(xiǎn)增加，而木地板的摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩又過小導(dǎo)致抓地力差,不足以提供動(dòng)力，同時(shí)也容易導(dǎo)致滑動(dòng)損傷，兩者不適合開展足球運(yùn)動(dòng)。天然草的摩擦力和旋轉(zhuǎn)扭矩較為適中，有利于減輕對(duì)腳踝的損傷,更適合開展足球運(yùn)動(dòng)，但天然草場(chǎng)地造價(jià)以及維護(hù)費(fèi)用昂貴，并不能得到廣泛應(yīng)用，相比其他足球場(chǎng)地，人造草的性能較優(yōu)也更為接近天然草，因此可以選用人造草場(chǎng)地進(jìn)行替代。

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Effects of Different Field on Cutting Movement in Soccer Players

HE Zhi-qiang1, ZHENG Xiao-bing2, LIU Hai-bin1, YUAN Wen-xue1，CONG Pei-xin
(1.Department of Physical Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China; 2.School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning China)

Soccer has always been considered as the f i rst sport in the world because of its popularity and numerous fans. However, it not only decorates the world with passion, but also injures players. Early studies have shown that the quality of field is the main reason among various factors inducing injury. In order to have a clear acknowledge of the effects on foot dynamics between different fields (natural grassland, artif i cial grass, wood f i eld and rubber f i eld), eight professional male soccer players have been recruited in the experiment. With the force plates, use the force value data from the force plates to plot and analyze, the effects of different f i elds (natural grassland, artif i cial grass, wood f i eld and rubber f i eld) on subjects’ foot friction and rotating torque could be measured when subjects performed cutting movement. Results in this study shown that the friction and rotating torque property of natural grassland f i ts subject best and arti fi cial grass fi eld is less preferable, but wood or rubber fi eld is not a good choice for soccer field due to their inferior property. But the cost of using and maintaining natural grassland is expensive, so artif i cial grass is more ideal alternative in college soccer sport.

soccer; injury of joint; different f i eld; friction force; rotating torque

G804.2

A

1004 - 7662(2017)03- 0077-05

2017-02-05

何志強(qiáng) ，講師 ，碩士 ，研究方向 ：運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)。