孫 冬，Gusztáv Fekete，顧耀東，李建設(shè)

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鞋釘構(gòu)造對專業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員在不同草坪條件下的生物力學(xué)表現(xiàn)分析

孫 冬1, 2，Gusztáv Fekete2，顧耀東1，李建設(shè)1

1.寧波大學(xué) 大健康研究院,浙江 寧波 315211; 2.羅蘭大學(xué) 機(jī)械工程系,匈牙利 布達(dá)佩斯 1011–1239

研究目的：探討不同草坪下不同鞋釘構(gòu)造對足球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行特征動(dòng)作的下肢生物力學(xué)表現(xiàn)和非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)。研究方法：選取14名專業(yè)男性足球運(yùn)動(dòng)員作為受試者，受試者分別著長釘足球鞋(Soft Ground Design, SG)、短釘足球鞋(Artificial Ground Design, AG)和碎釘足球鞋(Turf Cleats, TF)在自然草皮(Natural Turf, NT)和人工草皮(Artificial Turf, AT)條件下進(jìn)行直線加速跑和45°左側(cè)切動(dòng)作。Vicon三維紅外運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)用于采集下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、Kistler三維測力臺同步收集地面反作用力數(shù)據(jù)。研究結(jié)果：直線加速跑和45°側(cè)切動(dòng)作中，AT-SG的膝關(guān)節(jié)峰值屈曲角度和屈曲活動(dòng)度均顯著大于NT-TF和AT-TF；NT-SG和AT-SG的地面反作用力垂直負(fù)荷加載率(VALR)顯著高于NT-TF和AT-TF，鞋釘和草皮交互作用顯著。45°側(cè)切動(dòng)作中，AT-SG和NT-TF的平均抓地系數(shù)值最小，鞋釘和草皮交互作用顯著。研究結(jié)論：長釘SG足球鞋在AT較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度和屈曲活動(dòng)度有利于緩沖較大的地面沖擊力，但容易引起長時(shí)間運(yùn)動(dòng)疲勞程度加快，導(dǎo)致非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)的增加。同時(shí)，長釘SG足球鞋在AT上較高的VALR容易引起如脛骨疲勞性骨折、跟腱炎等損傷風(fēng)險(xiǎn)的增加。

足球鞋；草坪；生物力學(xué)；表現(xiàn)

1 前言

足球運(yùn)動(dòng)可以在不同的運(yùn)動(dòng)場地開展，如自然草坪、人工草坪、木地板等。對于現(xiàn)代足球運(yùn)動(dòng)而言，最適宜的運(yùn)動(dòng)場地是自然草坪足球場，然而，隨著近年來人工草坪技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人工草坪足球場數(shù)量不斷增加，場地質(zhì)量逐漸提高，已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于專業(yè)比賽甚至是足球世界杯這種國際性的重大足球賽事中。例如，2010年的南非世界杯和2015年的加拿大女足世界杯就使用了人工草坪作為比賽場地。人工草坪相對于自然草坪具有場地平整程度好，養(yǎng)護(hù)成本低，使用頻率高，能適應(yīng)各種復(fù)雜氣候條件等優(yōu)點(diǎn)。目前第3代人工草坪(3rdGeneration AT)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛使用，其特點(diǎn)在于具有塑料的編織底層，較長的草束(≥30 mm)和橡膠顆粒、石英砂顆粒等填充[18]。

Poulos等[24]人對120名專業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員的調(diào)查結(jié)果顯示，大部分足球運(yùn)動(dòng)員從心理層面上更加偏向于在自然草坪運(yùn)動(dòng)，他們認(rèn)為，自然草坪相對于人工草坪具有更好的緩沖性能，能夠減少運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生。這些運(yùn)動(dòng)員的主觀調(diào)查結(jié)果可以根據(jù)流行病學(xué)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來解釋。據(jù)統(tǒng)計(jì)，足球運(yùn)動(dòng)員在自然草坪進(jìn)行足球運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（ACL）損傷的概率為0.012 4%，在人工草坪這一概率為0.017 3%，人工草坪上膝關(guān)節(jié)ACL損傷概率是自然草坪的1.39倍，人工草坪下肢非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷概率(44.29%)也要高于自然草坪(38.63%)[4,12,20,28]。

Williams等[35]和Stiles等[29]人總結(jié)了自然草坪和人工草坪條件對下肢非接觸性損傷風(fēng)險(xiǎn)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在自然草坪界面運(yùn)動(dòng)和在人工草坪界面運(yùn)動(dòng)對于足球運(yùn)動(dòng)員總體的下肢非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)幾乎沒有影響。但有研究結(jié)果顯示，在人工草坪運(yùn)動(dòng)顯著增加了膝踝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，另有研究結(jié)果顯示，在人工草坪運(yùn)動(dòng)可以有效減小肌肉軟組織損傷風(fēng)險(xiǎn)。上述這些研究都是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)或流行病學(xué)的觀點(diǎn)和方法探索足球運(yùn)動(dòng)員在不同草坪場地的損傷風(fēng)險(xiǎn)和概率，而對于導(dǎo)致?lián)p傷的內(nèi)在生物力學(xué)因素卻沒有深入探討，尤其是針對足-鞋-草坪之間相互作用的生物力學(xué)機(jī)理。職業(yè)和半職業(yè)的足球運(yùn)動(dòng)員損傷風(fēng)險(xiǎn)較高，且大多發(fā)生于下肢的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，導(dǎo)致非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷的因素大致可以分為內(nèi)在因素（如年齡，性別，損傷史等）和外在因素（如草坪條件，鞋釘構(gòu)造等）[5,18]。

Ford等[9]人使用足底壓力測量系統(tǒng)對14名足球運(yùn)動(dòng)員穿著傳統(tǒng)的圓釘足球鞋分別在自然草坪和第3代人工草坪進(jìn)行足球訓(xùn)練中的經(jīng)典動(dòng)作——繞桿側(cè)切跑進(jìn)行足底壓力測試。測試結(jié)果顯示，在人工草坪繞桿側(cè)切動(dòng)作時(shí)，峰值足底壓力出現(xiàn)在腳趾中部區(qū)域和腳趾外側(cè)區(qū)域，而在自然草坪上進(jìn)行繞桿側(cè)切動(dòng)作時(shí)，峰值足底壓力出現(xiàn)在前掌內(nèi)側(cè)區(qū)域和前掌外側(cè)區(qū)域。他們推測，在自然草坪上進(jìn)行側(cè)切動(dòng)作過程中前掌內(nèi)側(cè)下沉的更多，即足外翻程度更大；而在人工草坪上進(jìn)行側(cè)切動(dòng)作則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

Strutzenberger等[30]人對8名女子足球運(yùn)動(dòng)員在自然草坪和人工草坪進(jìn)行30°和60°側(cè)切動(dòng)作的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)測試且不提前告知側(cè)切方向，測試結(jié)果顯示，在人工草坪完成側(cè)切動(dòng)作過程中膝關(guān)節(jié)在支撐期的外展角度和內(nèi)旋角度要顯著小于自然草坪，同時(shí)，在人工草坪上踝關(guān)節(jié)支撐初期跖屈角度和內(nèi)翻角度均顯著高于自然草坪。以上結(jié)果從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度證實(shí)，女性足球運(yùn)動(dòng)員在人工草坪上進(jìn)行足球側(cè)切動(dòng)作并不會(huì)提升下肢膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

Smith等[28]人對專業(yè)男性足球運(yùn)動(dòng)員在側(cè)切變向動(dòng)作和急停動(dòng)作過程中地面反作用力特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)側(cè)切動(dòng)作和急停動(dòng)作支撐腿的支撐期內(nèi)峰值垂直地面反作用力可以達(dá)到體重的2～3倍，側(cè)切動(dòng)作中峰值水平地面反作用力可以達(dá)到體重的0.6倍，而在急停動(dòng)作中峰值水平地面反作用力甚至可以達(dá)到體重的3倍。

Nigg等[23]人對足球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行足球特征動(dòng)作時(shí)足球鞋與草皮之間的抓地力(Traction Force)進(jìn)行了研究，認(rèn)為鞋與草皮之間足夠的抓地力可以保證足球運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行快速的加速、減速以及側(cè)切轉(zhuǎn)身變向等動(dòng)作過程中足與地面不發(fā)生相對滑動(dòng)，是提高運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的重要因素。然而，過高的抓地力有可能導(dǎo)致足固定，從而導(dǎo)致側(cè)切變向等動(dòng)作中支撐腿膝踝關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)力矩和翻轉(zhuǎn)力矩增大，致使下肢非接觸性損傷風(fēng)險(xiǎn)提高。

目前，國內(nèi)、外關(guān)于足球運(yùn)動(dòng)員穿著不同鞋釘構(gòu)造足球鞋在人工草坪界面上的生物力學(xué)研究較多，而對于鞋釘構(gòu)造和草坪條件的雙因素對比性研究較少，對不同草坪條件與不同鞋釘構(gòu)造足球鞋之間相互作用的生物力學(xué)機(jī)制尚不清楚。因此，本研究通過對足球運(yùn)動(dòng)員穿著不同鞋釘構(gòu)造足球鞋分別在自然草坪和人工草坪進(jìn)行足球特征動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)測試分析，揭示不同草坪界面和不同鞋釘構(gòu)造影響足球運(yùn)動(dòng)員完成特征性動(dòng)作的內(nèi)在生物力學(xué)機(jī)制。

2 研究對象與方法

2.1 受試者

本研究選取專業(yè)男性足球運(yùn)動(dòng)員14名（年齡：20.2±1.4周歲；身高：1.71±0.05 m；體重：65.3±5.6 kg；球齡：11.2±2.6年），均為國家二級運(yùn)動(dòng)員及以上水平的運(yùn)動(dòng)員且均有人工草坪和自然草坪球場踢球經(jīng)驗(yàn)。右腿為優(yōu)勢腿，測試前6個(gè)月無下肢傷病史，測試前24 h無劇烈體力活動(dòng)。受試者了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并簽署知情協(xié)議書。

2.2 實(shí)驗(yàn)用鞋和草坪條件

本研究選取了安踏（中國）有限公司生產(chǎn)的長釘足球鞋(Soft Ground Design, SG)、短釘足球鞋(Artificial Ground Design, AG)和碎釘足球鞋(Turf Cleats, TF)，共3款（表1）。其中，SG的鞋底材質(zhì)為聚氨酯(PU)，鞋釘材質(zhì)為輕質(zhì)鋁合金和熱塑性聚氨酯(TPU)；AG的鞋底材質(zhì)為PU，鞋釘材質(zhì)為TPU；TF的鞋底和鞋釘材質(zhì)均合成橡膠。本研究選取的人工草坪為國際足聯(lián)(FIFA)認(rèn)證的第3代標(biāo)準(zhǔn)人工草坪，由江蘇威騰人造草坪有限公司生產(chǎn)，單絲草PE草絲，草束高度40 mm，草束密度10 500針/m2。本研究人工草坪每平方米填充石英砂和橡膠顆?；旌衔?6 kg，并按照橡膠顆粒比石英砂為1:3的比例均勻填充并壓實(shí)。本研究選用的自然草坪為常見的暖季型足球場草坪——馬尼拉草坪，草束統(tǒng)一修剪為40 mm高，草坪含水量采用θ探針(Theta Probe)進(jìn)行測試，保證每次測試前草坪的含水量一致。本研究測試用人工草坪和自然草坪尺寸均為1 m×1 m，均鋪設(shè)在相同面積的防滑墊上。采用自然落錘法(克萊格錘，Clegg Hammer)測試本研究選用的人工草坪和自然草坪的硬度系數(shù)(Turf Pitch Hardness)[29]。選用2.25 kg重量規(guī)格的克萊格中型錘，將錘高度提升至0.45 m后垂直自由下落沖擊測試表面，連續(xù)錘擊4次，讀取最后一次的數(shù)值(CIV值)即定義為該種草坪的硬度系數(shù)“g”。

表1 本研究選用的不同鞋釘構(gòu)造的足球鞋

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

英國Vicon公司生產(chǎn)的紅外三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（Oxford Metrics LtD.,Oxford, UK），Vicon Nexus分析軟件，Kistler三維測力系統(tǒng)（Kistler, Swizerland，60cm×90cm），智能測速門（SMARTSPEED, Fusion Sport International, Coopers Plains, Australia），克萊格錘（Clegg hammer）。

2.4 場地設(shè)計(jì)

測試跑道設(shè)置在8個(gè)Vicon攝像頭的捕捉范圍內(nèi)，跑道寬0.8 m，直線跑道和側(cè)切跑道總長度均為10 m。Kistler三維測力臺安裝于直線跑道和側(cè)切跑道的交匯處，測力臺中心距離起點(diǎn)垂直距離6 m，直線跑道與側(cè)切跑道的夾角為45°（圖1）。跑道兩側(cè)靠近測力臺擺放兩套智能測速門，測速門垂直距離和水平距離均為2 m。Vicon三維紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Oxford Metrics LtD.,Oxford, UK）采用Vicon Nexus軟件內(nèi)置的Plug-in-Gait模型，16個(gè)Maker反光點(diǎn)分別粘貼在受試者的左右髂前上棘、左右髂后上嵴、左右大腿外側(cè)、左右膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)外側(cè)、左右小腿外側(cè)、左右外踝尖、左右腳后跟及左右側(cè)第二跖骨頭，測試頻率設(shè)定在200 Hz，用于運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。Kistler三維測力臺（Kistler, Swizerland）與Vicon運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)同步測試，測試頻率設(shè)定在1 000 Hz，用于地面反作用力等相關(guān)指標(biāo)的采集。自然草皮和人工草皮分別鋪設(shè)在相同規(guī)格的防滑墊上，防滑墊為1 m×1 m，厚度6 mm的方墊，防滑墊與草皮接觸面較粗糙，能夠有效避免自然草皮和人工草皮底部與防滑墊之間的相對滑動(dòng)。防滑墊底部使用雙面膠與周圍地面牢固固定，確保防滑墊底面不與測力臺周圍地面發(fā)生明顯的接觸和力學(xué)作用。

圖1 實(shí)驗(yàn)場地設(shè)計(jì)圖

Figure 1. Design of Experimental Protocol

2.5 測試流程及測試指標(biāo)

所有受試者均在同一起點(diǎn)處開始直線加速跑(Straight Acceleration)和45°左側(cè)切動(dòng)作(Left Sidestep Cutting)，正式測試開始前，首先要求受試者進(jìn)行3 min熱身準(zhǔn)備活動(dòng)并熟悉測試動(dòng)作。直線加速跑起跑姿勢要求受試者身體站立并微微向前傾，調(diào)整步點(diǎn)保證右腳完整落在距離起點(diǎn)6 m處的測力臺范圍內(nèi)，測試全程長10 m。45°側(cè)切動(dòng)作起跑姿勢與直線跑保持一致，受試者向前沖刺6 m調(diào)整右腳踏在測力臺上并向左側(cè)45°跑道變向，測試全程長10 m。直線加速跑和45°側(cè)切動(dòng)作在通過測速門時(shí)速度均應(yīng)達(dá)到4.5±0.2 m/s，并保證受試者右腳完整踏在測力臺范圍內(nèi)。每位受試者在不同草坪、鞋釘和動(dòng)作條件下均采集6組有效數(shù)據(jù)。為防止疲勞因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，規(guī)定受試者每3組測試間休息1 min，每10組測試間休息5 min。測試指標(biāo)包括運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，運(yùn)動(dòng)學(xué)測試指標(biāo)包括：支撐期時(shí)間(Contact Time, CT)；三維膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(Range of Motion, ROM)、三維關(guān)節(jié)角度峰值(Peak Angle, PA)。具體指標(biāo)為膝關(guān)節(jié)峰值屈曲角度和屈曲活動(dòng)度、膝關(guān)節(jié)峰值外展角度和外展活動(dòng)度、膝關(guān)節(jié)峰值內(nèi)旋角度和內(nèi)旋活動(dòng)度、踝關(guān)節(jié)峰值背屈角度和背屈活動(dòng)度、踝關(guān)節(jié)峰值內(nèi)翻角度和內(nèi)翻活動(dòng)度、踝關(guān)節(jié)峰值內(nèi)旋角度和內(nèi)旋活動(dòng)度。動(dòng)力學(xué)測試指標(biāo)包括峰值地面反作用垂直方向分力(Peak Vertical Force, PVF)、平均地面反作用力垂直負(fù)荷加載率(Vertical Average Loading Rate, VALR)，本研究計(jì)算得到的地面反作用力垂直負(fù)荷加載率為直線加速動(dòng)作和側(cè)切動(dòng)作觸地時(shí)刻到首次峰值時(shí)刻的平均加載率，即這一階段力-時(shí)間曲線的斜率值。定義地面反作用力垂直方向分力首次峰值為vGRF1，地面反作用力垂直分力首次到達(dá)峰值的時(shí)間為Tv，則VALR為：

Fx為地面反作用力橫向分力(Medial-Lateral Force, Fx)，F(xiàn)y為地面反作用力縱向分力(Anterior-Posterior Force, Fy)，則地面反作用力水平方向合力(Horizontal Ground Reaction Force, hGRF)為：

PHF為峰值地面反作用力水平方向合力(Peak Resultant Horizontal Reaction Force, PHF)，定義地面反作用力水平方向合力到達(dá)峰值的時(shí)間為Th，則平均地面反作用力水平方向合力加載率(PHF rate, PHFR)為：

定義抓地系數(shù)為δ，抓地系數(shù)為地面反作用力水平方向合力(hGRF)與地面反作用力垂直分力(Vertical Ground Reaction Force, vGRF)之比，δ為：

圖2為地面反作用力垂直分力(vGRF)和地面反作用力水平合力(hGRF)的示意圖。由于側(cè)切動(dòng)作右腿支撐初期即足觸地期(0%～10%)和支撐末期即足離地期(90%～100%)的抓地系數(shù)值不穩(wěn)定，因此，本研究選取45°側(cè)切動(dòng)作右腿支撐期的10%～90%這一段抓地系數(shù)較為穩(wěn)定的時(shí)間段來計(jì)算平均抓地系數(shù)值進(jìn)行比較[7]。

圖2 受試者進(jìn)行側(cè)切動(dòng)作地面反作用力示意圖

Figure2. Ground Reaction Force of Cutting Movement

2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

首先使用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)（Independent-Sample T test）分析本研究選取的2種草坪硬度指標(biāo)是否存在顯著性差異。選取支撐期（Stance Phase）內(nèi)受試者右側(cè)下肢的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和地面反作用力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，所有數(shù)據(jù)由Vicon Nexus軟件導(dǎo)出至Excel 2013。地面反作用力數(shù)據(jù)均采用受試者體重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，單位BW（Body Weight），對每個(gè)參數(shù)的6組有效數(shù)據(jù)取平均值。SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件（SPSS Inc, IL, USA）采用雙因素重復(fù)測量方差分析法（Two-Way Repeated Measured ANOVA）分析受試者著3種鞋釘構(gòu)造足球鞋在2種草坪上分別進(jìn)行直線加速跑和45°側(cè)切動(dòng)作時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)果的差異性，考慮2種因素之間的交互作用，事后檢驗(yàn)(Post-hoc Analysis)采用最小顯著差異法（Least Significant Difference, LSD），顯著性水平均設(shè)定在0.05。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 草坪硬度測試結(jié)果

經(jīng)自然落錘法測試，本研究中選用的第3代人工草坪硬度系數(shù)為94.4±13.2 g，馬尼拉自然草坪硬度系數(shù)為77.3±8.7 g。對2種草坪硬度系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立樣本檢驗(yàn)，得出＜0.01，本研究選用的兩種草坪的硬度存在顯著性差異，且人工草坪硬度顯著性高于自然草坪。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)測試結(jié)果

本研究主要分析右腿支撐期的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以便于將運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析。測試結(jié)果顯示，在直線加速跑右腿支撐期過程中，NT-TF的膝關(guān)節(jié)峰值屈曲角度和屈曲活動(dòng)度都要顯著性小于AT-SG（表2）。45°側(cè)切動(dòng)作右腿支撐期過程中，AT-SG的踝關(guān)節(jié)峰值背屈角度和踝關(guān)節(jié)背屈活動(dòng)度顯著性大于NT-TF和AT-TF，交互作用顯著，＜0.05。AT-SG的膝關(guān)節(jié)峰值屈曲角度和屈曲活動(dòng)度顯著大于NT-TF和AT-TF，交互作用顯著，＜0.05（表3）。

表2 直線加速跑運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)

注：a表示NT-TF與AT-SG之間存在顯著性差異，＜0.05, 下同。

表3 45°左側(cè)切動(dòng)作運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)

注： b表示AT-SG和AT-TF之間存在顯著性差異，<0.05，下同。

3.3 動(dòng)力學(xué)測試結(jié)果

直線加速跑右腿支撐期階段，不同草坪和鞋釘條件下的峰值地面反作用力垂直分力(PVF)和峰值地面反作用力水平方向合力(PHF)均不具有顯著性差異。而NT-TF的地面反作用力垂直負(fù)荷加載率(VALR)顯著小于NT-SG和AT-SG，交互作用顯著，＜0.05(表4)。45°側(cè)切動(dòng)作右腿支撐期階段，NT-SG和AT-SG的地面反作用力垂直負(fù)荷加載率(VALR)均顯著高于NT-TF。在地面反作用力水平方向上，NT-SG的峰值地面反作用力水平方向合力(PHF)和峰值地面反作用力水平方向合力加載率(PHFR)顯著性高于NT-TF和AT-SG(表5)。

表4 直線加速跑支撐期地面反作用力變化

注：c表示NT-SG與NT-TF之間存在顯著性差異，＜0.05，下同。

表5 45°左側(cè)切動(dòng)作地面反作用力變化

注：d表示NT-SG與AT-SG之間存在顯著性差異。

受試者在自然草坪(NT)和人工草坪(AT)穿著3種不同鞋釘構(gòu)造足球鞋進(jìn)行側(cè)切動(dòng)作右腿支撐期內(nèi)的抓地系數(shù)δ變化如圖3所示，計(jì)算圖中灰色陰影部分抓地系數(shù)的平均值得出受試者在不同草坪和鞋釘條件下的平均抓地系數(shù)。經(jīng)計(jì)算得出，NT-SG的平均抓地系數(shù)為2.26±0.24，AT-SG的平均抓地系數(shù)為2.11±0.29，NT-AG的平均抓地系數(shù)為2.21±0.27，AT-AG的平均抓地系數(shù)為2.24±0.31，NT-TF的平均抓地系數(shù)為2.09±0.33，AT-TF的平均抓地系數(shù)為2.22±0.25。不同鞋釘構(gòu)造和草皮條件下的平均抓地系數(shù)差異如圖4所示。草坪條件和鞋釘構(gòu)造均對抓地系數(shù)δ有顯著影響，且交互作用非常顯著，＜0.01。

圖3 45°側(cè)切動(dòng)作支撐期內(nèi)的抓地系數(shù)δ變化圖

Figure3. Traction Ratio during Stance Phase of 45° Cut

注：陰影部分表示支撐期的10%～90%，這一階段抓地系數(shù)的值較穩(wěn)定

圖4 45°左側(cè)切動(dòng)作右腿支撐期的平均抓地系數(shù)值柱狀圖

Figure4. Average Traction Ratio during Stance Phase of 45° Cut

注：e表示NT-TF與AT-TF之間存在顯著性差異，＜0.05；f表示AT-SG與AT-AG之間存在顯著性差異，＜0.05；g表示AT-SG與NT-AG之間存在顯著性差異，＜0.05；h表示NT-AG與NT-TF之間存在顯著性差異，＜0.05；j表示AT-AG和NT-TF之間存在顯著性差異，＜0.05。

4 討論

本研究的創(chuàng)新之處在于同時(shí)探討不同草坪條件和鞋釘因素對足球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行足球特征性動(dòng)作時(shí)下肢生物力學(xué)表現(xiàn)的影響，從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)角度分析足-鞋-草坪三者之間的相互作用，探究鞋釘構(gòu)造和草坪條件這兩個(gè)客觀因素對運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同鞋釘構(gòu)造與草坪條件組合進(jìn)行足球特征動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在顯著性差異，而差異的來源可能來自鞋釘構(gòu)造或者草坪條件的不同，也可能是二者共同作用的結(jié)果，即二者交互作用顯著。

4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)測試結(jié)果分析

經(jīng)測試，本研究中不同鞋釘構(gòu)造足球鞋在不同草坪界面進(jìn)行直線加速跑和45°側(cè)切動(dòng)作時(shí)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)差異主要體現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)屈曲角度和屈曲活動(dòng)度是反映損傷風(fēng)險(xiǎn)的敏感指標(biāo)，在緩沖落地階段，膝關(guān)節(jié)屈曲角度和屈曲活動(dòng)程度越大，越能夠吸收來自地面的沖擊，減小損傷風(fēng)險(xiǎn)[11,36]。根據(jù)機(jī)械測試結(jié)果，本研究選用的自然草坪(NT)和人工草坪(AT)硬度系數(shù)存在顯著性差異，人工草坪硬度顯著高于自然草坪(＜0.05)。有研究證實(shí)，較軟的運(yùn)動(dòng)界面能夠提供更好的緩沖條件[29]。而測試結(jié)果顯示，受試者在AT上穿著SG在兩個(gè)動(dòng)作中的膝關(guān)節(jié)屈曲角度和活動(dòng)度反而都是最高的。有研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員在不同硬度界面上跑步時(shí)，能夠自行協(xié)調(diào)下肢許多不同肌群、肌腱和韌帶的激活水平，使下肢在落地階段表現(xiàn)的類似于一個(gè)機(jī)械彈簧，從而根據(jù)運(yùn)動(dòng)界面硬度的不同來調(diào)節(jié)下肢剛度以適應(yīng)不同硬度條件的運(yùn)動(dòng)界面[8,11]。Ferris等[8]人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員從較軟的運(yùn)動(dòng)界面踏到較硬的運(yùn)動(dòng)界面時(shí)，下肢剛度下降了29%。運(yùn)動(dòng)員在不同硬度界面運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠通過調(diào)節(jié)自身下肢剛度達(dá)到適應(yīng)不同硬度運(yùn)動(dòng)界面的目的。因此，本研究中運(yùn)動(dòng)員在較硬的AT上穿著SG完成直線加速和45°側(cè)切動(dòng)作時(shí)較高的膝關(guān)節(jié)峰值屈曲角度能夠幫助運(yùn)動(dòng)員吸收部分沖擊力，達(dá)到緩沖保護(hù)的目的。同時(shí)，45°側(cè)切動(dòng)作過程中，在膝關(guān)節(jié)峰值屈曲角度和屈曲活動(dòng)度這兩個(gè)指標(biāo)上，草坪條件與鞋釘因素存在顯著交互作用，＜0.01。推測45°側(cè)切動(dòng)作中，AT-SG與NT-TF在膝關(guān)節(jié)屈曲角度和屈曲活動(dòng)度方面的差異來源于鞋釘和草坪這兩個(gè)因素，而AT-SG與AT-TF在這兩個(gè)指標(biāo)上的差異則主要來源于鞋釘構(gòu)造不同，鞋釘構(gòu)造和草坪條件因素對這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)均有顯著影響，二者存在顯著的交互作用。側(cè)切動(dòng)作右腿支撐期過程中，踝關(guān)節(jié)的峰值背屈角度和背屈活動(dòng)度體現(xiàn)了與膝關(guān)節(jié)一致的變化趨勢，即AT-SG的踝關(guān)節(jié)峰值背屈角度和背屈活動(dòng)度顯著高于NT-TF和AT-TF。產(chǎn)生這種變化趨勢的原因一方面可能是由于膝關(guān)節(jié)屈曲程度的增大致使小腿更加靠近足背，被動(dòng)導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)背屈程度的增大。另一方面，可能是較硬地面與長釘足球鞋的共同作用減小了運(yùn)動(dòng)員落地時(shí)的下肢剛度(Leg Stiffness)，需要踝關(guān)節(jié)較大的屈曲角度來緩沖地面沖擊力[8,29]。對于運(yùn)動(dòng)員來說，能夠通過迅速調(diào)節(jié)下肢剛度來適應(yīng)不同硬度條件的運(yùn)動(dòng)界面是非常有利的，然而，這種調(diào)節(jié)的過程或者說調(diào)節(jié)機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致額外的能量消耗，從而使運(yùn)動(dòng)員的疲勞進(jìn)程加快，致使非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)增加[8,13,25,29]。推測，在較硬的人工草坪界面上著SG的非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)較高。

4.2 動(dòng)力學(xué)測試結(jié)果分析

地面反作用力垂直負(fù)荷加載率（VALR）在不同鞋釘和草坪條件組合下存在顯著性差異。其中，SG在NT和AT界面上均表現(xiàn)出較高的VALR。研究表明，VALR是造成足部及下肢損傷的主要因素。跑步過程中，足部觸地后地面反作用力迅速升高，形成強(qiáng)烈的沖擊力并在瞬間傳至下肢關(guān)節(jié)及肌肉骨骼系統(tǒng)，易造成足部與下肢損傷，以脛骨應(yīng)力性骨折、髕骨痛、跟腱炎及足底筋膜炎最為常見[22,37]。側(cè)切動(dòng)作中，NT-SG的峰值地面反作用力水平方向合力（PHF）要顯著高于NT-TF和AT-SG。在45°側(cè)切轉(zhuǎn)身等動(dòng)作中，受試者穿著長釘足球鞋在自然草坪上更高的PHF可以提供更多的動(dòng)態(tài)推進(jìn)力，能夠提高受試者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[19,31,34]。Muller等[21]人測試了運(yùn)動(dòng)員分別穿著0%、50%、100%這3種遞增長度鞋釘足球鞋在自然草坪進(jìn)行直線加速跑和障礙跑的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)測試，結(jié)果顯示，隨著鞋釘長度的增加，障礙跑所用時(shí)間逐漸減少。鞋與地面之間足夠的抓地力能夠保證運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行快速的側(cè)切變向等動(dòng)作而不與地面發(fā)生相對滑動(dòng)，是運(yùn)動(dòng)員保持良好運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的重要因素之一。更直觀地說，鞋與地面之間的抓地力或者說抓地系數(shù)越大，運(yùn)動(dòng)員就可以更大程度的向地面傾斜從而獲得更大的地面反作用力水平方向分力，產(chǎn)生更大的加速度從而獲得更好的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[15]。

本研究中的抓地系數(shù)是地面反作用力水平合力與地面反作用力垂直分力的比值，是受試者可利用的抓地系數(shù)（Available Traction Coefficient），同時(shí)，鞋底與地面之間還存在機(jī)械抓地系數(shù)（Mechanical Traction Coefficient）即采用機(jī)械測試的方法測出鞋-地之間的抓地系數(shù)值[7,16]。Geng等[10]選用了鞋面條件一致、鞋底機(jī)械抓地系數(shù)分別為0.26，0.54，0.82，1.13的4種運(yùn)動(dòng)鞋，受試者著4種運(yùn)動(dòng)鞋進(jìn)行直線沖刺跑和弧線加速跑，研究發(fā)現(xiàn)，可利用抓地系數(shù)和運(yùn)動(dòng)成績隨著機(jī)械抓地系數(shù)的上升不斷提高，然而，當(dāng)可利用抓地系數(shù)值超過0.82后，運(yùn)動(dòng)成績不再隨著機(jī)械抓地系數(shù)的提升而提高。Muller等人測試了4款不同外底構(gòu)造的足球鞋在人工草坪上的機(jī)械抓地系數(shù)，可用抓地系數(shù)和障礙跑運(yùn)動(dòng)成績，發(fā)現(xiàn)機(jī)械抓地系數(shù)最高的一雙足球鞋障礙跑運(yùn)動(dòng)成績反而最差，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)員對這雙機(jī)械抓地系數(shù)最高的足球鞋主觀反饋也最差，經(jīng)測試這雙足球鞋較低的可利用抓地系數(shù)可能是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和主觀反饋較差的主要因素[6,34]。因此，可利用抓地系數(shù)是決定運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。本研究45°側(cè)切動(dòng)作中，NT-TF和AT-SG的平均抓地系數(shù)顯著小于其他鞋釘與草坪組合條件下的平均抓地系數(shù)，即受試者在自然草坪上著碎釘足球鞋和在人工草坪上著長釘足球鞋降低了運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。從自然草坪角度來看，足球鞋與自然草坪之間的抓地力主要依靠鞋釘扎入滲透進(jìn)土壤中，更長的鞋釘能夠扎入更深層的土壤從而獲得更大的水平方向推進(jìn)力以增大抓地力，因此，長釘?shù)腟G能夠在自然草坪上獲得相對較好的抓地表現(xiàn)。而TF由于鞋釘長度過短，幾乎無法扎入自然草坪，無法獲得足夠的抓地力，甚至鞋底會(huì)與草坪之間發(fā)生相對滑動(dòng)[6]。從人工草坪角度看，足球鞋與人工草坪之間的抓地力主要依賴鞋底同草絲和填充物顆粒的摩擦來提高抓地表現(xiàn)[3,4]。因此，在人工草坪上，AG和TF鞋釘數(shù)量較多，長度較短，鞋底與草坪的接觸面積較大，獲得的摩擦力也就更大。而長釘?shù)腟G鞋釘數(shù)量少，鞋釘較長，與人工草坪的接觸面積小，相互之間的摩擦力小，容易產(chǎn)生相對滑動(dòng)。

從以上的分析中不難得出，通過提高可利用的抓地力或抓地系數(shù)可有效提高運(yùn)動(dòng)成績和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，即自然草坪條件下應(yīng)將抓地系數(shù)最高的SG作為唯一選擇。而過高的抓地力和抓地系數(shù)卻被許多學(xué)者認(rèn)為與下肢非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷緊密相關(guān)[17,23,33]。Torg等[33]人研究發(fā)現(xiàn)，過高的抓地力容易導(dǎo)致足部與運(yùn)動(dòng)界面之間的固定，從而引起下肢軟組織和膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)的增加。Smeet等[27]人研究發(fā)現(xiàn)，隨著鞋釘長度的增加，抓地力會(huì)顯著增大，而過高的抓地力會(huì)導(dǎo)致蹬地過程中膝關(guān)節(jié)外展角度和外展力矩增大，從而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（ACL）損傷風(fēng)險(xiǎn)的增加。在側(cè)切和變向等動(dòng)作中，鞋底與草坪之間足夠的抓地力或者抓地系數(shù)是避免滑動(dòng)損傷和保證運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的重要因素，運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)隨著抓地系數(shù)的提高不斷提升，而在抓地系數(shù)到達(dá)一定閾值再提高時(shí)，運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)就會(huì)進(jìn)入一個(gè)平臺期，此時(shí)，下肢非接觸性損傷風(fēng)險(xiǎn)不斷升高[1,2,10,23]。

綜上所述，SG更適合在自然草坪使用，碎釘TF足球鞋更適合在人工草坪使用。專業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員在比賽中更傾向于選擇SG足球鞋作為比賽用鞋，從客觀原因看，專業(yè)足球比賽的場地是專業(yè)的、松軟的自然草坪，能夠有效降低地面反作用力垂直負(fù)荷加載率等損傷敏感指標(biāo)來降低非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。從主觀原因看，專業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員接受了系統(tǒng)專業(yè)的訓(xùn)練，無論是身體素質(zhì)、肌肉力量還是技術(shù)動(dòng)作都要優(yōu)于業(yè)余水平運(yùn)動(dòng)員。綜合考慮，建議業(yè)余水平運(yùn)動(dòng)員應(yīng)謹(jǐn)慎選擇SG以預(yù)防可能發(fā)生的下肢非接觸性運(yùn)動(dòng)損傷。

4.3 本研究不足與局限

1. 本研究選取的自然草坪為常見的暖季型足球場草坪——馬尼拉草坪，而不同的地域和氣候條件決定了足球場草坪的種類繁多，各種足球場自然草坪的機(jī)械特性和力學(xué)性能可能存在差異，本研究只選取較有代表性的自然草坪與第3代人工草坪進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，由于人力財(cái)力等條件的限制，不能涵蓋目前所有種類的自然草坪。

2. 本研究選取的3款實(shí)驗(yàn)用鞋的鞋底材料和鞋釘材質(zhì)并不完全一致，這可能是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行特征動(dòng)作時(shí)生物力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)顯著性差異的影響因素之一，后期應(yīng)盡量選用鞋底材質(zhì)相同或相近的足球鞋進(jìn)行對比。

3. 本研究中人工草坪和自然草坪均鋪設(shè)在厚度6 mm的防滑墊(1 m×1 m)上，防滑墊底部通過雙面膠與測力臺周圍地面進(jìn)行黏合，由于防滑墊尺寸與測力臺大小(60 cm×90 cm)不一致，測試過程中防滑墊與周圍地面會(huì)發(fā)生力學(xué)作用而影響測試準(zhǔn)確性。

4. 本研究只針對成年男子足球運(yùn)動(dòng)員在非疲勞狀態(tài)下進(jìn)行了測試，而未對女性足球運(yùn)動(dòng)員以及運(yùn)動(dòng)員在疲勞狀態(tài)下進(jìn)行相關(guān)測試。

5. 本研究中的側(cè)切變向動(dòng)作提前告知了側(cè)切方向，而在真實(shí)的比賽中，變向側(cè)切的方向往往是不可預(yù)期的，可能會(huì)造成更大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。以上這些不足與局限都需要在后續(xù)研究中繼續(xù)落實(shí)完善。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

直線加速跑和45°左側(cè)切動(dòng)作右腿支撐期，SG在硬度較高的人工草坪上的膝關(guān)節(jié)屈曲角度和屈曲活動(dòng)度較大且草坪條件與鞋釘因素之間交互作用顯著，較大的膝關(guān)節(jié)屈曲角度和屈曲活動(dòng)度能夠更好地緩沖落地階段較大的地面沖擊力，然而，可能需要?jiǎng)訂T更多肌肉軟組織，加快疲勞進(jìn)程，增加長時(shí)間運(yùn)動(dòng)的損傷風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，SG在人工草坪上具有較大的地面反作用力垂直負(fù)荷加載率(VALR)，且草坪與鞋釘交互作用顯著，過高的VALR可能導(dǎo)致脛骨疲勞性骨折、髕骨痛、跟腱炎等下肢關(guān)節(jié)軟組織損傷風(fēng)險(xiǎn)增加。AT-SG和NT-TF的抓地系數(shù)顯著性低于其他草坪與鞋釘組合，SG在自然草坪的抓地力主要依靠鞋釘與草坪之間的交叉滲透，而AG和TF在人工草坪的抓地力則主要是鞋底與草坪表面及填充物的摩擦。較高的抓地系數(shù)能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供更好的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，而鞋與地面之間過高的抓地系數(shù)容易導(dǎo)致足與地面的固定，從而增加下肢軟組織和膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶(ACL)等的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 建議

在人工草坪上進(jìn)行足球運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇短釘足球鞋或者碎釘足球鞋，要避免選用鞋釘較長且鞋釘材質(zhì)較硬的長釘足球鞋；而在自然草坪進(jìn)行足球運(yùn)動(dòng)時(shí)，建議專業(yè)水平足球運(yùn)動(dòng)員選擇能夠有效增大抓地力和抓地系數(shù)的長釘足球鞋提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，而對于下肢肌肉力量較弱，動(dòng)作控制能力較差的業(yè)余水平運(yùn)動(dòng)員應(yīng)謹(jǐn)慎選擇長釘足球鞋，可以選擇較長釘?shù)腇G（Firm Ground Design）足球鞋或短釘足球鞋。

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Biomechanical Analysis of Soccer Players on Different Turf Conditions with Different Studded Soccer Shoes

SUN Dong1, 2, GUSZTáV Fekete2, GU Yao-dong1, LI Jian-she1

1. Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2. E?tv?s Loránd Unversity, Budapest 1011-1239, Hungary.

Objective: The purpose of this study was to investigate the effect of shoe stud construction on biomechanical performance and non-contact injury risk when soccer players performed specific movements under different turf conditions, and further to provide insights into shoes selection in particular field conditions. Method: A total of 14 experienced soccer players participated in the tests to complete tasks of straight acceleration and 45° left sidestep cutting with randomly wearing shoes with soft ground design (SG), artificial ground design (AG) and turf cleats (TF) in natural turf (NT) and artificial turf (AT) conditions, respectively. The Vicon motion analysis system was used to capture participant’s lower limb kinematics data. A Kistler force platform was synchronized to collect the ground reaction force. Results: In the tasks of straight acceleration and 45° left sidestep cutting, AT-SG showed greater peak knee flexion angles and flexion-extension range of motion (ROM) than NT-TF and AT-TF. NT-SG and AT-SG showed significantly higher VALR compared with NT-TF and AT-TF. AT-SG and NT-TF showed significantly lower average required traction ratio compared with other conditions, shoe stud and turf condition showed significant interaction effect. Conclusion: Greater knee flexion angle may help to absorb higher impact force, but might induce fatigue. Higher VALR of AT-SG may resulted in higher injury risk, such as Achilles tendinitis, tibia stress fracture.

G804.6

Ａ

1002-9826(2018)01-0071-09

10.16470/j.csst.201801010

2016-12-01；

2017-08-26

浙江省社科規(guī)劃‘之江青年課題’(16ZJQN021YB);安踏(中國)有限公司資助項(xiàng)目(ATYFYB 201706005);國家社會(huì)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(16BTY085)。

孫冬,男,在讀博士研究生,主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)人體科學(xué),E-mail:nbusundong@aliyun.com。