□ 唐正彥 劉靜民（清華大學(xué)體育部 北京 100084）

1、研究目的

近年來，隨著生活水平的提高和人們健身意識(shí)的增強(qiáng)，跑步已成為人們現(xiàn)代生活“健康、愉快和時(shí)尚”的標(biāo)志，跑步是減少久坐帶來的多種危害、消除生理的消極狀態(tài)和緩解心理壓力的最佳方式之一?，F(xiàn)代都市生活中由于霧霾等不利自然環(huán)境往往會(huì)對(duì)人們戶外跑步帶來影響，同時(shí)出于方便的考慮，人們經(jīng)常會(huì)選擇室內(nèi)健身，在跑步機(jī)上進(jìn)行跑步。為了給跑步者帶來舒適、愉快的感覺，防止經(jīng)常使用跑步機(jī)的跑步者腳踝、膝關(guān)節(jié)等部位出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷，跑步機(jī)的減震性能至關(guān)重要。

有減震功能的跑步機(jī)可以緩沖地面沖擊力對(duì)人體造成的傷害。人每步行1公里，一只腳要承受600-700次的重力沖擊，若是激烈運(yùn)動(dòng)，其沖擊次數(shù)和沖擊力就更大。跑步時(shí)，腳觸地的瞬間，受到地面的沖擊力將達(dá)到人體重量的2-4倍。這種沖擊力長期作用在人體，會(huì)對(duì)各部位造成不同的傷害。在跑步機(jī)上跑步時(shí)，如果跑步機(jī)有一定的減震性能，可以減緩長期跑步帶給人的傷害。

但是人體在地面和跑步機(jī)上分別進(jìn)行主、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，足底壓力都會(huì)有明顯差別，不同品牌和價(jià)位的跑步機(jī)也會(huì)采用不同的方式進(jìn)行減震，因此，研究跑步機(jī)的減震性能是非常有必要的。近來，市場(chǎng)上推出了一些新的跑步機(jī)，采用了一些新的設(shè)計(jì)，我們此次嘗試檢測(cè)這類跑步機(jī)的減震性能。

2、研究對(duì)象與方法

2.1、研究對(duì)象

（1）測(cè)試運(yùn)動(dòng)表面。

測(cè)試跑步機(jī)選取兩臺(tái)市面上常見并且處于同等價(jià)位的具有不同減震設(shè)計(jì)的跑步機(jī)，包括主要依靠磁力減震的跑步機(jī)1和主要依靠彈簧和硅膠墊減震的跑步機(jī)2。以塑膠跑道和柏油路面作為對(duì)照。

（2）受試者。

選取身體健康、有良好運(yùn)動(dòng)能力和跑步機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)的1名男性參加本研究的測(cè)試。受試者身高185cm，體重70kg，非扁平足及足弓，且參加本研究測(cè)試之前半年內(nèi)下肢無損傷史。

2.2、實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)采集

（1）實(shí)驗(yàn)儀器和測(cè)試設(shè)備。

足底壓力測(cè)試系統(tǒng)：本研究采用德國Novel公司開發(fā)的Pedar鞋墊式足底壓力測(cè)量系統(tǒng)采集運(yùn)動(dòng)過程中足底的動(dòng)力學(xué)相關(guān)指標(biāo)，全面評(píng)估足底壓力與減震性的相關(guān)性。測(cè)試時(shí)，鞋墊放置于左、右鞋內(nèi)，采集頻率設(shè)置為100Hz。鞋墊通過電纜線與控制盒相連，控制盒執(zhí)行讀取、記錄、發(fā)送、同步輸出等功能。采集到的原始數(shù)據(jù)為每一傳感器的壓強(qiáng)信號(hào)。分析軟件為足底壓力系統(tǒng)自帶測(cè)量分析系統(tǒng)管理軟件。

膝關(guān)節(jié)角度測(cè)量：采用德國SIMI公司生產(chǎn)的SIMI Motion動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，記錄運(yùn)動(dòng)過程中膝關(guān)節(jié)角度變化。采集頻率350Hz。

（2）實(shí)驗(yàn)方法。

受試者穿上緊身運(yùn)動(dòng)服和運(yùn)動(dòng)鞋，同時(shí)在鞋底放置足底壓力測(cè)試鞋墊，在測(cè)試前進(jìn)行5min的慢跑熱身，正式測(cè)試速度為4km/h、5.4km/h、7.2km/h、9km/h、10.8km/h（4km/h 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為快步走，其他速度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為跑），每次測(cè)試前進(jìn)行壓力鞋墊調(diào)零。以測(cè)試速度跑1min后，若測(cè)試者通過觀察發(fā)現(xiàn)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，記錄15s足底壓力數(shù)據(jù)，每次測(cè)試間間隔10min，保證測(cè)試人員的體力恢復(fù)。隨后以相同的要求，在另外一臺(tái)跑步機(jī)上進(jìn)行測(cè)試并收集足底壓力數(shù)據(jù)。通過smartspeed紅外測(cè)速儀檢測(cè)塑膠跑道和柏油路面的運(yùn)動(dòng)速度。

（3）數(shù)據(jù)處理。

采用與pedar配套的數(shù)據(jù)處理軟件獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Excel2016進(jìn)行分析。分析足底壓力峰值數(shù)據(jù)時(shí)，選取左足十次穩(wěn)定的單步的均值，輸出數(shù)據(jù)。將每次測(cè)試的數(shù)據(jù)從系統(tǒng)中取出保存。選取左腳的步態(tài)資料，去除頭尾的數(shù)據(jù)資料，從中選取步態(tài)穩(wěn)定動(dòng)作一致的一步步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓強(qiáng)-時(shí)間分析。采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行顯著性分析檢驗(yàn)。

3、結(jié)果與分析

3.1、不同運(yùn)動(dòng)表面上一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)壓強(qiáng)-時(shí)間變化

圖1可知，在4km/h速度下，受試者由于以快步走的姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，四種運(yùn)動(dòng)表面的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線均出現(xiàn)了雙波峰的圖形。跑步機(jī)1在緩沖時(shí)的波峰明顯低于另外三種運(yùn)動(dòng)表面，并且波峰出現(xiàn)的時(shí)間也相對(duì)較晚，說明在緩沖階段跑步機(jī)1的減震性能較為明顯，跑步機(jī)2則更接近于塑膠路面。而在蹬伸期，跑步機(jī)1的平均壓強(qiáng)峰值和跑步機(jī)2、柏油路面出現(xiàn)的時(shí)間和高度都較為一致，但是均低于塑膠跑道的平均壓強(qiáng)峰值，可見兩種跑步機(jī)都能提供和柏油路面類似的較為充足的蹬伸反作用力。同時(shí)結(jié)合膝關(guān)節(jié)最大緩沖角和步態(tài)周期時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)盡管在跑步機(jī)1上平均壓強(qiáng)較低，但是由于速度較慢，對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的改變不明顯，因此跑步機(jī)1在快走狀態(tài)中，可以在保證正確運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)的前提下有效減震。而跑步機(jī)2在落地的緩沖階段受到地面反作用力和塑膠、柏油路面相似，但是蹬伸狀態(tài)下全足則有較高的平均壓強(qiáng)，因此蹬伸狀態(tài)可能會(huì)有和在塑膠、柏油路面上不同的運(yùn)動(dòng)感受。

圖1 4km/h速度下一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖2 5.4km/h速度下一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖3 7.2km/h速度下一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖5 10.8km/h速度下一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)全足壓強(qiáng)均值

圖2 -圖4可知，在5.4km/h、7.2km/h和9km/h的速度時(shí)，四種運(yùn)動(dòng)表面的全足壓強(qiáng)均值的峰值出現(xiàn)時(shí)間基本沒有差異，都分別在0.14、0.13、0.12秒左右達(dá)到峰值，但是跑步機(jī)1的峰值要低于另外三種運(yùn)動(dòng)表面，另外三種運(yùn)動(dòng)表面的峰值則沒有明顯差異，僅有塑膠跑道稍低。

由圖5可知，在10.8km/h時(shí)，跑步機(jī)1和柏油路面、塑膠跑道的曲線幾乎一致，但是跑步機(jī)2的平均壓強(qiáng)峰值要出現(xiàn)得較早，即加載速度較快，并且峰值較高，此外其在觸地階段的時(shí)間也低于其他三種運(yùn)動(dòng)表面?？赡苁怯捎诖朔N設(shè)計(jì)彈性較好，因此在落地之后很快就能達(dá)到峰值，并在在蹬伸之后有較強(qiáng)的回彈，因此會(huì)減少整個(gè)觸地階段的時(shí)間。但是這種設(shè)計(jì)會(huì)增加足部壓強(qiáng)，并且可能會(huì)改變跑步的動(dòng)作形式。

總體來看，在慢跑速度下跑步機(jī)1的減震性能較好，要優(yōu)于其他三種運(yùn)動(dòng)表面。在運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，跑步機(jī)1的減震性能效果降低，趨向于和塑膠路面一致，但是跑步機(jī)2的減震性能較差，表現(xiàn)出比其他三種運(yùn)動(dòng)表面更低的減震性。

3.2、足底壓力測(cè)量各參數(shù)峰值對(duì)比

（1）足底壓力峰值。

圖6 不同速度下各運(yùn)動(dòng)表面足底壓力峰值

足底壓力為人體施加給測(cè)試鞋墊的力，大小相當(dāng)于人體受到運(yùn)動(dòng)表面沖擊的反作用力，足底壓力峰值為運(yùn)動(dòng)過程中人體所受到的力的最大值，因此可以直接反映跑步機(jī)的減震性能。如果足底壓力峰值過大，加上長時(shí)間的沖擊，力沿著腿部向上傳遞，會(huì)對(duì)膝蓋甚至脊柱等環(huán)節(jié)造成損傷。圖6可知，在4km/h的速度下，跑步機(jī)1上足底壓力峰值為534.5N，跑步機(jī)2足底壓力峰值為645N，跑步機(jī)1的壓力峰值要顯著低于跑步機(jī)2。塑膠跑道、柏油路面上的壓力峰值分別是555.1N和597.7N，可見跑步機(jī)2減震性能相對(duì)較差，甚至比質(zhì)地堅(jiān)硬的柏油路面有更高的壓力峰值，這可能是由于跑步機(jī)的回彈設(shè)計(jì)造成的。跑步機(jī)1減震性能相對(duì)較好。在5.4km/h速度下，也出現(xiàn)了類似的趨勢(shì)，跑步機(jī)1的足底壓力峰值明顯低于其他三種運(yùn)動(dòng)表面。在7.2km/h及以上速度時(shí)，塑膠跑道的足底壓力峰值增幅較小，而跑步機(jī)1的足底壓力峰值逐漸增加，逐漸高于塑膠跑道，但仍比柏油路面和跑步機(jī)2低。跑步機(jī)2各速度下足底壓力峰值和柏油路面均較為接近，10.8km/h速度下更是高于柏油路面，顯示出較差的減震性能。

（2）足底壓強(qiáng)峰值。

足底壓強(qiáng)峰值是反映作用在單位面積腳底上的地面反作用力大小最直接的指標(biāo)。一般跑步時(shí)足底壓強(qiáng)峰值會(huì)出現(xiàn)在每一個(gè)步態(tài)周期的蹬伸階段，根據(jù)每個(gè)人跑步習(xí)慣的不同，出現(xiàn)的位置會(huì)有所差異，但是對(duì)個(gè)人來說，出現(xiàn)足底壓強(qiáng)峰值的位置一般不會(huì)有太大變化。較大的局部足底壓強(qiáng)峰值是影響跑者跑步舒適度的重要因素。如果某個(gè)位置長期受到大的應(yīng)力刺激，就會(huì)容易產(chǎn)生疲勞性損傷。足底壓強(qiáng)過大，足部會(huì)感覺到壓迫感甚至是疼痛，足底壓強(qiáng)小，其應(yīng)力分布越分散，鞋與足底越貼合，足部感覺越自然、放松。在相同的運(yùn)動(dòng)速度下，人體足部受到的地面反作用力是相等的，而由于運(yùn)動(dòng)表面的差異，可產(chǎn)生不同的彈性效果。跑步機(jī)的減震結(jié)構(gòu)會(huì)吸收大部分沖擊力，大量消耗傳輸?shù)阶悴康哪芰浚⒀娱L沖擊力到達(dá)足部的時(shí)間，可以說，在同等地面反作用力下，足部峰值壓強(qiáng)越小，跑步機(jī)緩沖震動(dòng)的能力越好，足部感覺越舒適。

圖7 不同速度下各運(yùn)動(dòng)表面足底壓強(qiáng)峰值

圖7 可知，在5種速度下，跑步機(jī)2的足底壓強(qiáng)峰值均顯著高于跑步機(jī)1，并且速度越快差別越明顯，顯然從壓強(qiáng)峰值來看，跑步機(jī)1具有相對(duì)較好的減震性能。但是在速度較快時(shí)，跑步機(jī)1的減震水平也和柏油路面較為接近，僅比柏油路面低6.7kPa，而塑膠路面上的足底壓強(qiáng)峰值最低，顯示出了最好的減震性。

3.3、時(shí)域指標(biāo)分析

（1）沖量。

圖8 不同速度下各運(yùn)動(dòng)表面一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)沖量

圖9 不同速度下各運(yùn)動(dòng)表面一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)壓強(qiáng)-時(shí)間積分

沖量反映了力在時(shí)間上的量的積累。在考量跑步機(jī)減震性能時(shí)，盡管沖量以及壓強(qiáng)—時(shí)間積分和震動(dòng)情況沒有直接關(guān)系，但是在長時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種長期的力的積累效應(yīng)更容易導(dǎo)致疲勞。圖9可知，跑步機(jī)1在9km/h及以下速度均表現(xiàn)出沖量最低，并且和其他三種運(yùn)動(dòng)表面存在顯著性差異。在10.8km/h速度下盡管各運(yùn)動(dòng)表面沖量值差別不大，但是仍然相對(duì)處于最低的水平。因此可見跑步機(jī)1更加適合長時(shí)間運(yùn)動(dòng)。而跑步機(jī)2雖然觸地時(shí)間都相對(duì)較短，但是足底壓力較大，因此跑步機(jī)2的沖量在四種運(yùn)動(dòng)表面中都處于較高的位置。

（2）壓強(qiáng)—時(shí)間積分。

壓強(qiáng)—時(shí)間積分和沖量類似，反映了壓強(qiáng)在時(shí)間上的積累。各速度下四種運(yùn)動(dòng)表面的壓強(qiáng)時(shí)間積分沒有明顯差異，但是可以發(fā)現(xiàn)跑步機(jī)1在各速度下的壓強(qiáng)—時(shí)間積分都低于跑步機(jī)2。

（3）支撐相時(shí)間。

圖10 不同速度下各運(yùn)動(dòng)表面一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)支撐相時(shí)間

3.4、膝關(guān)節(jié)最大緩沖角度

圖11 不同速度下各跑步機(jī)膝關(guān)節(jié)最大緩沖角

在落地緩沖過程中達(dá)到最大緩沖時(shí)刻時(shí)，膝關(guān)節(jié)也處于屈曲的狀態(tài)，此時(shí)膝關(guān)節(jié)的角度為膝關(guān)節(jié)最大緩沖角。膝關(guān)節(jié)的這種彎曲是人體本能的減震反應(yīng)，我們認(rèn)為在硬度接近的運(yùn)動(dòng)表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)角度越小表明人體需要進(jìn)行的減震動(dòng)作幅度越大，從而表示運(yùn)動(dòng)表面的減震能力較差。在4km/h快步走時(shí)膝關(guān)節(jié)幾乎沒有彎曲，而在9km/h、10.8km/h時(shí)跑步機(jī)1膝關(guān)節(jié)最大緩沖角要高于跑步機(jī)2，因此從膝關(guān)節(jié)角度上來看，跑步機(jī)1在速度較快時(shí)有較好的減震性能。

4、結(jié)論

（1）跑步機(jī)1和跑步機(jī)2相比，以4km/h-10.8km/h速度快走、慢跑，均具有明顯的減震性能；

（2）跑步機(jī)1和跑步機(jī)2相比，以較快速度跑步時(shí)，其減震效果接近于在塑膠跑道上運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)；

（3）跑步機(jī)1和跑步機(jī)2相比，在以較快速度跑步時(shí)，膝關(guān)節(jié)最大緩沖角較大，壓強(qiáng)－時(shí)間積分和沖量值均低，對(duì)膝蓋的沖擊力相對(duì)較小，預(yù)防損傷效果好。