不同类型的足球鞋大底在人造草坪上的动态表现

彭 博，秦 义，王定宣，彭 烨，庞 宇，毛书凯



不同类型的足球鞋大底在人造草坪上的动态表现

彭 博，秦 义，王定宣，彭 烨，庞 宇，毛书凯

目的：探索分析不同足球鞋大底在人造草坪运动场地上运动的牵引力和动态表现，并探讨这些产品的运动伤害风险，为合理选择足球鞋更好地开展足球运动提供参考。方法：以5款具有不同类型大底的足球鞋为测试对象，10名足球运动员为受试者。利用kistler测力台和APAS动作技术解析系统测试受试者穿着5款足球鞋在人造草坪上进行几种典型移动动作时足底的反作用力参数和下肢运动学参数。SPSS 17.0统计软件对测量数据进行单因素重复测量方差分析和事后两两比较。结果：FG大底和AG大底直线运动时，纵向剪切力FY峰值差异显著(P<0.05)；变向运动时，剪切合力FRS峰值差异非常显著(P<0.01)；在旋转运动时，旋转扭矩TZ峰值差异显著(P<0.05)，足与大腿在水平面的环节扭转角差异显著(P<0.05)。结论：在人造草坪上，FG大底表现出更强的直线加速和制动牵引力，AG大底表现出更强的变向牵引力，旋转变向时，FG大底比AG大底表现出更强的足底旋转扭矩、较小的下肢关节屈角以及较大的足-大腿环节扭转角。鞋钉长度较短、数量更多和分布更密集的AG大底足球鞋在人造草坪上动态表现更好，运动伤害风险更低。足球鞋大底鞋钉的长短、分布、几何形状对足球鞋的生物力学特性和运动表现有较大影响。

足球鞋大底；人造草坪；动态表现

1 前言

足球运动中，足球鞋是足球运动员最重要的运动装备。因为鞋底是与运动场地直接接触的部件，故专业足球鞋鞋底的设计和结构又是足球鞋最重要的一环，其特性与足球鞋的牵引力(traction)直接相关[5,7,12]。球鞋的牵引力被认为是仅次于舒适性之后的重要特性，它对比赛的影响大于球鞋的其他方面的特性，诸如重量、稳定性、触球感、踢球的力量和准确性等[28,26]。足球鞋的牵引力几乎涉及足球比赛中所有的身体移动，而通过实验设计研究足球运动中典型的一些动态动作，可以作为评估球鞋牵引力的方案[27,26]。足球鞋鞋底依据使用场地的不同，采用不同设计的大底(sole)，其主要区别是球鞋底面的材料、结构以及鞋

钉的设计，其中不同大底鞋钉的材质、长度、数量、分布、几何形状都有很大差异，它对足球鞋的使用体验以及穿着者的运动表现影响很大[29]。目前，足球鞋制造商广泛的将大

底分为SG(Soft Ground)、FG(Firm Ground)、AG(Artificial Grass)、TF(TURF) 、HG(Hard Ground)等几种类型，前4种大底在我国较为常见，其各自的特点如表1所示。

表 1 常见不同足球鞋大底的鞋钉特点一览表

Table 1 Characteristics of Studs of Different Soccer Boots Sole

大底类型SG(SoftGround)FG(FirmGround)AG(ArtificialGrass)TF(TURF)鞋钉特点材质为轻质合金,数量较少,长度最长材质为TPU或nylon,数量较少,长度较长材质为nylon或橡胶,数量较多,长度适中 材质为橡胶,数量很多,长度较短适用场地湿润松软的天然草坪干燥较硬的天然草坪和人造草坪人造草坪人造草坪和硬地

近年来，人造草坪被广泛的使用于我国各级各类的业余足球活动，成为我国基层足球的重要载体。相比天然草坪，人造草坪的材质和结构都有明显的不同，比如：质地紧密、硬度较大、摩擦力大，与鞋底的交互作用较强等等。有许多研究指出，在足球运动中，鞋与运动场地表面的交互作用(shoe-surface interaction)是影响足球运动员运动表现的非常重要的部分[19,21,22,27,28,26]。尽管AG大底是现今各大足球鞋制造商针对人造草坪所推出的专门产品，但是，依然有不少足球运动者依据自己的个人喜好在人造草坪上坚持使用HG、FG底的足球鞋。那么，在人造草坪上使用这些不同设计类型的大底，在运动中的动态表现如何？有什么力学特点？在人造草坪上使用理论上不合适的大底是否有更高的运动伤害的风险？这些都是值得研究的问题。

关于足球鞋鞋底、鞋钉与运动场地的交互作用和运动表现的前期研究主要集中在国外。最早期的研究主要是采用机械学的测量手段，如利用特殊拖弋测试装置以及旋转压力测试装置评估鞋底在运动场地上的牵引力[20]。Fong DTP，Hong Y等人的研究指出，虽然机械学测量可以量化足球鞋的牵引力真实指标，但是，在实际运动中能够被利用的牵引力还需要通过生物力学的手段来研究[11]。因此，后来有学者开始利用真人运动员测试足球鞋底的力学性能，其中最主要的是Clemens Müller,Thorsten Sterzing等人的关于鞋底与地面交互作用的系列研究。这些研究考察了运动员穿着国外常见的SG、HG、FG以及研究者自行设计的大底在运动场地上进行直线运动，45°变向，以及180°转身的足底动力学参数。结果认为，鞋钉的长度对鞋的牵引力影响最大，在人造草坪上传统的SG长钢钉的足球鞋表现不佳[20,21,27,26]，而Smith N，Dyson R也发现，在天然草坪上SG大底的球鞋比TF鞋底的训练球鞋地面反作用力要大的多[24]。在国内，关于足球鞋生物力学的实验研究较少，杨辰，曲峰，万祥林研究了在不同橡胶颗粒密度的人造草坪上球鞋与地表的交互作用，发现足球鞋在高密度填充橡胶颗粒的人造草坪上比低密度橡胶颗粒可以提供更大的牵引力，但同时也有更高的运动受伤风险[7]。另外，与足球鞋比较相关的是刘静民，刘卉，丁瑞的研究，揭示了不同鞋钉排布的田径跑鞋在运动中的生物力学特点[4]。

虽然上述的前期研究探索了欧美地区常见的SG、FG鞋底在高质量人造草坪(通过国际足联2星认证)上的力学作用，但这些研究仅仅只测试了最基本的加速和变向动作的足底动力学参数，没有涉及足球运动中变向时肢体旋转的足底动力学以及下肢运动学的研究。同时，这些研究发表时间较早，其使用的鞋底是5年前，甚至是10年前的鞋底设计，这些设计现在早已被淘汰，而关于目前在全世界足球鞋市场上最为主流的几种AG和FG设计的大底的研究还没有发现。本研究利用测力台和三维动作技术解析分析了目前全球，特别是在我国最流行的几种AG和FG大底在人造草坪上的生物力学特性，不仅涉及常见动作的足底动力学，也增加了旋转变向时肢体扭转的动力学和运动学测试。故本研究结果更适用于我国的基层足球运动环境，期望为我国的足球初学者和业余足球运动员在人造草坪上进行足球训练与比赛时，如何合理选择使用足球鞋大底以适应运动场地、提高运动表现以及预防足球运动损伤，提供一定的理论依据和实践经验。

2 研究对象与方法

2.1 足球鞋

选用2015年全球5款主流的专业足球鞋，分别是：adidas predator lzⅡ FG(FG-P )，nike mercurial vapor x FG(FG-MV)，nike tiempo legend v FG(FG-TIE)，adidas f50 adizero iv AG(AG-F50)，nike hypervenom phantom AG(AG-VE)，大底类型为FG和AG，鞋钉几何形状包括常见的3种基本类型(表2)，足球鞋大底见图1。状况全新，尺码均为JP265(日本码)，运动测试时的出场顺序完全随机。

2.2 人造草坪

选用青岛青禾人造草坪公司的产品，测试样品面积100 cm×100 cm，单丝PE草丝，草高50 mm，草丝磅重10000DTEX，草坪密度11 000针/m2，不使用石英沙砾和橡胶颗粒填充[2,21,25]。

2.3 受试者

选取西南医科大学足球代表队和体育学院社会体育专业足球专选学生，共10名作为本研究受试者。受试运动员均为男性，年龄22±2.5岁，身高172±19 cm，体重62.3±5.8 kg，足长259±13 mm。较熟练的掌握足球基本运动技术，运动机能良好，无伤病，实验前24 h禁止剧烈体育运动。所有受试者明确知晓研究内容并自愿参与本研究，但对研究目的不知情。

表 2 足球鞋大底基本信息一览表

Table 2 Information of Soccer Boots Sole

足球鞋大底FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VE鞋钉数目1111142223鞋钉平均长度(mm)13.02±0.1213.19±0.0613.47±0.098.35±0.149.14±0.11重量(g/只)225.7170.3225.3200.6212.2鞋钉类型三角形钉刀形钉圆形钉三角形钉圆形钉鞋钉材质尼龙TPUTPU尼龙TPU

图 1 测试用足球鞋的大底图示

Figure 1. Sole of Soccer Boots For Testing

2.4 实验仪器

瑞士kistler测力系统(测力台kistler force plate 9281ea，60×40 cm，内置8通道信号放大器，信号采集techn16ch daq system，数据分析kistler bioware software type 2812a，)；美国ariel动作技术分析系统ariel performance analysis system，APAS(软件版本v14.1.0.1)；日本panasonic nv-gs258摄影机；国产标定框架(qf-26 radiation type 3d calibration frame)。

2.5 实验方案

本研究共5个实验项目：分别选取足球运动中5种常见移动动作，包括：直线运动、45°斜切、135°转身、180°转身、旋转变向。利用测力台测试5款足球鞋运动时足底动力学参数，旋转变向项目同时使用动作技术分析系统进行下肢的运动学测量。所有项目的观测脚均为右脚(图2，图3)。

2.6 场地设置

测试场地(图3，图4)：测力台安装于实验室地板凹槽内，其表面与地面齐平，铺设橡胶跑道与测力台连接。将人造草坪牢固固定于测力台表面，确保草坪不与测力台发生相对滑动且不与周围地面发生明显的力学作用。测力台于实验前24 h开机预热，以减小压力传感器的零点漂移(zero drift)[1]。测力台采集频率1 000 Hz，采集信号使用kistler 9281ea测力台自带的数字滤波器(kistler digital filters，low pass)低通滤波[25]，滤波频率200 Hz。跑道总长度3.85 m。主摄像机(camera A)和副摄像机(camera B)之间夹角约为120°，架设位置如图3，采样频率25 Hz。受试者右侧下肢粘贴反光标记球(marker)，共10个标记点，marker球直径16 mm，图5。参考系采用XYZ 3轴立体坐标。(注：在APAS系统中，坐标系维度定义规定X轴为横向水平轴，Y轴为垂直轴，Z轴为纵向水平轴)。用kistler控制台软件的同步触发器和频闪灯对测力台以及2台摄像机进行同步。

图 2 直线运动、45°斜切、135°转身、180°转身动作形式示意图

Figure 2. Movement Pathways

2.7 测试流程

直线运动、45°斜切、135°转身、180°转身均从跑道测力台一端的起点开始，采用无助跑的左右两步完成：第1步用左脚踏地支撑调整，第2步用右脚踏入测力区并向移动方向蹬离。旋转变向测试者从跑道另一端起点出发，跑向测试区，右脚在测力区内蹬地并向左转身做225°旋转变向，测试全行程约3.85 m，要求运动员旋转变向角度无偏差，marker球全程应该停留在正确的位置(图5)。每个运动员随机使用5双足球鞋进行每个项目的3次重复测试。每次测试均要求运动员集中注意力，并用最大动作速度完成测试，尽可能防止因受试者而产生的测量误差。

图 3 旋转变向动作形式与运动学测量示意图

Figure 3. Movement Pathways and Setup of Rotation

图 4 测试场地设置示意图

Figure 4. Setup of Test

图 5 动作技术解析3D标定与现场测试示意图

Figure 5. Calibration of 3-D Kinematic Analysis and Testing Scene

2.8 测试指标

测力台维度定义为平行长边(60 cm)方向为Y轴，平行短边(40 cm)方向为X轴，与测力台面垂直为Z轴(图6)。直线运动、45°斜切、135°转身、180°转身的动力学测试指标为测力台平面各方向的反作用力峰值(peak ground reaction force，PGRF)。包括：垂直分力(vertical force，FZ)，纵向剪切力(anterior-posterior shear force，FY)，横向剪切力(medio-lateral shear force，FX)，剪切合力(resultant shear force，FRS)，剪切合力与垂直力比率(force ratio，FR)，触地阶段时间(touchdown time，TT)。触地阶段时间是指：测试动作启动后，右脚脚尖一开始接触测力台并产生压电信号直到动作结束，右脚蹬离测力台压电信号消失，这一段时间(测力台灵敏度为10N，脚底反作用力大于10 N，即产生压电信号，可视为有效触地，即“触地阶段”)。

旋转变向的动力学测试指标为：触地阶段右脚足底绕压力中心(center of pressure，COP)垂直轴(Z轴)的旋转摩擦力扭矩峰值(peak vertical frictional torque，TZ)；将每次测试的触地时间标准化为0%～100%，统计每个标准化时间点的摩擦力扭矩，计算各款大底标准化时间点的扭矩均值峰值(time-standardized peak torque,S-TZ)；扭矩均值峰值出现的时刻t；高扭矩保持的时间△t，高扭矩的判定标准设定为扭矩均值大于100Nm[10,18,23]。运动学指标为：右脚触地阶段右下肢关节夹角和环节扭转角的特征值(图7)。具体指标以及角度定义为最小髋关节角(minimum hip angle):躯干与大腿之间的最小前夹角；最小膝关节角(minimum knee angle):大腿与小腿之间的最小后夹角；最小踝关节角(minimum ankle angle):足与小腿之间的最小前夹角；最大足-大腿环节扭转角(maxmum foot-thigh twist angle):将足与大腿均简化为矢量，矢量大小为环节的长度，方向为人体的由后向前。足-大腿环节扭转角指两矢量垂直于地面的投影所形成的最大前夹角。

图 6 测力台维度示意图

Figure 6. Dimensions of Kistler Multicomponent Force Plate

图 7 关节与环节角度定义示意图

Figure 7. Definition of Joint Angle and Segment Angle

2.9 数据处理与统计

3 结果与分析

3.1 直线运动

数据显示，在直线测试中，Z轴方向的反作用力差异不具显著性(P=0.68)；Y轴方向的差异具显著性，(P<0.05，Post-hoc 1，3,4,5,6,7,8,9)见图8和表3。提示所有的FG设计大底均比AG底表现出更强的纵向反作用力。其中FG-MV大底在直线加速上具有比其他大底，特别

是比两款AG大底具有更明显的FY值，AG-F50的FY均值最低，仅为0.73，而FY被认为是考察运动鞋纵向牵引力(anterior-posterior traction)的重要指标[16,27,30]。但是几款大底的FR、TT值之间均无差异显著性(P=0.37，P=0.65)，说明FG-MV大底设计也许只是在直线的加速中能获得更大的牵引力。

图 8 直线运动纵向剪切力峰值与力比示意图

Figure 8. Peak Anterior-Posterior ShearForce and Force Ratio of Straight

表 3 各维度反作用力峰值数据一览表

Table 3 PGRF of All Dimensions

指标(单位)FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VEANOVA*Post-hoc(P<0.05)直线运动FZ(bw)2.53±0.342.67±0.782.55±0.362.52±0.472.54±0.30P=0.68FY(bw)0.84±0.230.94±0.180.85±0.20.73±0.190.78±0.18P<0.051,3,4,5,6,7,8,9FR(/)0.29±0.080.35±0.190.29±0.080.28±0.080.29±0.09P=0.37TT(ms)315±143321±132310±134329±132330±156P=0.6545°斜切FZ(bw)2.92±0.82.88±0.762.89±0.852.91±1.072.88±1.03P=0.39FY(bw)1.16±0.651.12±0.61.16±0.581.03±0.470.99±0.63P<0.054,9FX(bw)1.01±0.471.03±0.511.14±0.511.3±0.451.19±0.61P<0.053,4,6,7FRS(bw)1.38±0.541.32±0.551.36±0.31.66±0.311.62±0.56P<0.013,4,6,7,8,9FR(/)0.46±0.280.45±0.150.46±0.340.57±0.310.56±0.35P<0.013,4,6,7,8,9TT(ms)575±143567±132551±134589±232578±156P=0.34135°转身FZ(bw)2.78±0.722.73±0.672.77±0.652.79±0.692.76±0.82P=0.49FY(bw)1.51±0.421.5±0.61.36±0.411.68±0.461.66±0.38P<0.053,4,6,7,8,9FX(bw)1.17±0.421.16±0.471.3±0.491.36±0.611.34±0.45P<0.053,4,6,7FRS(bw)1.7±0.381.61±0.491.68±0.281.96±0.451.94±0.58P<0.013,4,6,7,8,9FR(/)0.60±0.240.59±0.180.59±0.250.70±0.190.70±0.23P<0.053,4,6,7,8,9TT(ms)741±143725±232739±345779±267759±168P=0.66180°转身FZ(bw)2.64±0.522.56±0.432.66±0.342.85±0.262.79±0.4P<0.012,3,4,6,7,8,9FY(bw)1.84±0.531.86±0.561.84±0.542.05±0.472.02±0.44P<0.053,4,6,7,8,9FX(bw)0.42±0.30.44±0.240.4±0.220.49±0.280.46±0.29P=0.37FRS(bw)1.94±0.441.96±0.572±0.412.16±0.432.18±0.41P<0.053,4,6,7,8,9FR(/)0.76±0.130.77±0.230.75±0.110.76±0.200.77±0.12P=0.69TT(ms)1345±3541379±2871396±3321208±2761295±246P<0.053,6,8

注：*tukey Post-hoc两两比较中，数字1代表FG-P/FG-MV相比较差异显著(P<0.05)，其余两两比较差异显著性标示为：2= FG-P/FG-TIE，3= FG-P/AG-F50，4= FG-P/AG-VE，5= FG-MV/ FG-TIE，6= FG-MV/AG-F50，7=FG-MV/AG-VE，8=FG-TIE/AG-F50，9=FG-TIE/AG-VE，10=AG-F50/AG-VE,以下数据表与此相同。

图9为同一名受试者穿着FY均值最高的FG-MV大底与FY均值最低的AG-F50大底在3次重复测试时获得个人最大FY峰值时的GRF测试图，(FG-MV peak FY=691N，AG-F50 peak FY=495N)。图中阴影部分面积为足底在测力台前后方向所受到的剪切力冲量(其中B区为触地制动阶段冲量，A区为蹬地加速阶段冲量。)蹬地加速冲量等于测力台Y轴方向变力f(y)在蹬地加速时间(图中t1～t2)内的定积分，其值大小可以作为评估大底蹬地加速性能的指标。但是，由于加速阶段蹬地时间非常短暂，平均仅200 ms左右，并且各款大底触地时间的差异不具显著性(P=0.65)，故地面反作用力的峰值FY 即可简便有效的反映大底蹬地加速的性能。

图 9 某受试者穿着FG-MV和AG-F50大底的FY值测试图

Figure 9. Peak Anterior-Posterior Shear Force of FG-MV and AG-F50

3.2 45°斜切

本测试中，FZ 和TT指标不具有差异显著性(P=0.39，P=0.34)，而FY，FX，FRS ，FR 均具有差异显著性(P<0.05，P<0.05，P<0.01，P<0.01)，提示在进行45°斜切变向时，几款大底所能提供的水平面牵引力是有区别的，其中FRS ，FR具非常显著性差异。FRS 为运动时鞋底在场地水平面提供的剪切合力，其力的大小和方向变化很大，也是在加速、变向过程中足球鞋牵引力(traction)的来源[19,20,21]。测试中AG-F50表现出较高的FRS 值(图10)，提示AG-F50在变向中具有更好的制动力和牵引力，而AG-VE次之，其他3款则相对较差。FR值为运动中鞋在场地平面的牵引力和Z轴支撑力之比，在一次动作中其比值大小没有实际的意义，因为在单次动作中测试者动作的具体形式以及运动学姿态的影响更大[26]。但是，在多次重复测量过程中，其比值的大小是足球鞋变向运动能力的一个有效的指标[28]。本测试中，AG-F50和AG-VE显示出较好的FR值，提示在人造草坪上2款AG大底足球鞋能提供更好的斜线变向能力，而3款FG大底之间没有明显差别。

图 10 45°斜切变向剪切合力峰值与力比示意图

Figure 10. Peak Resultant ShearForce and Force Ratio of 45° Cutting

3.3 135°转身

本测试中，FZ 和TT指标依然不具有差异显著性(P=0.49，P=0.66)。FY、FX、FRS和FR等4项指标具有显著性差异(P<0.05，P<0.05，P<0.01，P<0.05)，其中FRS 具有非常显著性差异(图11)。而AG-F50和AG-VE依然表现出比较优秀的剪切力值，说明其变向力值明显优于其他3款FG鞋底。同时，在本测试中FG-MV的FRS值最低，可能说明该鞋底的变向性能相对最差，而在FR的指标中也显示AG设计的大底，的确比FG设计的大底在人造草坪上提供了更好的变向牵引性能。

图 11 135°转身变向剪切合力峰值与力比示意图

Figure 11. Peak Resultant ShearForce and Force Ratio of 135° Turning

3.4 180°转身

本测试中，只有FR和FX值不具有显著性差异，而其余指标FZ 、FY、FRS和TT均表现出了差异(P<0.01，P<0.05，P<0.05，P<0.05)，其中，FZ 差异非常显著，这说明，在180°转身动作的制动过程中不同鞋底提供了明显不同的垂直支撑能力。另外2款AG大底在此项测试中，其FRS 值依然优于FG类型的大底，而3款FG大底在180°转身的牵引力方面，则没有显著的区别(图12)。值得注意的是，本测试中TT值也具显著性差异(P<0.05，Post-hoc，3,6,8)，运动生物力学认为，在体育运动中为了提高速度，应该“尽可能的增大工作距离，并在最短的时间通过它”[1]。以往的相关研究也表明，足球运动中在其他指标不变的情况下，足与地面的接触时间越短越有利于运动表现[3]。在这项指标上AG-F50具有最明显的优势，而3种FG大底则表现不佳。

图 12 180°转身变向剪切合力峰值与力比示意图

Figure 12. Peak Resultant ShearForce and Force Ratio of 180° Turning

3.5 旋转变向

测试结果显示，右下肢的最小髋关节角、最小膝关节角具显著性差异，P<0.05(表4)，其中，3种FG大底相比2种AG大底呈现出更小关节夹角。提示，在使用FG大底转身时身体姿态更低，身体制动缓冲的过程更长。更长的缓冲过程会降低运动变向的时间，其原因可能与FG大底较长的鞋钉有关。但是，最小踝关节角却无显著差异，说明鞋底的动力学特性对缓冲过程中下肢关节夹角的影响是从肢体近端环节开始的。旋转变向时支撑脚均处于膝关节半屈位，此时大腿比平时直立姿势更接近于水平位置，所以，在APAS软件中选取了右下肢足与大腿2个环节

在地面的投影绕坐标系Y轴的夹角(环节扭转角)，足与大腿分别作为下肢远端和近端的末端环节，它们之间的扭转角越大，则整个肢体的扭转程度也越强，对关节负荷以及关节周围肌肉韧带的活动度要求也越高，同时，运动受伤的风险也越大。数据显示，足与大腿的环节扭转角具有显著性差异(P<0.05)，其中，FG大底都显著高于AG大底，而在同类大底中FG-P和AG-F50也具有更大的扭转角，其原因可能与不同大底的鞋钉几何形状以及鞋钉排布有关。本部分测试结果也提示，不同的大底在进行旋转变向时，鞋底相对于人造草坪表面的旋转程度，或者说是旋转位移可能并不相同，扭转角小的，其鞋底旋转程度较大，扭转角大的，其鞋底旋转程度较小，原因可能是因为大底在旋转时产生的旋转摩擦力矩不同。

本测试对环绕过足底压力中心的Z轴产生的足底摩擦力扭矩TZ 峰值进行了测量(表5)。TZ 峰值被认为是各种运动鞋在进行旋转运动时，一个重要的机械学和动力学指标，其值越大，则旋转运动的阻力越大，难度增加，同时下肢各关节的旋转负荷也越大，关节受伤的风险也增加[5,6,15]。这项测试的结果显示，不同的大底在转身时鞋底产生的TZ值表现出很大的不同，P<0.05，差异具有显著性。两两比较结果显示，Post-hoc(P<0.05) 1,2,3,4,7,9,10。说明在人造草坪上，FG鞋底在做旋转动作时展现出明显高于AG大底的摩擦扭矩，同时，在FG设计的大底中，FG-P的扭矩值明显高于FG-MV和FG-TIE，而在AG的两款大底中，则是AG-F0的扭矩值略高于AG-VE。

表 4 旋转变向触地阶段右下肢的姿态一览表

Table 4 Posture of Lower Limbs when Right Foot Touchdown(dego)

结 果ANOVAPost-hoc(P<0.05)FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VE最小髋关节角(minimumhipangle)122.22±12.34121.56±10.78120.27±9.65133.44±9.89128.31±22.85P<0.053,6,8最小膝关节角(minimumkneeangle)122.67±11.89123.76±8.88122.64±9.49135.54±10.61131.83±12.91P<0.053,4,6,7,8,9最小踝关节角(minimumankleangle)62.35±11.6762.21±9.4861.52±11.7560.78±12.1361.66±12.68P=0.47最大足-大腿环节扭转角(maxmumfoot-thightwistangle)50.61±10.6042.23±15.5541.63±13.6444.67±15.3339.08±17.25P<0.051,2,3,4,10

表 5 右脚触地阶段Z轴的摩擦力扭矩峰值一览表

Table 5 Peak Vertical Torque in Touchdown Time

FG-PFG-MVFG-TIEAG-F50AG-VEANOVAPost-hoc(P<0.05)TZ(BW)0.25±0.040.2±0.060.21±0.030.19±0.040.16±0.03P<0.051,2,3,4,7,9,10S-TZ(Nm)115118112108102t(%)59±1456±1930±872±2763±33P<0.052,3,4,5,6,7,8,9△t(%)26±821±1615±920±1110±8P<0.051,2,3,4,5,7,8,9,10

为了更明确地比较各款大底在旋转变向中的扭矩特性，对每次测试的触地时间进行100等分，并将扭矩曲线用0～100%的时间点进行标准化处理(图13)。由图13A可见，除了扭矩峰值的显著差异以外，摩擦扭矩在时间特征上的表现也各有不同(表5)。

统计数据显示，在触地过程中FG-P大底摩擦扭矩均值峰值较大，峰值扭矩产生时刻中等(59%±14%)，且高扭矩保持时间较长(26%±8%)。FG-MV大底具有最高的扭矩均值峰值，峰值扭矩达到时刻中等(56%±19%)，但是，高扭矩保持的时间略短(21%±16%)。FG-TIE大底最快的达到峰值扭矩(30%±8%)，高扭矩保持时间较短(15%±9%)。AG-F50大底达到峰值扭矩的时间较晚(72%±27%)，但高扭矩保持时间较长(20%±11%)。而AG-VE大底不仅扭矩均值峰值最低，出现时刻晚(63%±33%)，且高扭矩保持时间仅为(10%±8%)。

图 13 右脚触地阶段各款大底摩擦力扭矩比较示意图

Figure 13. Vertical Torque of Each Solein Standardized Touchdown Time

注：示意图中横坐标为0%～100%标准化以后的触地时间，每个散点代表该款大底在某标准化时间点上的扭矩均值，本图中扭矩的单位为Nm。

4 讨论

大底是足球鞋的基本组成部分，大底的设计是影响和决定足球鞋性能的重要因素。本研究发现，不同类型的大底在人造草坪上运动时力学特性和动态表现有所不同并各具特点。虽然本研究的是FG和AG大底，但是Firm Ground(FG)、Artificial Grass(AG)仅仅只是运动装备制造商对某种大底设计的特定称谓。本文中选用的足球鞋均是阿迪达斯(adidas)和耐克(nike)公司的产品，他们将自己的足球鞋大底中具有某些共同特点的产品称为FG或AG。其他一些足球鞋制造商并不一定都是这样进行大底分类，如美津浓(mizuno)公司的大底分类中就没有FG或AG，其相对应的鞋底类型被命名为MD和TM，在彪马(puma)公司的产品中甚至将某一类型的鞋底同时定义为HG和AG。2015年7月，adidas发布了ACE15以及X15两款全新系列足球鞋，其鞋钉类型被认为是FG和AG的混合产品。而茵宝(umbro)，安德玛(under armour)等品牌的足球鞋大底也有自己的特点，其中有些甚至没有命名。所以，一款足球鞋大底属于什么类型，本质上还是取决于鞋底的材质和结构以及鞋钉的特点，其中又以鞋钉的特点影响最大[18]。因此，本文的讨论部分，主要从各大底鞋钉的长度、数量和分布以及几何形状对它们在人造草坪上的动态表现进行探讨与分析。

4.1 大底鞋钉的长度与动态表现

不同大底的鞋钉长度具有明显的区别。目前市面上FG大底足球鞋的鞋钉平均长度大都在13～14 mm左右，而AG大底的平均鞋钉长度为8～9 mm左右。本研究中各大底鞋钉长度和材质见表2所示。鞋钉长度越长，相对要求匹配更厚实的运动场地，所以，具有最长鞋钉的SG足球鞋适用于优等、厚实的天然草场地，一般被运用于高水平的职业足球赛场。本研究探讨的运动场地是目前国内基层足球活动最常见的场地：人造草坪。研究发现，在人造草坪上FG大底较长的鞋钉在直线加速时能够提供更大的纵向反作用力，因此，直线加速测试中3款FG大底的FY 值均较大。但是，在变向项目中FG鞋钉的表现不理想，FRS 值偏低。这可能因为测试样本是无填充的人造草坪，导致足球鞋大底的底面无法接触到运动场底面，从而使得在运动中足在鞋仓内产生的摩擦力是以鞋钉和地面的触点为支点，鞋钉长度为力臂。而FG过长的鞋钉形成的力矩较大。在直线运动时，足底摩擦力是前后方向，这个较大的力矩导致更大的加速力和制动力。但是，在变向时，足底摩擦力方向和直线运动时有差别，这个较大的力矩在惯性的作用下反而成为较大的阻力矩，因此，导致成绩不佳。225°旋转变向中，发现3款FG大底下肢屈曲的程度明显较大，这也可能是较大的鞋钉力矩造成的。除了在无填充的人造草坪，在填充颗粒较少和人草纤维太短的草坪上，FG的长鞋钉由于无法完全扎入场地，因此不能使鞋底接触到场地表面时，这种现象都有可能出现。而AG大底较短的鞋钉在这类人造草坪上则具有更好的鞋底与场地的交互作用，但是，在厚实松软的天然草场，长鞋钉的SG、FG则表现优异[30]。所以，虽然较短的AG鞋钉在人造草坪上牺牲了在直线方向上的加速和制动牵引力，但是，在变向移动方面则更具优势。Clemens Müller，Thorsten Sterzing 等人的研究中也发现，在人造草坪上如果使用鞋钉更长的SG大底，将会导致更加糟糕的运动表现，而使用相对较短鞋钉的HG(hard ground)大底的球鞋，其牵引力特性则会优于FG大底的球鞋[27,29]。本研究中也观察到，长鞋钉的FG大底在做旋转变向运动时，不仅身体制动缓冲过程更长，而且摩擦扭矩以及关节扭转程度都更大。说明具有更长鞋钉的FG类大底，相对于AG在人造草坪上进行旋转转身变向时动态表现差，并且运动伤害风险更大。

4.2 大底鞋钉的数量、分布与动态表现

除了鞋钉长度，AG和FG大底最大的区别，在于鞋钉的数量与分布。本研究中2款AG鞋钉数量为22和23颗，比3款FG的鞋钉多了几乎1倍。AG大底这些多出的鞋钉主要分布在前脚掌部位，足底第1跖骨和第5跖骨部位都至少5颗鞋钉，而在相同位置FG平均仅为3颗。变向运动时密集的前掌鞋钉，在材质较硬的人造草坪提供了更多的支撑，这也许是AG大底在变向运动测试中表现更好的另一个原因。另外，密集的鞋钉分布也形成了更短的鞋钉与鞋钉之间的钉距(studs distance)。而在旋转变向测试中，FG长钉较长的钉距可能是导致3款大底产生较大摩擦扭矩，并且在触地旋转时形成较大的足-大腿扭转角的原因。本研究中发现，FG-MV在纵向加速能力上有明显的优势，这个现象也可能和FG-MV的鞋钉分布有关。FG-P，FG-TIE在足底第1跖骨位置的鞋钉分布都是2颗鞋钉，分别为三角形和圆形，两钉间距约3.5～4.5 cm，第1跖骨前端大约位于这2颗鞋钉之间，两颗鞋钉与大底链接处无过多延伸的基座。而FG-MV的大底为刀型鞋钉，在足底第1跖骨前端只有1颗纵向方向的鞋钉，鞋钉末端前后径达到2 cm，而此颗鞋钉的基座也呈纵向排列，其长度甚至达到了近3.7 cm。在蹬地启动时，脚掌第1跖趾关节附近与地面的接触，被认为是启动力量主要的来源[22]。FG-MV在此处这种带有大基座和长接触面的单颗刀形鞋钉，在纵向方向上可能提供更大的、持续的环绕横轴(测力台面的X轴)转矩。通过与受试运动员的交流访谈也发现，运动员中有7人表示，3款FG大底中，FG-MV第1跖骨末端分布的单颗纵向刀型鞋钉在直线蹬地加速时具有最大的主观加速感受。这提示我们，大底鞋钉分布在足底的投影位置，对大底的运动表现和主观感受都有很强的作用。

4.3 大底鞋钉的几何形状与动态表现

在鞋钉的几何形状方面，无论是FG，还是AG大底，其鞋钉形状都有不同。本研究发现，刀形钉(blade studs)其横截面为细长的矩形，在纵向的牵引力方面明显优于其他类型的鞋钉，参考直线运动测试中FY值，但是，在变向能力上，刀钉在人造草坪上的表现较差，在各种角度的变向运动中其FR值都偏低。另外，在旋转变向时，刀钉还表现出较高的摩擦扭矩。Kristof Smeets，Pieter Jacobs等人使用自行设计的装置，测试了分别在200N、300N、400N的垂直负荷下，两种鞋钉(圆形钉和刀形钉)足球鞋在不同品牌人造草坪和天然草坪上做内旋和外旋时的摩擦力扭矩，结果显示，大部分情况下刀钉摩擦力矩更大[17]。但是，本研究的结果认为，FG-MV大底的刀钉在人造草坪上做旋转动作(内旋)时和圆形鞋钉产生的扭矩没有显著的区别。这和另外一些研究者的研究结果近似，这些研究观察到在用沙砾填充的人造草坪上进行足外旋时刀型鞋钉产生的关节负荷和圆形鞋钉没有显著的差异[14]。圆形钉(round studs)是最传统的足球鞋钉形状，本研究发现，圆形钉在旋转变向时TZ峰值相对比较低，旋转阻力小，以往的研究也认为，其安全性较高[13,25]。三角钉(tri-studs)是近年来流行的一种鞋钉形状，这种鞋钉为三棱柱体结构，主要被adidas公司所采用。本研究结果显示，直线加速时FG-P的三角钉纵向牵引力明显低于FG-MV的刀钉，在变向运动项目上其FR值则和其他两款FG大底没有明显的区别。而AG-F50的三角钉相比AG-VE的圆钉，纵向牵引力差，但是，具有更好的变向能力。值得注意的是，本研究发现，无论是FG-P，还是AG-F50的三角钉，在做旋转动作时，其下肢足与大腿的环节扭转角度(foot-thigh twist angle)和TZ峰值都是最高的，其数值明显比同类大底的刀钉和圆钉要大。这个结果提示我们，也许在松软的天然草坪上，三角钉能够提供更为强大和稳固的旋转变向反作用力，但是，在质地紧密的人造草坪上，三角钉过大的摩擦扭矩可能带来更高的关节负荷和受伤风险。

4.4 本研究的局限性

由于研究者水平和研究条件的限制，本文在研究设计和实验过程中存在一些缺陷、不足与遗憾。如在人造草坪的固定方式上，为了获得最真实的测量值，人造草坪正确的固定方式应是与测力台同面积，且不与周围地面接触，固定牢固后不与测力台发生相对滑动。但本文受实验条件所限，无法用粘合剂将与测力台同面积(60×40 cm)的草坪直接粘合于测力台面，只能用大于测力台面积的草坪(100×100 cm)在测力台周围地面粘合并在草坪与测力台接触面使用双面胶固定。这种方式因草坪与周围地面粘接，在测试过程中两者势必发生力学作用，所以，其水平分力的测试值要小于真实值。因此，作者模拟正确的固定方式用双面胶替代粘合剂在测力台上固定与测力台同面积的草坪，通过铅球投射和起跑蹬地动作对两种固定方式进行了校准测试，发现两者水平分力相差约2%～6%左右，这可能是因为目前人造草坪的基底网格布均使用刚性较强，弹性较低的PP(聚丙烯，Polypropylene)材料所致。故虽然两者测试值之间差距不大，但这却是本研究设计的一个缺陷和遗憾，在以后的相关研究中要改进。同时，因为人力物力的限制，本文只选择了2015年具有代表性的几种足球鞋大底，但并不能涵盖目前市面上所有的足球鞋大底类型。另外，本文主要探讨鞋底在人造草坪上的动态表现，而对不合适的鞋底与运动损伤的内容讨论较少，这也需要在后续研究中继续完善。

5 结论与建议

5.1 结论

1.FG大底纵向加速和制动牵引力更大，变向运动牵引力较小，旋转摩擦力扭矩较大，旋转变向时缓冲过程较长，关节扭转程度较大。AG大底纵向牵引力较小，变向运动牵引力较大，旋转摩擦力扭矩较小，旋转变向时缓冲过程较短，下肢扭转程度较小。

2.刀形鞋钉纵向牵引力最大，横向变向牵引力较弱，旋转摩擦力扭矩适中。三角形钉和圆形钉在牵引力方面依据鞋钉的长度、分布有所不同，但在同类大底中两者差异不具显著性。三角形钉旋转摩擦力扭矩和旋转时关节扭转程度显著大于刀形鞋钉和圆形鞋钉，运动受伤风险较大。5.2 建议

1.在厚度小，填充物少的普通质量人造草坪上推荐选用鞋钉长度较短(不超过10mm)，鞋钉排布密集的AG大底足球鞋，优先选用圆形鞋钉，其次是刀形鞋钉。应该避免使用长鞋钉(超过15mm)、三角鞋钉和鞋钉数目过少的FG大底足球鞋，这不仅会降低运动表现，还会增加运动伤害的风险。

2.在厚度大，填充物多的场地上，可以依据个人身体素质和健康情况，适度使用配置圆形鞋钉的FG大底足球鞋。即使是在高质量的人造草坪上也尽量不要选择带有三角形、刀形，以及其他不规则多边形鞋钉的FG大底足球鞋。

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Biomechanical Analysis of Dynamic Performance of Soccer Boots with Different Sole on the Artificial Turf

PENG Bo,QIN Yi,WANG Ding-xuan,PENG Ye,PANG Yu,MAO Shu-kai

Objective:To evaluate the traction characteristics and dynamic performance of different sole of soccer boots on the artificial soccer turf.Method:The investigated sole configurations were firm ground design(FG) and artificial grass design(AG).To analyze several kind of representative movements of soccer by kistler force plate and ariel performance analysis system.Kinds of peak ground reaction force kinetics variables and kinematics index were measured in this study.One-way repeated measure ANOVA and tukey post-hoc tests was applied to statistics in spss17.0.Results:FY(anterior-posterior shear force)shows significant difference in straight(P<0.05);FRS(resultant shear force) shows very significant difference in 45o cutting and 135o turning(P<0.01) and 180o turning(P<0.05);TZ(peak vertical torque),foot-thigh twist angle shows significant difference in rotation(P<0.05).Conclusion:Firm ground design sole shows higher traction of anterior-posterior acceleration and braking and artificial grass design sole shows higher traction of turning on the artificial soccer turf.The vertical rotation torque of FG were significantly higher than AG,FG sole shows lower flexion joint angle and foot-thigh twist angle of lower limbs than AG.AG design sole with more number of shorter studs which intensively distributed on the plate achieved better traction performance on artificial soccer turf and decreased the risk of injuries.Studs configurations of soccer boots sole considerably affects biomechanical characteristics and performance of soccer boots.

soccerbootssole;artificialsoccerturf;dynamicperformance

1002-9826(2016)04-0103-10

10.16470/j.csst.201604014

2015-04-29；

2016-06-06

四川省教育厅人文社会科学重点研究基地四川休闲体育产业发展研究中心课题(XXTYCY2014C08，XXTYCY2014B12)；四川省科学技术厅与泸州市人民政府、泸州医学院联合科研专项资金计划项目(14RKX0015)。

彭博(1981-)，男，四川乐山人，讲师，硕士，主要研究方向为运动生物力学与运动技术分析，Tel:(0830)3190961，E-mail:415692824@qq.com；秦义(1972-)，男，四川泸州人，副教授，主要研究方向为足球教学与训练，Tel:(0830)3192240，E-mail:498119172 @qq.com；王定宣(1975-)，男，四川合江人，副教授，硕士，主要研究方向为社会体育学和体育管理学，Tel:(0830)3163212，E-mail:wdx.9111@163.com。

西南医科大学 体育学院，四川 泸州 646000 Southwest Medical University，Luzhou 646000，China.

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