新型钉鞋的研制与实践研究

摘要

研究目的：rn 在短跑领域对钉鞋的革新一直是国内外钉鞋制造商的首要研发任务,本研究从生物力学角度创新研发新型鞋钉,并通过检测运动员在平衡能力及短跑过程中足底受力的变化情况,证明此鞋钉设计的优越性.rn 研究方法：rn 通过Peadr-x足底压力测试系统，测得运动员在穿钉鞋进行短跑时支撑阶段的足底压力分布。通过Biodex多关节肌力测试系统对运动员的膝、踝关节进行等速肌力测试，对运动员下肢肌力状况进行了解。综合以上数据结果分析后得出鞋钉排布方案，将鞋钉布置在应力集中区域，有利于在蹬地阶段增大跑鞋的水平推力，增加运动员的加速度，钉分布。利用摄像机记录运动员的短跑过程，通过Ariel录像解析系统进行运动学分析，以人体惯性参数模型为根据和本实验研究的需求选取关节点，对起跑后加速跑过程进行解析处理，运用低通数字滤波法对所得到的参数进行平滑处理，要求其平滑系数为6，得到下肢各项运动学参数：髋的运动幅度和运动速度、支撑时的膝角变化、足底着地角、支撑缓冲的程度，确定新型钉鞋的前斜角度。对市场上流行的圆锥鞋钉进行挤压阻力和水平推力测试，将鞋钉正面改造成倒三角面，旨在减少运动员在支撑阶段的缓冲时间；将鞋钉背面改造成弧形面，旨在增大支撑后蹬阶段的受力面积。根据以上结果设计了一双新式钉鞋，钉鞋的鞋钉区别于传统圆锥形鞋钉，而是采用斜锥形的新式鞋钉，此鞋钉的支撑正面是棱锥形背面是弧面的。运用Biodex多功能平衡测试系统评估运动员在穿着传统型钉鞋和新型钉鞋的平衡能力，并通过Pedar无线遥感足底压力系统测试运动员穿着不同钉鞋时的足底受力情况。rn 研究结果：rn 1）对短跑运动员在短跑的录像解析时发现，单足支撑阶段初期钉鞋的鞋钉与地面接触角度为22°（±1.03），并且由支撑前期的缓冲阶段到支撑后期的后蹬阶段鞋钉在跑道里有一个30°（±3.2）的前旋；rn 2）从运动员穿三种钉鞋对重心平均水平速度的影响和支撑时间比较看，三排8钉鞋的加速性能最好，三排7钉鞋其次，两排7钉鞋最差；从各钉鞋鞋钉的压强分布比较看，三排8钉鞋最符合足底受力分布实际情况，其次是三排7钉鞋，最差为两排7钉鞋，在设计上有不合理之处；rn 3）在运动员单足平衡能力测试（Athletic Single Leg Stability Test）结果中，穿着新型钉鞋的测试分数为2.8±1.4，低于传统钉鞋的4.2±1.8，说明稳定性更好；rn 4）在足底压力测试结果中发现，穿着新型钉鞋的左足峰值压力比传统钉鞋大50%，右足平均大25%。rn 研究结论：rn 新型鞋钉的“前尖”使钉着地后向前旋转的阻力减小，“后平”则接触面大，有利于支撑，即可相对增大静摩擦系数。在保证一定的最大静摩擦力的前提下，既可相对缩短钉的长度、减小钉对跑道的破坏力、节省能量，又能节省材料、减小重量。新型鞋钉的前倾角有效地插入跑道面，减小了钉的后部与地面之间的空隙，当运动员由落地支撑转入后蹬时，钉向后方的滑动也随之减小，提高支撑稳定性，有利于运动员后蹬发力。