1、生物力學(xué)與跑鞋的設(shè)計摘 要： 跑步是人們熱愛的運(yùn)動，跑鞋是該運(yùn)動的重要裝備。人在跑步的時候，腳會成為人 體主要的受力點，因此跑鞋的性能很大程度上決定了跑步的舒適程度，而對于運(yùn)動員來說， 跑鞋能量的再利用可以使他們得到速度上的提升， 節(jié)省更多的體力。 要設(shè)計一雙好的跑鞋需 要考慮諸多因素， 其中最重要的是材料的選取和形狀的設(shè)計， 對用于比賽的跑鞋， 更要考慮 鞋釘?shù)脑O(shè)計， 從而使跑鞋更加符合人們的需求。 隨著材料學(xué)的發(fā)展， 再結(jié)合生物力學(xué)的相關(guān) 知識，還可以對跑鞋進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，進(jìn)一步提高跑鞋的性能。關(guān)鍵詞： 跑鞋；材料；形狀；鞋釘；創(chuàng)新設(shè)計 介紹： 自從人們對跑步時的舒適以及速度的不斷追求，功

2、能性跑鞋便成為人們的一大需求。 一雙優(yōu)秀的跑鞋，應(yīng)該能夠使穿著者感到舒適，提高運(yùn)動員的速度。因此跑鞋的材料， 形狀 以及各種功能性設(shè)計逐漸受到人們的重視， 同時各種創(chuàng)新設(shè)計更能夠使跑鞋的性能得到進(jìn)一 步的提高， 本文正是針對跑鞋的材料，形狀， 功能性設(shè)計以及創(chuàng)新設(shè)計，并且結(jié)合相關(guān)生物 力學(xué)的知識，對跑鞋的設(shè)計進(jìn)行簡要的討論。一、人體的跑步力學(xué)分析跑步其實是一個周期性的動作， 人體的兩腿交替前后擺動， 每個周期包含了兩次支撐和 兩次騰空。 其中支撐又包括三個部分，分別是著地，后蹬以及前擺，著地和后蹬其實是跑步 的主要發(fā)力動作， 著地是為后蹬做準(zhǔn)備， 同時也是為了支撐由于重心前移而帶來的壓力， 此

3、 時腳后跟是主要的受力部位， 后蹬的時候產(chǎn)生的靜摩擦力是跑步的主要動力來源， 此時前腳 掌是主要的受力部位； 而腳掌騰空則是跑步前進(jìn)的需要， 脫離地面的摩擦， 加快雙腿的擺動， 從而加快前進(jìn)的速度，此時主要的受力部位是膝關(guān)節(jié)以及大腿和小腿。對跑步做了簡單的力學(xué)分析之后， 我們可以看出， 決定跑步速度的主要因素是雙腿擺動 的幅度以及蹬腿的力量， 受力的主要部位是前腳掌，后腳跟， 踝關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)， 同時腳的 皮膚會受到各種靜摩擦力和壓力，這些力的大小會直接影響到人的舒適程度。因此， 要提高穿著的舒適感以及跑步的速度， 設(shè)計者就必須考慮如何減小支撐時的壓力 和各種摩擦力，提高雙腿擺動的幅度，這樣才

4、能設(shè)計出一雙符合需求的跑鞋。二、跑鞋的設(shè)計通過上述人體跑步的力學(xué)分析， 根據(jù)跑鞋穿著者的實際需求， 下文將對跑鞋的材料， 形 狀，鞋釘?shù)脑O(shè)計，以及其他創(chuàng)新設(shè)計進(jìn)行討論。（1）跑鞋材料的選取跑鞋的材料可以直接影響到跑鞋的減震性能， 能量的在利用， 并且材料的密度也直接影 響到跑鞋質(zhì)量的大小， 從而影響到穿著者的舒適性以及跑步的速度， 因此材料的選取至關(guān)重 要。對于跑鞋的內(nèi)部，為了減少跑步時壓力對腳的作用， 跑鞋的材料必須做到柔軟，材料能 和腳的皮膚良好接觸， 這也是為了減少摩擦力對腳皮膚的傷害； 而鞋的外部則要用密度比較 小的材料， 這是為了降低鞋的重量， 減小雙腿擺動時的負(fù)荷， 從而加快雙腿擺

5、動的頻率，這 就能很大程度上加快跑步的速度。而鞋底的選材也是跑鞋設(shè)計的一大學(xué)問，由于人跑步時， 腳趾和腳掌是有一個比較大的轉(zhuǎn)折角度的，這對材料的柔軟性和耐彎曲性有一個很大的考 驗，同時， 鞋底的后半部分是支撐腳后跟的地方， 承受相當(dāng)大的壓力， 這對材料的耐壓性也 是一個考驗， 而由于腳后蹬的時候， 鞋底的前半部分承受巨大的摩擦力， 因此鞋底的材料相 對地面的靜摩擦系數(shù)必須達(dá)到一定值，如果靜摩擦系數(shù)太低，就會導(dǎo)致后蹬時腳往后打滑，這不僅會浪費(fèi)運(yùn)動員的能量， 過度的打滑還會引發(fā)安全問題。 對于鞋底的減震方面， 如今很 多運(yùn)動鞋制造商都會在鞋底安防氣墊，例如NIKE 的 AIR MAX 系列，其核心

6、技術(shù)是在鞋跟中央位置裝一個小巧的風(fēng)琴形氣墊， 這個氣墊具有吸震功能， 并且能把吸收的能量轉(zhuǎn)換為反彈 力，氣墊受到的壓力越大，反彈力也越大，并且這種氣墊可以更換，根據(jù)穿著者的體重，腳 形和運(yùn)動需要定制合適的氣墊。 對于跑鞋的重量方面， 如今一般會用纖維材料充當(dāng)鞋的表面， 這樣可以在很大程度上減小寫的重量， 減少人在跑步過程中鞋的脫落感， 并且使步伐更加輕 盈，加快跑步的速度，更重要的是可以減少運(yùn)動員的能量損耗，據(jù)統(tǒng)計，寫的重量每增加 1 克，每跑 100 米，人就會多消耗 8%的體力【 1】。（2）跑鞋形狀的設(shè)計 這里所討論的形狀主要是指跑鞋內(nèi)表面形狀和鞋帶結(jié)構(gòu)。由于鞋的內(nèi)表面與腳緊密接 觸，因

7、此跑鞋的內(nèi)表面形狀能直接影響穿著的舒適程度。 查閱相關(guān)資料以及結(jié)合日常生活的 經(jīng)驗我們不難發(fā)現(xiàn)， 正常人的腳趾長短不一， 腳掌一般會呈內(nèi)拱形，腳背向上凸出，因此在 設(shè)計跑鞋形狀的時候必須考慮到腳趾的形狀， 鞋墊中部應(yīng)該做一個凸起的支撐結(jié)構(gòu)， 這能夠 在跑步時對腳掌的腰窩部位起支撐作用， 減少跑步時腳掌的疲勞 【 2】。同時由于腳的外踝骨 較低， 且比較凸出， 因此跑鞋的后幫上口不能設(shè)計得太高，以免擠壓踝骨造成損傷。除了鞋 的內(nèi)表面設(shè)計之外， 最近也出現(xiàn)了一種松緊鞋舌的跑鞋， 這種鞋沒有鞋帶， 穿著方便， 受到 廣大使用者的喜愛。 而部分研究卻顯示， 有鞋帶跑鞋的前腳掌緩沖、后鞋跟幫貼腳、后跟寬

8、 度、鞋前腳寬度和鞋長度等方面的舒適度明顯好于松緊鞋舌跑鞋， 這是由于系緊鞋帶能夠幫 助足跟和鞋后跟的貼合， 減少腳與鞋的滑動摩擦， 更好的控制后足運(yùn)動， 同時特殊的鞋帶綁 法還可以有效控制過度足外翻， 增強(qiáng)運(yùn)動的安全性， 而松緊鞋舌式的跑鞋不但不能保證足跟 和鞋后跟的貼合，還會增加足外翻的幾率，對運(yùn)動員的安全帶來威脅。 因此，設(shè)計者在設(shè)計 跑鞋的時候應(yīng)盡量把鞋帶的設(shè)計增加到跑鞋的形狀設(shè)計當(dāng)中【5】。（3）鞋釘?shù)脑O(shè)計在跑鞋上安裝鞋釘可以從很大程度上增加跑鞋對地的靜摩擦力， 并且能減小甚至消除跑 鞋與地面的相對摩擦， 當(dāng)滑動摩擦減到最小時， 腳的后蹬力就得到了最充分的利用。 但是鞋 釘?shù)陌惭b也是

9、非常講究的，鞋釘并不是越多越好，也不是越長越好，要根據(jù)使用者的情況， 以及使用的環(huán)境決定， 并且鞋釘?shù)陌惭b位置也會影響到鞋釘?shù)男Ч?同時在設(shè)計鞋釘?shù)臅r候 更要考慮鞋釘?shù)牟牧虾托螤睿?傳統(tǒng)的鞋釘一般是鋁合金， 但是鋁合金較重， 不利于減小跑鞋 的重量， 現(xiàn)在一般會使用硬陶瓷代替， 由于陶瓷耐磨， 不容易粘附贓物， 并且質(zhì)料較為輕盈， 在發(fā)揚(yáng)了傳統(tǒng)釘鞋的優(yōu)點之外，還克服了以往的缺點。三、跑鞋的創(chuàng)新性設(shè)計（1）能量再利用 我們都知道能量的利用率是不可能達(dá)到100%的，在跑步的能量釋放過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)換成我們所需要的動能， 一部分轉(zhuǎn)化成鞋的彈性勢能， 一部分轉(zhuǎn)化成熱能， 還有一部 分轉(zhuǎn)化成其他

10、能。 一般能量的再利用會考慮把轉(zhuǎn)化成的彈性勢能進(jìn)行再利用， 但這里的再利 用需要對能量的釋放時間進(jìn)行測定， 對跑鞋的材料進(jìn)行改進(jìn)， 使跑步過程中所積累的彈性勢 能在合適的時候釋放出來，才能達(dá)到能量再利用的目的【3】。做個簡單的假設(shè)，如果跑步時每步支撐的時間為 200ms ，前 100ms 的前蹬運(yùn)動使得鞋底受到壓縮， 儲存彈性勢能， 后 100ms 的后蹬則是彈性勢能釋放的最好時機(jī)，但是能量的釋放速度必須控制在 100ms 以內(nèi)，超過 100ms 則儲存的能量就沒有得到充分的利用【 4】。本文前面已經(jīng)提到過， 跑步分為著地， 后蹬和擺動，著地的時候受力是在腳后跟，彈性勢能也主要儲存在鞋后跟，

11、而后蹬的時候主要受力是在前腳掌， 因此， 能量的再利用就遇到 一個問題， 能量的輸入位置和輸出位置不一樣， 如何在這兩個位置之間添加能量的傳輸單元 成為了能量再利用設(shè)計的一個難點。 設(shè)計者應(yīng)該從這方面考慮能量的再利用， 從而提高跑鞋 的性能。（2）鞋釘?shù)母牧既缃褚话阌玫男敒閳A錐形， 這是考慮到跑步時可以使鞋釘更快的扎入跑到， 為運(yùn)動員 提供動力， 而鞋釘?shù)拈L度則是要根據(jù)不同使用環(huán)境以及運(yùn)動員的習(xí)慣選取， 這個并沒有一個 固定的標(biāo)準(zhǔn)。對于鞋釘?shù)臄?shù)量以及分布則有一定的講究， 鞋釘合理的分布可以減少鞋釘?shù)臄?shù)量， 從而 減輕跑鞋的重量，由于在跑步的時候，腳掌的受力分布都不一樣， 要增強(qiáng)鞋釘?shù)男Ч?

12、最佳 的辦法是把鞋釘安裝在腳掌受力最大的位置， 從而增加鞋釘對地的壓力， 達(dá)到增加靜摩擦力 的效果。由于每個運(yùn)動員的腳形都不一樣，沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)確定鞋釘?shù)奈恢茫?因此，一 些比較專業(yè)的方法是用分布式測力臺測量跑步時較低的受力分布，從而確定鞋釘?shù)奈恢谩τ谛數(shù)慕嵌?，一般來說都是成 90 度直角，這是為了能讓運(yùn)動員在前蹬的時候更快 的把鞋釘扎入跑道， 但實際情況是在前蹬時腳掌與地面通常會有一定的角度， 因此鞋釘不會 呈 90 度扎進(jìn)跑道中，這就嚴(yán)重影響了鞋釘?shù)氖褂眯Ч?。而目前有學(xué)者提出鞋釘在安裝的時 候應(yīng)該與鞋底呈一定的角度， 使鞋釘扎入跑道的時候是垂直插入， 這樣就可以增強(qiáng)鞋釘?shù)氖?用效果

13、。（3）跑鞋材料的改良前文已經(jīng)講過， 跑鞋的材料是影響跑鞋性能的關(guān)鍵因素， 這里主要關(guān)注材料的剛度和韌 度。首先跑鞋的材料剛度不應(yīng)過大， 過大的剛度不僅不利于彈性勢能的儲存， 而且會使得穿 著時由于材料過硬， 使腳感覺不適， 同時跑鞋的材料應(yīng)該有一定的韌度，因為跑步時， 鞋底 會不斷的彎曲， 如果鞋底的韌度不夠就很容易折斷， 引起安全事故。 由于要尋找一種剛度和 韌度都要符合一定要求的材料并不容易， 因此設(shè)計者可以選擇可以認(rèn)為控制各種參數(shù)的高分 子材料，這也可以大大的降低設(shè)計的難度。四、小結(jié) 如今跑步已經(jīng)成為人們最喜愛的運(yùn)動之一， 一雙好的跑鞋可以使人們在運(yùn)動過程中更加 舒適， 并且得到更好的運(yùn)動效果。 因此設(shè)計者應(yīng)該致力于提高跑鞋的各方面性能。 通過本文 的論述可以看出， 要提高跑鞋的舒適性， 可以從跑鞋的材料和形狀入手， 并結(jié)合各種生物力 學(xué)的知識對跑鞋進(jìn)行改良。 相信隨著材料學(xué)， 人體工程學(xué)以及生物力學(xué)的發(fā)展， 日