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1、专业乒乓球鞋的止滑与减震性能研究综述运动鞋通常指人在体育比赛或训练时所穿的鞋。运动鞋习惯上被分为专业和普通运动鞋两大类。专业运动鞋又分为比赛用鞋和训练用鞋，主要根据各运动项目的特点设计，故性能指标明显高于普通运动鞋。普通运动鞋的涵盖面较广，如人们常穿的跑鞋、球鞋、用于旅游休闲的旅游鞋等都可以归纳进去。随着竞技体育的快速发展，对专业运动鞋的要求越来越高：不但要舒适和脚，预防运动损伤，更要能提高运动成绩，降低体能消耗。 运动生物力学是应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律1。运动鞋的核心技术一直以来都是运动鞋生物力学研究的主题，而运
2、动鞋的鞋底科技则代表着运动鞋的核心科技，国内外品牌运动鞋的关键技术也多集中体现在鞋底科技上。国际一线品牌运动鞋的核心技术主要是防滑止滑、缓震减震、能量回归、足跟控制和模拟裸足。国内一线品牌的运动鞋虽然新概念频出，但技术原理雷同2。 1、国内外运动鞋生物力学研究现状 1.1运动鞋的止滑性能研究 运动鞋底的防滑性是指外底对地表的止滑效果或抓地力。防滑性是运动鞋应具备的基本功能之一，也是检查鞋性能的重要指标之一。而运动鞋防滑性能的影响因素很多，目前对他的研究国外已经有了一定的进展，而国内还处在起步阶段。研究的重难点主要集中在鞋底与路面介质方面。研究表明：鞋底是影响防滑性能的重要因素，国内外对这方面的
3、研究也有很多，大部分都集中在鞋底材料、花纹对鞋子防滑性能的影响，通过改变鞋子的结构设计来改善防滑性能目前也有了初步的研究。同时路面的性质和路面上的污染物，倾斜路面的坡度和高度对运动鞋的防滑性能影响也是非常大的，针对不同的路面介质运动鞋的鞋底设计是不一样的。 鞋底的防滑设计中主要考虑到不同鞋底花纹的防滑效果。鞋底花纹一般分为普通花纹和特殊花纹，普通花纹又可以分为规则花纹和自由花纹。规则花纹，大多数都是规则的几何图形类骨骼结构。自由花纹，是一种不规则花纹。通常是仿照自然界中的一些纹理，如树皮、碎石、皮革等，其不拘泥于一定的骨骼规律，显得自然、轻便。花纹防滑性能的研究主要是通过鞋底花纹的滑动摩擦力大
4、小来行判断，力学依据是滑动摩擦力的大小与接触面之间的法向载荷成正比。鞋底纹的止滑性随着摩擦次数的增加而越来越差。载荷显著地影响各种材料的磨粒磨耗，且磨耗度与法向载荷成正比。当压力达到转折值时，磨耗度随压力的增加变的平缓，这是由于磨粒磨耗形式转变的结果。 场地的地面状况分析主要集中在其表面形态，地面形态特征对于鞋底的运动功能及鞋底花纹设计有很大影响。任何大底花纹与地面接触表面都是由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成。大底与场地接触面上粗糙峰顶的形状通常是椭圆体，由于椭圆体的接触尺寸远小于自身的曲率半径，可近似地视为球体。两平面接触可视为高低不平的球体相接触，并模拟理想状态的粗糙表面的接触来研究。场地
5、与运动鞋大底两个粗糙表面的接触实际上通常是一种混合的弹塑性系统，也就是较高的峰点产生塑性变形，而较低的峰点处于弹性变形状态。当压力很小时，二者表面接触属于弹性接触状态。随着载荷的增加，两表面法向变形量增大，而塑性变形的峰点数亦相应增多，弹性与塑性变形混合存在，且载荷越大，塑性变形占比例也随之越来越大。所以，方向变形量可以作为衡量表面塑性变形程度的指标。场地表面的特征，如其材料、表面强化硬度、微硬度和残余应力等对于大底花纹止滑、耐磨耗等性能有着重要影响。在场地与大底花纹不断摩擦损耗过程中，由于力和热的作用，接触表面将发生一系列的变化，这些变化对摩擦损耗性能有很大影响。场地与大底花纹的表面形态和微
6、观接触状态在摩擦中不断地变化。同时，摩擦表面的微观颗粒也将发生破裂、脱落和转移等，从而影响接触表面的形态，使得大底花纹止滑及磨耗性能受到一定的影响。因而，场地状况直接影响到大底花纹的功能特性，对于不同场地应该设计不同的大底花纹。 罗向东等在GT-7012-I3型止滑试验仪上，试验了纵条纹、横条纹、折线纹3种疏密不等的花纹的橡胶鞋底的止滑性，从鞋底花纹的形式和花纹的排列密度2个方面出发探索了鞋底花纹和止滑性能之间的关系：在粗糙路面如水泥、柏油路面上和干态大理石路面上，花纹中横向因素多的鞋底的止滑性较好，但在湿态的大理石路面上，试验情况出现异常，花纹中纵向因素多的鞋底的止滑性反而更好。罗向东更进一
7、步研究了鞋底花纹的设计与鞋底止滑性能的关系。他选择了几种典型花纹的橡胶鞋底，分别测试它们在3种路面上的止滑性，不仅发现鞋底花纹的形式和造型对止滑性有影响，也探测到花纹的深度和鞋底与路面的接触面积，对止滑性有较大的影响，但是深入的研究没有进行下去，且鞋底材料只局限于橡胶。杜少勋等研究阐述了地面状况与运动鞋大底花纹相互影响的功能关系，根据实验所测得的数据及相关理论，分析了不同因素如地面状况、大底花纹、法向载荷等对运动鞋大底止滑性能和耐磨耗性能的影响，并对各种影响因素进行实验，定性地测出摩擦系数和摩擦力，以图表的形式对实验测定的结果进行了归纳与对比，分析推断出了合理性结论。其中提出二方连续鞋底花纹是
8、横向的，当向前走时，在前后方向上产生很大的摩擦力，并且由于二方连续鞋底花纹较薄，当穿用时，受到压力，片状花纹极易倾倒，倾倒后的胶片增大了与地面接触面积，从而产生较好的抗滑移作用。如“”的波纹具有多向的防滑性。何香芹等在关于防滑鞋摩擦系数的初步测定及探讨中，推导了测定摩擦系数的公式=h/s，其中h为鞋子从斜坡上滑下的高度，s为鞋子滑动的距离。 1.2运动鞋的减震性能研究 人在运动的时候，在脚着地过程中，鞋底受到地面与人体给鞋底的一个冲量，这种冲击会产生震荡，有震荡引起的振动波会对人体造成一定的危害。因此鞋底应该具有减少振动波来保护人体的功能，鞋底吸收或降低振动波的能力称之为减震。虽然足部的骨骼、
9、韧带、肌腱等构成了天然的缓冲减震结构-足弓，但足弓所能承受的力是非常有限的。根据科学家研究统计表明，人在跑步时，脚触地的瞬间受到地面的冲击力将达到人体重的2-3倍，而快速跑承受的冲击力是慢跑承受的冲击力3倍，这冲击力对人体的骨骼、关节、软组织及大脑的伤害是非常大的。而运动鞋的减震系统就是利用鞋底底材的减震特性，对运动鞋鞋底结构进行特殊设计，这样就可以使人体的体重比较平均的分不到足底，同时也避免了地面的冲击力传到足跟、踝等其他部位产生振荡，减少伤害，满足运动的需要。 国内外研究表明虽然跑鞋的各种减震工作原理不尽相同，但总的来说可以分为材料减震和结构减震。多年来，许多减震方法和能量反弹设计得到尝试
10、，其中许多极端而怪异的概念未能经受时间的考验，而恒久使用的方法就是材料减震。它更容易转用在其它鞋类上，因而可产生许多派生的方法。很多时候都把结构减震和材料减震结合起来，使减震效果达到最佳。结构减震中的结构包括悬臂、波盘、机械弹簧及其它深奥但流行的概念，其中不乏是一些可改善性能但重在促销的手段。Avia同时采用了机械和材料结构，用于新款鞋Ecto-Cantilever上功能极强的悬臂结构，具有较好的减震机能。Fila也把机减震和材料减震两种形式结合起来使用，一种流动结构把脚支撑起来形成缓冲和轻度的下俯控制，根据鞋型形成更有效的运动控制Puma的一种全新的duoCELL的无泡沫新奇技术，是一种机械
11、与材料二合一的减震形式。其形状是五角形的塑料小胶囊，中空、囊壁和顶部强硬，形成抗冲击的单元结构。DuoCELL由一个底单元和上部众多叠状小单元组成，工作原理类似活塞产生的减震性能，小单元将吸收的力量转向底部大单元。单元结构替代了通常的中底材料，使之成为完全的无泡沫方法。Saucony拥有一种不同寻常的结构，GRID（网格法）是将一小匣子填入后跟正下部的中底中，其外框用绳索从一侧向另一侧交叉系牢，就像在鞋跟下放置了一把微型网球拍，接应网球一样的冲击力。The Question是RBK的代表作，它使用的是蜂巢减震技术，这是Reebok公司首创，由一个个小块网格状气体单元构成，类似蜜蜂的巢。它能把由
12、上至下的压力均匀地分配到各个单元之间，为脚部进行减震保护。李宁弓减震系统，由独特的拱桥和拉杆的组合结构，再经由美国DRD设计公司结合跑鞋产品的特点设计成能够用于鞋后跟部位的功能部件，以使得李宁公司跑鞋产品能够在跑步运动中为运动者提供良好的减震性能虽然各个品牌运动鞋的减震方式各不相同，但由于聚合体工程的持续进步以及工程力学的不断发展，意味着减震方法的改进将没有止境。 国内外品牌运动鞋制造商对运动鞋的减震科技研究各有千秋，除了上面几种减震技术外，锐步的DMX减震技术、美津浓的Mizuno Wave、CONVERSE的React，安踏的芯技术等等各类防震科技对运动鞋的发展都做出了巨大的贡献，今后运动
13、鞋减震性能研究设计的发展趋势就是将材料减震与结构减震完美结合起来，效果会更加的好。 二、乒乓球运动与乒乓球鞋的性能要求 2.1乒乓球步法特征分析 步法是指乒乓球运动员为回击不同来球而变化位置时所采取的合理移动方法，它是及时准确地使用和衔接各项技术动作的枢纽，也是执行各项战术的有力保证。我国的乒乓球名将庄则栋指出：“手法是乒乓球运动之母，步法事乒乓球运动之父。每一个击球动作之起始、力量的来源，无不来之于脚和腿，步法事乒乓球运动的基础。”前世界冠军长谷川信彦的名言：“步法是乒乓球运动的生命。”可见，乒乓球步法对整个击球动作的完成以及完成动作的合理性、有效性、科学性都有着至关重要的作用。 跨步的移动
14、幅度较大，常会降低身体重心的高度，近台快攻打法在还击正手位大角度来球时用此步法较多。削球选手有时也会用它来对付对方的突然攻击.动作要点：跨步是以一只脚向前、后或左、右的不同方向跨出一大步，身体重心随即移到摆动脚上，而另一只脚也迅速地滑动半步跟进，然后挥臂击球，大多时候，手脚几乎同时动，跨步脚落地的同时，完成击球动作。 交叉步主要是用来对付离身体比较远的来球，其移动幅度和范围都比较大。弧圈球和快攻型打法在侧身进攻后扑右大角空当，或从正手位返回到反手位大角度，还有削球选手在做前、后移动时均可使用此种步法。动作要点：交叉步以靠近来球方向的脚作为支撑使远离来球的脚迅速向前、后、左、右不同的方向跨出一大
15、步，而原作为支撑的脚跟着前脚的移动方向再迈一步。在移动时膝关节始终保持弯曲，与来球方向同侧脚外旋、异侧脚内旋，腰、骸迅速转向来球方向，与挥拍击球同步进行。 跳步移动时，常会有短暂的腾空时间，因此，通常是依靠膝关节的缓冲来减少重心的上下起伏。它在来球较快，角度较大时采用。是弧圈球打法在中台向左、右移动或侧身移动时常用的步法。动作要点：跳步是以来球异方向的脚用力蹬地为主，是两脚同时或几乎同时离地向来球的方向跳动，蹬地用力大的脚先落地，另一脚跟着落地，然后挥臂击球。 乒乓球运动中经常需要各种方式的快速启动，需要在快速移动的的状态下立刻使身体制动，身体重心是不断变化的，这就要求乒乓球鞋要有出色的性能，
16、满足不同步伐需要。 2.2专业乒乓球鞋的生物力学性能要求 运动鞋鞋底结构一般包括外底和中底，外底的功能一是保护脚底，使其不受地面利物的损伤；二是起到制动、防滑等多种作用来满足不同项目的特定要求。常用的运动鞋外底材料有全（橡）胶、全塑（料）、橡塑并用及聚氨酯等。中底主要的作用是减震、存储能量以及能量的返还。 乒乓球鞋底除了具有一般运动鞋底的功能外，还应有自己的独特性能，主要表现在底部件的设计上。从乒乓球运动的步伐特征可知，乒乓球运动较其他运动侧向移动明显要多，而且经常需要快速启动。在人体侧向移动和向前启动时最重要的发力区域是脚前掌胫侧，所以增加这部位的摩擦力有利于运动员启动速度增加，便于其更加灵
17、活的移动。因此乒乓球鞋底的摩擦性能的优越也是评价一双乒乓球好坏的重要指标。虽然说乒乓球运动在移动过程中大多采用脚前掌发力蹬地，但在急停的时候却要靠脚跟迅速蹬地制动，所以脚后跟鞋底的减震设计对运动员的足部及下肢损伤是有很好预防作用的。 乒乓球鞋的总体设计要求是鞋底防滑性能优越、耐磨、减震性能良好、弹性好、稳定性好，质轻。而防滑性、减震和弹性（能量回归）是专业乒乓球鞋底最重要、最基本的性能要求。 综上所述，随着竞技体育和全面健身运动的不断发展，运动鞋的市场需求量不断增大，运动生物力学结合其他人体科学在运动鞋的研究设计中已经取得了很大的突破和成就，尤其在篮球鞋、足球鞋、慢跑鞋这些市场需求量比较大的运动鞋上面取得的成就更加突出。这些鞋子不但满足了专项运动的特殊要求，在提高运动成绩，预防运动损伤方面起到了非常重要的作用，具有很高的科技含量。但在乒乓球鞋研究设计这方面国内外开展的还不是很好，相对其他几种鞋处于落后状态。