医用生物力学第27卷第3期2012年6月
Journal of M e di c al B i om e c ha n i cs，V01．27No．3，Jun．2012317文章编号：1004-7220(2012)03-0317-07
篮球鞋对主动与被动落地时冲击力
特征和肌肉活化的影响
傅维杰，刘字。魏书涛
北京烤鸭的来历(上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室。上海200438)
口渴英文摘要：目的探讨人体在主动和被动落地过程中，穿着篮球鞋对落地冲击力特征和下肢相关肌群活化程度的影响。
方法选取具备强缓冲性能的篮球鞋作为测试用鞋，并辅以对照鞋。12名球类专项男运动员作为受试者，在翻板器卜完成包括由低到高3种下落高度和2种下落方式(主动落地反跳和被动着地)在内的着地动作，，利用测力台和肌电分析系统问步采集冲击力和下肢5块主要肌群的EMC信号。结果主动落地反跳时，穿着篮球鞋并没有对冲击力的振幅和频率以及下肢肌群的激活程度产生影响；但被动着地时，
穿着篮球鞋却能够显著降低冲击力和负载率的峰值，减小冲击频率(P<0．05)，同时显著降低下肢各主要肌群的后激活程度(P<0．05)，，结论在主动控制完成动作的情况下，运动鞋影响冲击力和肌肉活化的效果并小明显；然而当人体未完全控制着地状态时，篮球鞋能够改变输入于下肢的冲击力信号，达到缓冲避震并适当减小肌肉活化的效果，为避免落地时运动损伤的发生及机能节省化起到r积极的作用。
关键词：落地；篮球鞋；冲击力；肌肉活化；肌电信号；生物力学
中图分类号：R318．0l文献标志码：A
Influence of basketball shoes on impa ct force and muscle
activation during active and passive landing
FU Wei-jie，LIU Yu，WEI Shu—tao(Key La b o ra t o r y of E xe rc i a n d He al th S co n ce s of Minist ry of
E d u c a t i on，S h a n g h a i U nive rsity of s o o f t，S h a n g h a i 200438，Ch／na)
Abstract．Objective T o ex pl or e the i n fl u en c e of ba s k et b a lf s h o e s o n imp ac t forc e a
n d corr e sp o nd i ng m u s c l e a c-tivetion in th e lo wer limb during th e a c t iv e a n d pas siv e la nd i ng．M e t ho d s Twelve m a l e baU playem wea r i n g t w o type s of sho e s(b a s ke t b a l I shoes with cush io ni ng insole v s．c on t r ol shoes)performed the jump d ro p a n d passive land ing from th re e different height 01"1 the tiltable platf orm．The d y n a m o m e t r i c platform a n d ele ct r o m yo g r a ph y
f EMG)measurement s y s t e m w e r e ud t0collecl th e imp act f o r ce s a n d EMG d ata f rom5majo r m u s c l e s in the
Iowe r I im b sim ult ane ous ly．Re sul ts A s fo r t he active dro p j u mp，w e a r i n g bas k e tb a l l s h o e s didn’t h a v e a n y effect o n th e ampli tu de／fr eq ue nc y of i m pa ct for c es a n d m u s c l e activation in th e Io wer Iim b．H o we v e r．d ur i n g the pass ive land in g，we ar in g bas k et b a ll s h o e s co uld sig nific antly decr ea t he am pli tud e of imp act fo rc e s，t h e p e a k load ing rate a n d the input frequency(P<0．05)，and the post—activ ation of majo r m u s c l e s in the l ower limb w e r e al s o sign i f ic a n tl y dec rea d(P<0．05)．C onc lusi ons Dur in g th e a c ti v e landing．the intervention of f oot wea r s h o w s n o si g n i f i ca n t l y inf lu e nc e o n ch a r ac t e r is t i cs of im pac t f or ce s a n d m u s c l e acti vati on．Howev er，when th e hu·m a n body d o e s no t u n d e r t he full control of land in g，we ar i ng ba sket ball s h o e s c a n c h a n
g e th e i n p u t frequency，
decrea the m u s c l e p os t-a ct i va t io n，an d play a posit’Ⅳe role in pr ev e nt i ng the sports injuries a n d e n h a n c i n g t he meta bol ic efficiency dunng the landi ng．
K e y wo rd s：L a n d i n g；B a sk e t b a ll s h o e s；I m p a d fo r ce；M u s c l e activation；Electromyography(EMG)sig nal；
B i o m e c h a n i c s
收稿El期：201l-07-22；修回El期：2011-08-27 基金项目：教育部博I：点基金资助项目(20103156110002)，
国家科技部科技支撑项目(2009BAl(62啪2J∞2)。通讯作者：刘字。教授．博士研究生导师，T e l：
(021)51253571；E-m a i l：y u l i u@s u6．e d u．c n。
医用生物力学第27卷第3期2012年6月
Journal of Medical B i om e c ha n i cs．V01．27No．3，Jun．2012
现代运动鞋的材料和结构能够避免足部和下肢9287B，内置信号放大器，最大侧向力和垂直力分别在跑、跳过程中承受过多的冲击力。然而，由于人体可达10和20kN。本研究的采样频率为1．2
kH z。自身存在一定的适应和调节能力(如通过改变下1．2．3肌电图信号分析系统德国B iovision公司生肢的运动特征来减小冲击峰值等)，使得运动鞋的产的16道EM G—Am pli fie r系统，包括电极、放大器和这一缓冲避震作用已不仅局限于单纯的力学效果。16通道信号采集盒。本研究的采样频率为1．2kH z。不少研究表明，冲击力峰值并没有因为鞋中底的硬测试肌群共5块：股直肌(rec tus fem ori s，RF)、
度一。、内嵌物的特性∞1以及运动表面”1的改变而产股外侧肌(v astu s lateralis，VL)、股二头肌(biceps 生明显的变化。femoris，BF)、胫骨前肌(tibialis anterior，TA)和腓肠如今已有学者把这种时间短、负荷大的冲击力肌外侧头(1ateral gastro cne miu s，LG)。根据SEN IAM作为一种输入于人体的信号进行研究蹦，发现冲击(surfac e EMG for no n—in vas ive asssment of muscles) 信号能够引起下肢的软组织振动，并对运动系统产放置肌电片的建议对受试者优势腿的各肌群进行定生影响；而人体肌．骨骼系统同样会通过改变肌肉活位"o(见图1(b))，其中两中心点相距2cm，并以
胫化的方式对此信号产生适应性的反应，从而对个体骨粗隆位置作为零电极。
的舒适性、疲劳、能耗和运动表现等方面产生影响，并最终达到防止运动损
伤、改善运动表现的目
的o“。
基于此，本研究以主动落地反跳(d rop ium p)和
被动着地(p as si v e l an din g)两种负荷较大、常见且易
控的落地方式作为基本目标动作，探讨人体在不同
着地策略过程中篮球鞋对冲击力特征和下肢相关肌
群活动的影响，找寻它们之间的相互关系，以期为鞋
具的创新型设计和研发提供参考。
1研究方法
1．1研究对象
龄：(23．7±2．7)岁；身高：(178．3±2．5)cm；体重：p
受试者为12名体育教育专业男性运动员(年
(70．1±4．6)kg)，主攻篮排球专项，运动年限约为
7年，并熟练掌握跳跃落地动作。所有受试者于
实
啡肠J；I JI
验前接受问卷调查，确认24h内未从事剧烈运动，外侧头
确定其下肢和足部半年内无明显损伤，身体机能和
运动能力良好。
1．2实验仪器
1．2．1 自制可调节高度之翻板器自主设计并加
(b)
工制作翻板器(60c m x80c m x70cm)。翻板可调
图1实验现场布置(a)与肌电片的安放示意图(b)
节的高度范围为20—65cm，每次可升高的最低高
Fig．1 T h e exp ed me nt al tu p(a)an d plac e me n t of surface 度为5em，翻板器后方有多孔的插销，可通过人工elect rode s(b)
操作控制翻板水平面的下翻(见图l(a))，达到让
受试者自由落下的功能。1．3测试方法和评价参数 1．2．2测力台瑞士Kistler公司生产的三维测力1．3．1实验用鞋具有避震功能的篮球鞋
傅维杰．等．篮球鞋对主动与被动落地时冲击力特征和肌肉活化的影响
F U Wei-j i e，e t a／．I n fl ue nc e of bask etball sho es o n impact force a nd
mu sc le ac tiv at ion dud ng a ct iv e and pa s s iv e landi ng319
其Phylon(对泡沫材料进行发泡后再压缩的一种材EM GR M s(一50m s，p r e—ac ti v at i on)和后激
足球加时赛
活
EM GR M s 料，特点是轻便、柔软、弹性好，具有很好的缓震性(+50ms，po st．ac ti va ti on)‘15]。公式如下：
能v9o)鞋中底配备全掌M a x Ai r气垫单元(M ax Ai r^—j了r————————一3600)，具备强缓冲避震功能，而外底则采用合成RMs=√爿EMG2(￡)·dt(2)橡胶罔环绕的全掌人字纹图案增强耐磨性和稳定式中：f为EMG信号开始时间，t+r为信号结束时性，重量(455．0±0．2)g。对照鞋(CC)：以无中底间。材料、缓冲差的市售普通鞋作为对比研究，
重量1．4数据统计
(275．0±0．2)g。以上两款测试鞋鞋码均为欧码数据均以均数±标准差表示，并用SPSS 13．0 42．5。软件进行统计，采用重复测量的多因素方差分析1．3．2 落地反跳和被动着地测试每位受试者随(re peate d—me asure s AN OV A)观察运动鞋X落地方式机穿着不同的鞋完成包括3种下落高度和2种下落×高度(2×2X3)对于各参数的影响。并采用Tukey 方式在内的共12组(2×2×3)测试，顺序随机¨。post-hoe检验进行两两比较，显著性水平设为仪= 在正式测试前要求受试者充分熟悉落地动作，并在0．05。
每次动作完成后安排适当的休息，尽量避免诸如体
2研究结果
力状态和动作熟悉程度等因素对结果的影响¨“。
其中。3种高度分别为30、45和60cm；两种下落方2．1冲击力表现式为主动落地反跳和被动着地，每一高度完成3次主动反跳时，被动冲击阶段发生在足与地面碰动作，具体步骤如下11“：撞后约60ms范围内，冲击力的峰值为体重的3倍
(1)主动落地反跳(缩写DJ30、DJ45、DJ60)。左右；被动落地时，当足与地面接触时地面反作用力同步信号开始后，两脚脚尖缓慢由翻板边缘向测力迅速增加，其最大冲击力的发生时间相比主动反跳台下滑，尽量确保无垂直初速下落，着地后迅速尽力更早，即存支持期的前10％一15％阶段，同时峰值可向上垂直跳起(无摆臂)。高达6倍体重以上(见图2)。
(2)被动着地(缩写PL30、PL45、PI．60)。要求受试者身体略微
前倾，防止下落着地后由于重心靠6
后导致整个身体后仰发生倾倒。给与受试者“准
≥
备”I Zl令后，通过人工操作控制翻板突然下翻，使受粤
＆3油茶面
试者完成被动着地。o
1．3．3评价参数
1．3．3．1冲击力特征①冲击力峰值(F。)和出现0 100200300400
时间(t，)；②最大负载率(C：)和出现时间(t。)；③f，m s
冲击频率(^。，)：把被动冲击看作一次冲击输入图2神c I n下落时主动反跳和被动着地的垂直地面反作用力一时(shock input)，其信号可以通过加速度的半个正弦间曲线对照图
Ve rt ic al reac tio n for ce s(G R Fv)-t i me C U w e e
波表示¨“：Fig．2 gr ou nd dunn g
the drop jump(D J)an d passive landin g(PL)f rom砷cm height 一————j————一，1、
JCRF一2(F：／G)¨7
式中：只代表冲击力峰值，G。代表20％一80％冲2．1．1冲击力峰值特征由图3、4可知，在主动反击阶段的平均负载率。跳过程中，篮球鞋组相比控制组并没有对冲击力振1．3．3．2肌肉活化特征均方根振幅(r o o t m e a n幅特征产生影响，冲击峰值即t 随着高度的增加square，RMS)：对经过带通滤波和全波整流后的原而增加；但在被动落地过程中，同一高度下落时穿着始肌电信号进行标准化¨“。选取触地前后各50m s篮球鞋能够显著减小冲击力峰值，同时增加到达峰内标准化后的E MG振幅值，分别定义为：预激活值的时间(P<0．05)。
医用生物力学第”卷第3期2012年6月黑沙装机大师
No．3，Jun．2012
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图3不同高度和落地方式下篮球鞋对冲击力峰值(，。。)的影响图5不同高度和落地方式下篮球鞋对最大负载率(＆)的影
响Fig 3 E ffe cts of baske tball shoe s o n pe a k impa ct(F z m“)d ur i n g Fig．5Ef fec ts of b asketba ll sh oes o n p ea k lo adin g
ra t e(Gz)DJ a nd PL from di ff er e nt heig ht during D J an d PL from di ff er en t hei ght
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团队价值观
PL
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图6不同高度和落地方式下篮球鞋对负载率峰值出现时间Hcigh t／c m
【f。，)的影响图4不同高度和落地方式下篮球鞋对冲击力峰值
出现时间(t，)的Fig．6 Eff ects of basket ball s hoe s o n t he time t o pe a k loading 影响rat e(tG)du ri ng DJ and PL from d if fe re n t heig ht
Fig．4 Ef fect s of ba sketba ll s hoe s o n th e time to pea k impact
fo rc e(tF)d ur in g DJ a nd PL from di f fe re nt hei ght
图3、4中：’P<0．05，其中向右凸出的括号代表3个高
一◆●
度下PL时组间均有显著性差异，向左凸出的括号则代表仅7‘寸矗膏
在这一高度下PL时组间有显著性差异，下同．I}咖∞‰∞
一一L1^
▲——一一—』}
；●
I 一一。’。
2．1．2负载率特征由图5、6可知。负载率特征与嘉的五行属性
L．．．．．．．．．．．．【．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．J．．．．．．J
冲击力峰值的结果表现类似：在主动反跳过程中，篮3I)456fJ
Heigh t／c m
球鞋并没有对最大负载率(G：)及出现时间(t。；)产
生显著影响；但在被动着地时，无论是从30、45还是圈7不同高度和落地方式下篮球鞋对冲击频率(^R F)的影响
60cm下落，穿着篮球鞋的G，明显小于无缓冲的对Fig．7 E ffe cts of b aske tbal l sho es o n in pu t fr eq ue nc y(f GR F)
照鞋(P<0．05)，且到达峰值的时间也更长。during D J an d PL from d if fe re n t heig ht 2．1．3冲击频率(．尼。，)在被动着地过程中，穿着
篮球鞋的输入频率在45和60c m高度下显著小于2．2肌肉活化特征
对照组(P45<0．05，P。<0．01)；同时，与对照鞋相2．2．1预激活EMGRMs(一50ms，pre—activation) 比，高度的改变(30～45c m)对于冲击力频率的影60cln主动反跳时，穿着篮球鞋的腓肠肌(LG)预激响，篮球鞋相对更小。相反，在主动反跳时，两款鞋活EMG邮显著小于控制组(P<0．05)，其余条件的表现接近(见图7)。下，无论是高度还是落地方式，篮球鞋对于下肢各肌
傅维杰．等．篮球鞋对主动与被动落地时冲击力特征和肌肉活化的影响
F U Wei．jie，et aL Infl uenc e of bas ketb all s hoes o n impact fo rce an d
mu sc le ac tiv at ion duri ng act ive and passive la nding
群(胫骨前肌TA、股直肌RF和股二头肌BF)的预活程度产生了影响(见图9)，具体表现为：3种高度激活程度均未产生明显影响(见图8)。下Bball组的胫骨前肌后激活、45和60cm高度下 2．2．2后激活E MG RM s(+50ms,，post—activation)B b a l l组的腓肠肌(L G)和股后肌群(B F)后激活以在主动反跳时，穿着篮球鞋(Bba ll组)并没有显著影及60ca下落时股直肌(RF)的后激活，均显著小于响下肢主要肌群的后激活；但被动着地时，却对后激控制组(P<0．05)。
薹
矍。
篓重量
曩。
窭蕤
羹·氐
嚣Heigh t／c m
图8不同高度下落时篮球鞋对预激活阶段小腿和大腿主动肌和拮抗肌肌群肌电振幅的影响(a)胫骨前肌．(b)腓肠肌外侧头．(c)股直肌，(d)股二又肌
陵怎么组词Fig．8 Eff ects of basket ball s hoe s o n m u s c l e pre·activationinlowerlimb dur ing DJ and PLfr om d if fe r en t height(a)T A，(b)L G，(c) RF，(d)BF
4o
J
3 量垂
2
1蓁耋
O^
基J／罂蜷母妄罨柱啦翟掌磐嚣
图9不同高度下落时篮球鞋对后激活阶段小腿和大腿主动肌和拮抗肌肌群肌电振幅的影响(a)胫骨前肌，(b)腓肠肌外侧头，(c)股直肌，(d)股二头肌
Fig9Eff ect s of baske tball s hoe s o n mu s cl e po st-ac tiv ati on in l ow e r l imb duri ng DJ and PL from d if f er en t height(a)TA，(b)LG，(c) RF，(d)BF
个主动落地受冲击的过程中所起到的明显作用，这
3分析与讨论
一结果支持一些运动鞋生物力学专家长期的跟踪研3．1运动鞋与冲击力究：鞋中底硬度的变化并不会显著改变冲击力的峰3．1．1 时域特征在主动反跳过程中，篮球鞋的介值，峰值主要受下肢有效质量和速度的影响Ⅲ。，即：
入并没有显著改变冲击力峰值和负载率特征。早在【t(t)=M鲋(一口f翻+gr) (3)
川
20世纪70、80年代，就有研究显示相比市场上的普
式中：肘。。为有效质量，与下肢几何位置(如各关节通鞋，具备缓冲功能的运动鞋并没有使相同着地速角度)和下肢刚度相关¨8|，口妇为触地瞬间足的垂直
度下跟一趾跑(heel．toe running)时的冲击力峰值发
速度，g为重力加速度，?1为冲击力持续的时间。生
明显改变。埔]。正如本实验中所采用的主动落地与此相反，在被动着地时，相比对照鞋，篮球鞋
反跳方式这一需要人体自身进行运动控制的动作：均显著减小各参数(冲击力和负载量)的峰值，同时机体经过了一个从获得信号控制下落，再到全力起增大峰值的出现时间。这一结果与Boyer等¨引
的跳的过程，而并没有发现篮球鞋作为介入因素在整研究部分相同：他们在观察运动员以(4．8±O．2)m ／s
