逢友实验案例丨运动鞋鞋底形变与足弓下陷测试

足弓,是由足部骨骼、肌肉、韧带和筋膜等多种结构共同构成的拱形结构。这样的结构对人体有诸多好处,例如,它能保护足底的血管和神经免受压迫,减少疲劳,并且使足部更好地适应地面。对于运动来说,足弓的最大好处在于其拱形带来的弹性,在着地阶段,足弓受压变形(即足弓降低),从而实现缓冲和吸能;在支撑阶段,足弓迅速恢复原有形状,并释放一定的弹性势能。足弓就像是人体的天然避震器,比任何跑鞋的避震设计都更为有效。

从整体来看,足在着地时会发生外翻现象,无论是脚跟着地,还是前脚掌着地,通常都是脚的外侧先接触地面,随后足向内翻转,这一过程称为足外翻。合理适度的足外翻是正常现象,是吸能缓冲的重要细节动作。我们的祖先在赤足奔跑时,主要依靠适度的足外翻和强大的肌肉能力来缓冲地面的冲击力。在这一过程中,足外翻自然伴随内侧纵弓的下降,进一步实现缓冲吸能的功能。

然而,足弓的高度过高或过低,都可能导致跑步过程中足外翻的异常。足弓过高可能导致过度足外翻,使内侧纵弓过度下降,引发内侧足部和膝盖的过度应力;而足弓过低则可能导致足外翻不足,无法有效吸收冲击力,增加足部和下肢的损伤风险。这些异常受力情况都会显著增加运动损伤的风险。因此,保持适度的足弓高度和足外翻是预防运动损伤的重要因素。通过理解足弓的结构和功能,我们可以更好地保护足部健康,减少运动损伤,提高运动效率和舒适度,设计出适合不同足弓的运动鞋。

随着跑步运动的普及,跑鞋的设计和性能也在不断进步,以满足跑步者的需求和提升他们的运动体验。

一双运动鞋主要具有三大功能:在着地阶段通过中底缓震材料,减少着地对于人体特别是下肢的冲击;支撑阶段稳定足踝,减少足的过度翻转;蹬伸阶段则继续借助中底材料的回弹性能发挥推进作用,让跑步更省力,而这些功能的实现与鞋底的形变特性密切相关。因此,对受到载荷时鞋底的实际形变测定十分重要。

通过鞋底形变测试,可以量化这些性能指标,确保跑鞋在不同负载条件下的表现符合预期,从而提升跑步者的整体运动体验。鞋底形变测试可以帮助制造商识别并纠正生产中的问题,确保每一批次的产品都符合设计标准,研发人员可以评估不同材料和设计的实际表现,寻找最佳的材料组合和结构设计。

数字图像相关法(DIC-Digital Image Correlation)测量又称数字散斑相关法(DSC-Digital Speckle Correlation)测量,是通过相机拍摄被测物体表面散斑变形过程的照片,对照片进行数字图像处理和相关计算,得到散斑颗粒位置的变化,从而得到位移场和应变场的一种光学测量方法。

通过拍摄鞋底在受力过程中的图像,并对这些图像进行相关性分析,DIC技术可以精确测量鞋底的位移和应变。例如,在模拟跑步冲击的测试中,DIC设备可以记录每一次步伐对鞋底的影响,提供详细的形变数据,帮助研发人员评估鞋底的减震性能和耐用性。传统的形变测量方法通常需要在鞋底上粘贴应变片或其他传感器,这不仅可能影响鞋底的自然形变,还可能带来测量误差。DIC技术不需要接触测试对象,从而避免了外界因素的干扰。

跑鞋在实际使用中承受的是动态负载,如跑步时的周期性冲击力。DIC技术能够记录这些动态过程中的形变,提供真实、详细的动态形变数据。例如,在模拟跳跃测试中,DIC可以捕捉鞋底从起跳到落地整个过程中的形变变化,评估其对冲击力的吸收和缓冲效果,帮助研发人员优化鞋底设计,提高跑鞋的舒适性和安全性。

我们使用DIC设备观测了三种运动鞋在相同载荷下鞋底形变情况、足弓下陷情况。其中扁平足患者在穿三种运动鞋时,一号鞋足弓下陷7.70mm,二号鞋足弓下陷7.42mm,三号鞋足弓下陷6.55mm。表明三号鞋对足弓的支撑性最好,能够有效限制足弓下塌引起的损伤风险。

除此之外,还可以看到,一号鞋前掌最大形变1.81mm,中足最大形变0.52mm,后掌最大形变量0.77mm;二号鞋前掌最大形变1.72mm,中足最大形变0.72mm,后掌最大形变量0.67mm;三号鞋前掌最大形变1.67mm,中足最大形变1.52mm,后掌最大形变量0.50mm。

跑鞋鞋底形变测试对于确保产品的性能、质量和安全性具有重要意义,而DIC设备作为一种先进的测试工具,凭借其高精度、非接触式、全场分析和动态测试的优势,为鞋底形变测试提供了强有力的技术支持。通过应用DIC技术,制造商和研发人员可以更好地了解鞋底的力学性能,优化设计,提高产品的市场竞争力,最终为消费者提供更高品质的跑鞋。