着陆冲击力特征

6.3.2.1 冲击力参数定义

经体重标准化后的冲击力峰值（Fz，max）和鞋跟加速度最大振幅（aheel）；

冲击力频率：利用冲击力峰值（Fz，max）结合20%～80%冲击阶段的平均负载率（Gz，ave）计算确定输入频率：

鞋跟加速度频率范围（主频fshoe）：选取受冲击后的合加速度数据，共约300个数据点，用50Hz的低通滤波器进行滤波，并对数据进行补零，为了在扩大频率增益的同时，尽量减小对数据准确性的影响，补零后的数据长度采用512个点，频率增益为Δf＝2.344Hz，为采样率和数据长度的函数。通过汉宁窗功能和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT），把加速度信号从时域转换为频域，并得到功率谱，其中在频率带5～30Hz内的功率峰值所对应的频率即定义为鞋跟加速度的主频fshoe。

6.3.2.2 测试和分析结果

利用重复测量的双因素方差分析，观察运动鞋×高度（2×3）对于冲击力信号的影响，并采用Tukeypost-hoc检验进行事后两两比较，显著性水平设为P＜0.05。

主动着陆反跳和被动着陆过程中的最大冲击，包括冲击力峰值（Fz，max）和鞋跟加速度峰值（aheel），均出现在触地期的前20%阶段，同时，主动着陆反跳时无论是Fz还是aheel，两款鞋的曲线形态相似；然而被动着陆时，穿着强缓冲鞋（HS）的垂直地面反作用力和鞋跟加速度，相比对照鞋（CS）却呈集体下降。具体表现为：在主动着陆反跳过程中，HS组相比CS组并没有对冲击力峰值和鞋跟加速度峰值产生影响，Fz，max和aheel主要受着陆高度的影响（P＜0.05），即Fz，max随着高度的增加而逐渐增大；但在被动着陆过程中，无论是30cm、45cm还是60cm下落，穿着强缓冲鞋均能够显著减小冲击力和鞋跟加速度峰值（表6-5）。

表6-5 主、被动着陆时运动鞋对冲击力峰值（Fz，max）和鞋跟加速度峰值（aheel）的影响

HS：强缓冲鞋；CS：对照鞋；*：同一下落方式和高度下，与CS组相比，P＜0.05。

由图6-15可知，在被动着陆过程中，穿着强缓冲鞋的冲击力频率小于对照鞋的频率，并在45cm和60cm时出现了显著性差异（P45＜0.05；P60＜0.01）；同时，与CS组相比，高度的改变（30～45cm）对于冲击力频率的影响，HS组相对更小。相反，在主动着陆反跳过程中两款鞋的表现接近，并没有出现差异。

图6-15 穿着不同运动鞋在60cm下落时垂直地面反作用力时间

（HS：强缓冲鞋；CS：对照鞋）

如图6-16所示，由鞋跟加速度获得的主频与冲击力的输入频率结果类似。主动着陆反跳过程中，强缓冲鞋和对照鞋的表现接近，没有出现差异，同时高度因素也未产生影响；但被动着陆过程中，穿着HS鞋的加速度主频却在45cm和60cm高度下均显著低于对照组（P＜0.05）。

6.3.2.3 运动鞋对冲击力的影响

针对运动鞋的缓冲避震，大多数研究集中于慢跑，而对于不同高度着陆冲击过程中的运动鞋减震作用，却仍没有被系统地理解。因此，本研究通过采用两种冲击负荷较大的着陆方式——主动着陆反跳和被动着陆，来探讨运动鞋作为干预条件对冲击力特征的影响。同时，鉴于整个实验中已确保各条件下触地过程中两款鞋的膝关节最大屈曲角度一致，用以排除人体下肢的主动屈膝给冲击力和软组织振动所带来的影响。

图6-16 穿着不同运动鞋在60cm着陆时鞋跟加速度时间曲线图

（HS：强缓冲鞋；CS：对照鞋）

在主动着陆冲击阶段，运动鞋并没有显著改变冲击力和鞋跟加速度的峰值。从动作控制角度出发，主动着陆反跳属于被中枢神经预先设定同时需要人体肌骨系统进行运动调控的动作，相应肌群在下肢着陆前保持适当的预激活，从而完成触地后的迅速反跳。因此，从本研究的结果来看，运动鞋作为介入因素没有在整个主动着陆受冲击的过程中起到明显作用，这支持大部分有关运动鞋和冲击力关系的研究，即鞋缓冲能力的改变并不会显著影响冲击峰值，峰值主要随下肢的有效质量和触地速度的增加而变大。

同样，针对冲击力输入频率和鞋跟加速度主频，在主动着陆时两款鞋并没有出现显著差异。已有研究发现，下落于较软表面的输入频率与较硬表面的相比没有明显差别，并认为其产生的部分原因是人体对冲击做出的必要调节和响应。更重要的是，由于神经肌肉系统在主动运动过程中所采用的控制策略[12]，可以适时活化相应肌群、调整下肢刚度和着陆位置，从而在很大程度上抵消了鞋缓冲材料本身所带来的避震效果[4]。

相反，不同高度被动下落冲击过程中，穿着强缓冲鞋能够在降低冲击力和鞋跟加速度峰值的同时，显著减小包括冲击频率和鞋跟加速度主频在内的输入频率。该发现提示，相比对照鞋，强缓冲鞋确实能够对未完全预知着陆状态下所受的冲击起到更为明显地缓冲作用。这一结果支持Lafortune等人[32]的研究：在人体钟摆实验模拟下肢冲击的实验中，与裸足和硬底鞋比较，具有软EVA泡沫的运动鞋能够减小足部与墙面的冲击峰值和最大负载率。Potthast等人[33]进一步发现，人体下肢所受的冲击力不仅与运动表面的软硬程度相关，同时还与所对应肌肉的活化程度相联系：当腓肠肌和股内侧肌的活化水平较低时（30%MVC），足部与软表面之间所产生的冲击力以及相应的胫、股骨加速度峰值，相比硬表面显著下降，然而随着肌群活化水平的提高，不同软硬度表面对于冲击力时频特征的影响作用反而不明显。

由此可见，与主动着陆反跳不同，被动着陆过程中人体并没有完全预知整个着陆状态，从而无法为着陆姿态的控制和随后所承受的冲击负荷做准备。而这种突然的下肢动作的改变，正是因为缺少神经 肌肉系统对着陆策略的及时反馈以及相应肌群的适时激活，从而排除或部分排除了人体自身作为活性机体针对冲击力效果进行的一系列适应策略，并最终促使运动鞋/表面的缓冲避震作用更加凸显，有助于预防在突然着陆等未预知情况下的潜在冲击伤害。