吕美莲1，2（ 1.黎明职业大学，福建 泉州 362000；2.三六一度（中国）有限公司，福建 泉州 362200）

摘 要：探讨了跑鞋弯曲刚度的变化对跖趾关节和踝关节的生物力学影响。研究表明，增加跑鞋的弯曲刚度会限制跖趾关节的自然弯曲，改变力矩和功率的分配，影响推进效率。在踝关节处，不同跑者对鞋底刚度的反应各异，部分跑者能够维持正常的踝关节角度，提升跑步经济性。本研究为跑鞋设计及个性化选择提供了理论支持，强调了跑鞋弯曲刚度对个体生物力学特性的复杂影响。

Abstract：The study explores the biomechanical impact of changes in running shoe bending stiffness on the metatarsophalangeal (MTP) joint and ankle joint. The findings indicate that increasing the bending stiffness of running shoes restricts the natural flexion of the MTP joint, alters the distribution of torque and power, and affects propulsion efficiency. At the ankle joint, runners responded differently to changes in sole stiffness, with some able to maintain normal ankle joint angles and improve running economy. This paper provides the theoretical support for running shoe design and personalized selection, highlighting the complex influence of shoe bending stiffness on individual biomechanical characteristics.
Keywords: running shoes; bending stiffness; metatarsophalangeal joint; ankle joint; biomechanics

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作者简介：吕美莲（1995-），女，陕西白河，黎明职业大学，助教，硕士，研究方向为鞋类生物力学，1061968074@qq.com

基金项目：福建省教育厅中青年项目（项目编号：JAT220711）；黎明职业大学“服饰品数字化设计技术与产品功能研发”科研团队建设项目（项目编号：LMTD201903）；黎明职业大学“鞋服产品结构创新与功能研发协同创新中心”科研平台项目（项目编号：LMPT202106）；泉州市高层次人才创新创业项目（项目编号：2022C012QR）；黎明职业大学2021年规划项目（项目编号：LT202105）

引 言

近年来，市场上出现了大量全掌碳板跑鞋的款式，各大运动品牌纷纷推出不同型号的碳板跑鞋，成为跑步爱好者和专业运动员的热门选择。例如，Nike Vaporfly系列、Adidas Adizero Pro系列、New Balance FuelCell RC Elite、Asics Metaspeed Sky、乔丹飞影、361°飞燃等鞋款都采用了全掌碳板设计。这些鞋款不仅种类丰富，且热度持续上升，频繁出现在各类路跑赛事中，成为长跑运动员提升成绩的利器。

碳板跑鞋之所以备受关注，主要是因为其能够显著提升跑者的运动表现。已有研究表明，碳板跑鞋能够改善跑步经济性，并帮助跑者提高比赛成绩。Hoogkamer等人[1]研究探讨了Vaporfly 4%跑鞋在提升跑步经济性方面的效果，表明穿着这些跑鞋的跑者可以在跑步经济性上改善约4%，尤其在长距离跑步如马拉松中表现尤为明显。这种提升主要得益于碳板在跑步过程中提供的推进力，帮助跑者减少能量损耗，从而以更少的努力跑得更快。

碳板嵌入跑鞋后，显著增加了鞋子的弯曲刚度，碳板的应用使得跑鞋在步态周期中保持较强的刚性，减少了足部的过度弯曲。跑鞋弯曲刚度增加，会改变跑者运动时地面作用力峰值与负载率，影响鞋的缓冲性能，同时也会引起脚着地时下肢关节的生物力学特征的变化[2]。本文研究目的在于探讨跑鞋弯曲刚度的变化，如何影响普通跑者的足踝关节生物力学特性。

1弯曲刚度的定义与测量

1.1 鞋底弯曲刚度的定义

鞋底的弯曲刚度是指鞋底在纵向方向上抵抗弯曲变形的能力。具体而言，弯曲刚度决定了跑鞋在跑步过程中鞋底如何随着跑者的足部弯曲以及鞋底对这种弯曲运动产生多大程度的阻力。跑鞋的弯曲刚度主要受到鞋底材料（如硬度）、结构设计（如鞋底凹槽）以及嵌入的硬质支撑材料（如碳纤维板）的影响。

1.2 鞋底弯曲刚度的测量方法

鞋底弯曲刚度的测量通常在实验室条件下进行，主要目的是量化跑鞋抵抗纵向弯曲的能力。常见测量跑鞋弯曲刚度的方法是三点弯曲测试、国家标准GB/T 32023、弯折刚度测试仪、拉力测试，测试结果采用产生弯曲力值与鞋底形变幅度比值。但这些测试方法普遍存在无法完全模拟真实穿着条件的局限性，无法全面反映鞋子在实际使用中的弯曲行为，特别是在弯曲角度、速度、频率以及负载条件方面[3]。

2跑鞋弯曲刚度与跖趾关节生物力学

2.1 跖趾关节弯曲角度

增加跑鞋的弯曲刚度，尤其是在前掌区域嵌入碳纤维板或其他硬质材料，限制了跖趾关节的自然弯曲，进而影响跑步时的推进效率。研究表明，高弯曲刚度的鞋底会干扰跖趾关节的背屈运动，减少跖趾关节的屈曲角度，使得步态推进阶段脚趾无法正常弯曲，进而降低踝关节力矩向地面的有效传递[4]。这种情况下，跑者为了维持相同的运动速度，需要通过延长蹬地时间来弥补推进力的不足。当MTP关节的自然屈曲受到鞋子弹性的干扰时，MTP关节的齿轮功能发生变化，并导致补偿性运动控制。该研究揭示了角冲量的补偿性变化以及在临界刚度下跑步经济性的局部最小值。结果表明，只要不干扰关节的自然屈曲，增加的鞋垫弹性有助于跑步时的推进力。

2.2 跖趾关节力矩

跑鞋的弯曲刚度直接影响跖趾关节的力矩变化，在高弯曲刚度的鞋底条件下，鞋子会限制跖趾关节的背屈角度，导致压力中心前移，地面反作用力相对于跖趾关节的力臂增大，从而增加跖屈力矩[5]。相比之下，弯曲刚度较小的跑鞋更易弯曲，导致跖趾关节在蹬地阶段背屈角度和角速度较大，力矩的变化与鞋底刚度的差异直接相关。

2.3 跖趾关节功率

弯曲刚度对跖趾关节的机械功有显著影响，增加弯曲刚度会导致下肢关节功的重新分配，特别是在跖趾关节进行的正功显著增加，而膝关节正功则减少。此外，弯曲刚度较大的鞋子使跖趾关节的负功减少，这是因为鞋子限制了跖趾关节的背屈运动[6]。随着跖屈力矩的增大以及跖趾关节跖屈开始时间的提前，正功率增大，导致跖趾关节的正功显著增加，而踝关节和髋关节的功率则没有显著变化。

3跑鞋弯曲刚度与踝关节生物力学

3.1 踝关节运动学

跑鞋弯曲刚度的增加会对踝关节的运动模式产生显著影响，Ryan等人[7]依据弯曲刚度对跑步经济性的影响，将穿着碳板跑鞋时跑步经济性提升至少0.5%的运动员定为响应者，反之则为未响应者，其中未响应者踝关节跖屈角度有所增加，而响应者则保持了较为稳定的踝关节角度。这表明某些跑者在穿着高刚度鞋子时，能够维持正常的踝关节角度，成功应对前掌弯曲刚度的增加，而另一些跑者则未能保持这一能力。未响应者的踝关节跖屈角度增大可能会导致踝关节产生的力矩减少，进而影响推进效率。这种差异可能与跑者的肌肉骨骼特性有关，例如跖屈肌群（如腓肠肌）的力量和功能。尽管研究中未发现响应者和未响应者之间的体重差异，但增加的踝关节跖屈角度仍可能对未响应者的运动表现产生负面影响。

此外，另一项研究发现屈曲刚度较大的跑鞋会降低踝关节的峰值跖屈角速度，而背屈角速度增加[8]。对于响应者，较低的跖屈角速度表明更经济的肌肉收缩模式，这与其较好的跑步经济性一致。而对于未响应者，增加刚度的鞋子并未显著改变踝关节的跖屈角速度，说明其肌肉收缩效率未因鞋子的刚度变化而有所改善[7]。

3.2 踝关节动力学

跑鞋的屈曲刚度还会影响踝关节的动力学特性，尽管理论上增加跑鞋刚度会提高脚踝关节在跑步时的力矩，但实际研究结果表明不同跑者之间存在显著的差异[9]。有研究表明，前掌弯曲刚度的增加会提升跑者的脚踝关节力矩，尤其是在中等刚度和高刚度的鞋子中，推地阶段踝关节的力矩增加[10]。然而，也有研究发现，平均踝关节力矩在不同刚度的鞋子之间差异不大，尤其是在最刚硬和最柔软的鞋子之间[11]。

此外，增加跑鞋弯曲刚度还与踝关节的力臂变化相关[12]。跑步时，地面反作用力的力臂随鞋子的刚度增加而向前移动，从而增加了脚踝关节的力臂比率。然而，尽管力臂增大，有些跑者并未显著增加踝关节力矩，而是通过延长蹬地时间来补偿推进力的不足。这种不同的运动策略表明，部分跑者可能更依赖踝关节的力量输出，而另一些跑者则通过调整运动方式，减少踝关节的负荷。运动者似乎采用了类似的策略，即在跑步过程中保持踝关节力矩，同时增加脚触地支撑时间。穿着较硬的鞋子时，背屈角速度的增加会导致踝关节峰值负功率的增加，从而导致踝关节吸收的能量增加[11]。

4总结

鞋底弯曲刚度的增加能够限制跖趾关节的弯曲角度，影响关节的力矩和功率分布。高刚度鞋底减少了跖趾关节的背屈运动，导致推进力的重新分配，从而增加跖屈力矩和正功输出。然而，这种影响具有个体差异，不同跑者在穿着高刚度鞋子时的反应不同。在踝关节层面，部分跑者能够保持正常的踝关节角度和推进效率，提升跑步经济性，而另一些跑者则可能通过增加跖屈角度来补偿推进力的不足。研究表明跑鞋弯曲刚度的提升，尤其是碳板的应用，对于提高运动表现有重要意义，但其生物力学影响复杂多样，需根据个人特性进行选择与调整。

参考文献

[1]Hoogkamer W, Kipp S, Frank J H, et al. A comparison of the energetic cost of running in marathon racing shoes[J].Sports Medicine,2018,48(4):1009—1019.

[2]任祥钰.慢跑鞋弯曲刚度对业余跑者慢跑时下肢生物力学特征影响研究[J].中国皮革,2023,52(12):77—81.

[3]吕美莲,周涛,刘昭霞,等.鞋类弯折刚度评估的机械测试方法比较分析[J].北京皮革,2024,49(05):58—62.

[4]Oh K, Park S.The bending stiffness of shoes is beneficial to running energetics if it does not disturb the natural MTP joint flexion[J].Journal of biomechanics,2017,53:127—-135.

[5]李秋捷,万祥林,刘卉,等.慢跑鞋前掌屈曲刚度对男性跑者的跑步经济性及下肢关节功的影响[J].成都体育学院学报,2022,48(06):101—106.

[6]Cigoja S, Firminger C R, Asmussen M J, et al. Does increased midsole bending stiffness of sport shoes redistribute lower limb joint work during running?[J].Journal of Science and Medicine in Sport,2019,22(11):1272—1277.

[7]Madden R, Sakaguchi M, Tomaras E K, et al. Forefoot bending stiffness, running economy and kinematics during overground running[J].Footwear Science,2016,8(2):91—98.

[8]Durante G, Clermont C, Barrons Z, et al. The influence of longitudinal bending stiffness on running economy and biomechanics in male and female runners[J]. Footwear Science, 2024: 1—7.

[9]Madden R, Sakaguchi M, Tomaras E K, et al. Forefoot bending stiffness, running economy and kinematics during overground running[J]. Footwear Science, 2016, 8(2): 91—98.

[10]Roy J P R, Stefanyshyn D J. Shoe midsole longitudinal bending stiffness and running economy, joint energy, and EMG[J]. Medicine & Science in Sports & Exercise, 2006, 38(3): 562—569.

[11]Beck O N, Golyski P R, Sawicki G S. Adding carbon fiber to shoe soles may not improve running economy: a muscle-level explanation[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1): 17154.

[12]Willwacher S, König M, Braunstein B, et al. The gearing function of running shoe longitudinal bending stiffness[J]. Gait & posture, 2014, 40(3): 386—390.biomechanics,2017,53:127—-135.