互动科普

从古代奥运会至今，已经走过了几十个世纪，最初参加奥运会比赛的运动员都是赤脚参赛的。到了19世纪，英国的田径教练员们发现，将鞋底同脚掌相对固定、提高其附着性，能使运动员跑得更快，在后来的1868年，第一双运动鞋便在美国诞生了。早期的运动鞋主要供田径运动使用，第二次世界大战后，各国涌现出了一批专门制作运动鞋的企业，各树品牌，在款式、用材和功能上闯出了自己的路子，如德国的阿迪达斯（Adidas）、彪马（Puma），日本的爱世克斯（Asics）以及稍后崛起的美国耐克（Nike）公司等等。经过漫长的岁月之后，如今的运动员已经脚穿超轻材料，外加由精确到毫米的制造技术制成的运动鞋，飞驰在田径场上。不仅如此，随着科学技术的不断发展，在各个不同类型、不同项目的赛场上，不断涌现出各种设计新颖、外观时尚、专项性能突出的运动鞋，并逐渐融入到人们的生活当中。

不同运动项目，不同的运动鞋

不论是在竞技比赛还是平时的体育休闲运动中，足部是人体直接或间接与外界接触的人体部位，足部的健康至关重要，对足部的保护便受到了人们越来越多的关注。而运动鞋作为保护足部最为重要的“装备武器”，就必须在最大程度上发挥效能。因此，由于不同运动项目的专项特点不同，就必须有针对性地对运动鞋进行设计，从而就出现了结构不同、功能不一的运动鞋。

在体育运动成为时尚，越来越受重视的今天，运动鞋的穿着率也越来越高，同时运动鞋的分类也就十分精细。根据运动项目及足底压力分布情况的不同，运动鞋的设计都有相应的侧重，我们常见的运动鞋有：篮球鞋，鞋底一般是水波纹或人字纹，鞋面采用薄皮革，外形上多采用中高帮造型，保护脚踝，防止受伤。由于篮球运动员在弹跳时产生的撞击力相当于运动员的10倍体重，同时，侧步滑动时，在脚侧的冲击力相当于运动员体重的2～3倍。所以，设计时要求篮球鞋的减震能力要强。另外，由于篮球运动对抗激烈且运动幅度大，对鞋的抗磨抗压及抗扭能力要求较大，故必须提高鞋的耐穿性。

网球鞋，鞋底一般是粗水波纹底，因网球场多为硬场地，比起篮球场地面粗糙，所以耐磨的鞋底很重要，多为橡胶底。设计时多为矮帮造型，也有翻胶，前脚掌相对比较宽。网球鞋后鞋跟底一般向内收进一个小小斜度，因运动员会经常后退，鞋后跟削进一点，可以调节重心，保持身体稳定。

跑步鞋，从外形上看，鞋尖和鞋跟都有一点翘，像个小船，以提高蹬伸效果。鞋面材料50%采用尼龙，增加透气性，前掌宽大，给予足够空间让脚趾伸展，鞋头都有一点翻胶。由于运动员跑步时产生的冲力，相当于运动员体重的2～3倍，所以跑步鞋多采用加厚减震设计，尤其是马拉松慢跑鞋的减震性能及透气性必须保证，以满足长时间运动中足部的舒适感。

足球鞋，一般要显得灵巧许多，鞋身比较瘦，比较合脚，增加脚感，有利于提高传射球的质量。鞋底有压模鞋钉和可转换鞋钉，可以提供良好的抓地能力，鞋头及鞋面车线明显，以防止变形，提高耐穿性能。

诸如以上运动鞋分类，其他运动鞋也是在遵循运动项目特点的基础上，对运动鞋进行设计，以满足运动员对运动项目的适应，最大限度地发挥运动鞋的功能。

哪些功能是不可或缺的？

每一双运动鞋不管外观如何，都必须具备最基本的功能，否则就失去了保护足部的本质意义。按照运动专家们的分析，人每跑出一步，着地脚将承受2～3倍体重的重量，因为在慢跑过程中，足部的着地顺序一般是：足跟-足弓-足前掌-脚趾，而着地时足部将要承受人体自由落体后的冲力，再加上足部离地时的蹬伸力，总体冲力远远大于人体体重，这足以达到2～3倍体重，而落地以及离地过程中大部分时间都是足底的部分区域承受总体压力（见下图），故产生的压强远远超过人体站立时的压强，这就对运动鞋的功能提出了很高的要求。

在较早的时候，专家们就提出高科技运动鞋必须具备的几个基本条件：首先是极佳的减震功能。运动学研究专家认为，运动鞋减震功能很重要，因为人以中等速度跑步时，足部每次着地时要承受相当于人体重2.5倍的冲击力，跑得越快，冲击力越大，这一冲击力随着骨骼传递到人体各部分，日积月累会造成肌肉疼痛、胫骨断裂、膝盖磨损等伤病。而运动鞋通过柔软的鞋底和各种高科技防震手段，可以把冲击力带来的伤害减少到原来的2/3，起到保护人体的作用；其次是能量回输功能，能释放吸震时储蓄的能量，使运动员感到轻松省力，这是因为鞋底材料好比弹簧一样，当脚底在离地时，鞋底材料由于压缩后反弹可以起到助力作用，从而达到省力的目的，减少人体能量消耗；最后是强附着力，这主要是提高运动鞋与整体足部的吻合度，增大运动过程中脚底与运动鞋之间的摩擦，防止运动中足部的滑动，同时也为了保证鞋能更好地稳固足踝部，让运动员更容易轻松控制，从而避免摔倒，防止运动损伤。除此之外，随着人们对运动鞋的要求越来越高，运动鞋的运动生理卫生功能也逐步增强，制鞋者通过对材料的挑选增加了鞋的透气性，从而达到除臭除汗的目的，也提高了舒适性；更为重要的一点，就是运动鞋最本质的作用——帮助运动员提高运动成绩，这也是运动鞋诞生的原因之一。当然，在现实生活中，运动鞋的其他功能对于喜欢运动健身的人来说，也是必不可少的。

每个运动员都想拥有一双令自己满意的运动鞋

在奥运精神盛行、竞技体育备受关注的今天，运动鞋的设计不断创新，其最重要的目的之一就是为运动员提供最好的运动装备，就像泳坛中的“鲨鱼皮泳衣”一样，更利于运动员发挥运动能力。那么，怎样的运动鞋才会令运动员满意呢？首先它应该功能全面合理、符合运动项目的专项特点，还应当足够人性化。现如今，越来越多的优秀运动员，尤其是国际知名的运动员如刘翔、姚明等，与知名品牌运动鞋企业的合作越来越频繁，除了商业目的之外，是否还有其他原因呢？当然，这是不容置疑的。由于与知名品牌等运动鞋企业合作，制鞋者可以根据运动员的足部量身定做一双结构与功能完美结合的运动鞋，这不仅可以保证运动员在比赛中足部的舒适性，更重要的是能够为运动员比赛成绩的提高提供更有利的客观条件。

量身定做的运动鞋是根据运动员的足型、足底压力分布情况及体重情况而专门制作的个性化运动鞋——通过专门选择合适的鞋底材料，精细化、准确化地确定运动鞋各个部位的尺寸大小，以更好地起到减震、助力、能量回输、舒适等作用，这就保证了定制运动鞋各方面的性能都优于非定制运动鞋，从而在体育比赛中占有优势。

有研究表明，普通人群穿运动鞋进行百米跑时的成绩比赤足能提高0.4～0.8秒，更何况是运动员穿上科技含量高的运动鞋呢！另外还有研究证明，在跑步时，相同的重量加在足部比加在躯干上会引起人体更多的能量消耗。鞋每增加0.1千克的重量，人体就会多消耗约1%的能量。因此，穿一双轻便减震的跑步鞋对长跑运动员来说是非常重要的。对于其他项目来说，运动鞋也能够普遍提高运动成绩，增强运动能力，因此，拥有一双满意的运动鞋是每个运动员的梦想。

运动鞋对健康有害吗？

运动鞋作为保护人体足部最可靠、最重要的工具，人们却对它存在着种种误解。有人认为，运动鞋不但不能保证人体重心平均分布在全脚掌，而且还不能使身体的肌肉、韧带、骨骼和脊柱保持正常的位置和工作状态；更有甚者认为，长期穿着运动鞋，对于处在发育阶段的青少年而言，不但无益，而且十分有害等等。运动鞋为人类造福了将近150年，虽然仍有改进的空间，但并非有害。

运动鞋主要提供给人们的是缓冲保护和舒适功能。当我们赤脚站立的时候，由于受到地面的反作用力，会刺激足部神经、肌肉，长时间的受力，这将会压迫神经，对足部造成不可避免的损伤，产生足部疼痛、出茧等现象，尤其是扁平足的人，长时间的走路或站立，受到的损伤比正常人更大；而当我们穿上运动鞋后，由于运动鞋的缓冲保护特性，可以减轻足部压力，并可通过鞋垫的选择，调整足部的压力分布，分散足部压力。更重要的是，人在运动过程中，运动鞋可以防止足踝由于过度翻转受力而引起的损伤，起到保护足踝的目的。现如今，市场上出现了许多个性化的鞋垫产品，有低、高足弓鞋垫之分，专门减轻足部压力并保持穿鞋者的足部稳定性，为扁平足患者而设计。运动鞋在减轻压力的同时，还可以通过鞋帮设计防止足部的过度翻转，保护足部韧带，防止运动中的崴脚、扭伤等损伤，从而保证足部各结构的正常工作。处于发育期的青少年，如果经常赤脚，足部将会受到长时间的挤压，对于足部的发育将产生不利的影响。而运动鞋则可以减轻压力刺激，保护足部，增强舒适性，为青少年的发育提供舒适的环境，是人们出行、户外运动时的最佳选择。

尚未攻克的难题

在运动专家及制鞋者们的不懈努力下，越来越多新颖的运动鞋被设计出来，各种各样的运动鞋都渗透着强大的科技力量。通过对鞋底材料及鞋垫的设计，提高运动鞋的性能。举个例子，跑步鞋的大底（接触地面的那一层，材料一般是采用橡胶）有较深的沟槽，这些沟槽可以使足部更自然地随鞋底受力而扭转、移动和抓地，良好的前掌柔韧性有利于增大前掌与地面的接触面积，使压力分布在一个更大的区域，并有利于提高足弓的运动功能。另外，运动鞋真正意义上实现了能量回归是直到两个专利的出现才有了实质性的突破。第一个专利是能量管理运动（EMA，energy management athletics），它解决了结构上的问题；第二个专利是弹跳力（PB，power bounce），它采用了特殊材料。

EMA的设计理念，是基于鞋中底（介于内底和大底之间，柔软轻便，材料的选择范围也更广泛）前、后掌位置的两个弹性悬空设计，因为悬空，可以实现较大形变，进而在鞋底形变时储存大量能量。这一设计的能量回归功效已经通过运动中的耗氧量测试得到间接验证。

PB的设计理念是通过鞋底材料的改进实现能量回归。该设计的鞋中底材料为EVA膨胀混合物，即乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，EVA由于在分子链中引入了醋酸乙烯单体，从而降低了高结晶度，提高了柔韧性、抗冲击性、填料相溶性和热密封性能，被广泛应用于发泡鞋料等领域。EVA是一种比较常见的中底材料，在缓慢受力过程中，这些材料表现得非常柔软，在快速受力过程中，又体现得非常具有弹性。

运用生物力学的研究成果，是运动鞋科技进步的关键。这些新技术已经运用于制鞋领域。然而，随着生活水平的提高，人们对运动鞋的要求不仅仅要满足于保暖、防滑等基本功能，对运动鞋的舒适性也越来越关注。舒适性能高的运动鞋，逐渐成为了人们追求的新目标。而舒适性包括很多方面，有足型的舒适性、足底压力的舒适性、材料力学的舒适性、温湿度的舒适性以及足背踝围压力的舒适性等等，一双舒适的运动鞋需要将这些方面都综合起来。国内对舒适性的个别方面如温湿度和足背踝围舒适性的研究刚刚开始，国外也还没有相关方面的测试标准及专利，这些将在近几年成为运动鞋研究的热点，甚至是运动鞋长期需要攻克的难题。

我们可以预知，随着新技术的渗透，新的研发成果将在未来展示出来，更多更人性化的运动鞋也将慢慢走进人们的生活中，同样，会有越来越多的设计新理念以及新功能将会被开发。总而言之，运动鞋的发展与完善还需要经历一段艰苦而长期的过程。

（本文发表于《科学世界》2010年第9期）