足球運動腳踝內、外側觸球方式力學特性

卜彥麗,王建民,李佳,常金龍,任武

(1.河南農業大學 體育學院,鄭州 450046;2.新鄉醫學院 醫學工程學院;河南省神經傳感與控制工程技術研究中心;新鄉市智能康復設備工程技術研究中心,河南 新鄉 453003)

2019年教育部在《全國青少年校園足球五年來發展情況及2020年工作部署發布會》中談到,我國已認定的校園足球特色校為27 000多所.2021年教育部認定的全國足球特色幼兒園為2 030所.《全面開啟全國青少年校園足球改革發展新征程》會議強調:校園足球的發展要抓住3～6歲幼兒的運動習慣延伸至幼兒園.這便意味著未來我國參與足球訓練和比賽的人群越來越廣,足球愛好者一生參與足球鍛煉和競賽的時間越來越多.由于足球運動是高對抗、高技巧、高協作的運動,多數學校日常教學、訓練中缺乏專業醫護人員跟蹤,參加足球運動的學生在訓練以及比賽中受傷情況時有發生.因此在足球教學、訓練、比賽中如何保障學生身體健康,避免和減少運動損傷,顯得尤為重要.

本課題組成員通過與268名足球教師和教練員溝通交流,發現賽場和訓練場發生過的傷病主要包括:腳踝扭傷、小腿骨折、肌肉拉傷、痙攣、半月板損傷、跟腱拉傷、鎖骨骨折、眼部視力損傷、腳趾骨折等.課題組分析了眾多傷病類型和程度,發現業余足球練習者傷病發生的一個重要原因是擊球部位不準確.本文擬通過對學生們的受傷機制以及足部受力情況分析,研究不同觸球部位影響足部應力的生物力學特性.

腳踝受傷在足球運動損傷中很常見,有研究者提出,其在所有急性損傷中占11%～25%,ANDERSEN等［1］通過分析比賽的錄像和受傷信息得出,撞擊受傷球員的踝關節受傷概率較大.通過研究腳踝內、外側在觸球時的生物力學特性,便于發現腳踝受傷規律,提前預防損傷發生.不同性別足球練習者其腳踝觸球生物力學會不會存在差異,SAKAMOTO等［2］針對不同男、女足球練習者腳踢球生物力學特點,提出女性練習者用足部齒輪附近去撞擊球時,是提高腳背和內線的球腳速度比的一種有效技術,對預防足部損傷有重要意義.SAKAMOTO等［3］在研究男女足球運動員腳背和側足踢球的動力學中提出,兩者側踢時,髖關節內收、外展力矩方面存在顯著差異.在足球現實運動中,無論用腳踝內側踢球還是腳踝外側踢球,整個踢球技術包含多個階段,每個階段參與運動的各關節的角度,肌群放電幅度強烈程度也不盡相同.為了做到踢擊有效,同時又減少損傷,單純分析腳骨的運動生物力學特點顯然還不夠.于雪梅［4］等分析了不同級別男子足球運動員腳背內、外側踢定位球技術中在蹬伸階段、后擺階段前擺階段的髖、膝、踝、大腿、小腿等不同部位的關節角度,擺動時間、肌肉放電幅度等運動生物力學特性,為全面了解腳內、外側踢球技術的運動規律并合理選擇踢球部位提供數據支持.

現階段關于足部生物力學在足球運動中的研究主要集中在運動員整體協調性和足球運動一些傷病的影響,對于足部不同觸球方式中的骨骼生物力學特性的研究還不足.本文利用正常人足部生物力學模型,研究腳內側和腳外側兩種常見足球觸球方式在模擬足球不同力度的情況下足部受力大小,旨在為校園足球運動員訓練、康復提供參考,為運動醫學、體育學的同行提供數據支持.

1 足部三維模型構建

人體足部主要由26塊骨骼以及韌帶、肌肉、肌腱等組成,具有承重、減振的作用.根據人體足部CT斷層掃描圖,利用Mimics軟件對足部骨骼模型進行三維重建,提取不同組織和部位的幾何形狀,根據骨閾值進行分割生成足部3D模型.為提高有限元分析效率,根據前續操作將足部骨骼STL文件導入Geomagic Studio中,本文采用單層足部骨骼,經網格醫生處理后對模型進一步優化,生成曲面多邊形網格模型,精確曲面后就可以轉化成IGS格式文件.

2 足部有限元模型建立

根據分析需要設置材料屬性、網格、載荷和邊界條件,采用各向同性均勻的材料,骨骼的彈性模量為7 300 MPa,泊松比為0.3,并根據相應的數值設置好骨骼其它參數導入Ansys中.

根據校園足球常見訓練和比賽踢球方式,建立內腳側和外腳背生物力學模型,以人體正常腳面為水平面,在腳踝內外側施加5 N、20 N、80 N、500 N的外部力模擬兩種觸球方式.其中5 N模擬輕微觸球,20 N模擬較短距離傳切和過人力度,80 N模擬搶斷觸球和較遠距離傳球力度,500 N模擬搶斷救險或大力射門力度.

對模型進行單元網格劃分和賦值材料屬性,單元網格邊長設置為2 mm,劃分后的單元數為90 282個,對足部底端進行位移約束,約束方式為固定.

3 足部有限元模型受力結果分析

3.1 腳踝內側受力分析

根據圖1受力區域,設定好外力方向、大小以及其它邊界條件進行有限元計算,分別對腳內側觸球施加外力5 N、 20 N、80 N、500 N進行模擬,得到腳內側足部骨骼的應力和位移云圖如附圖Ⅰ.

從附圖Ⅰ可知,當外力分別為5 N、 20 N、80 N、500 N時,足部骨骼所受壓強的最大值分別為0.34 MPa、1.38 MPa、5.51 MPa、34.45 MPa.最大受力部位在跟骨、骰骨和距骨連接處偏下側,較大受力部位在內側楔骨、中間楔骨和外側楔骨的下側.表明在足球運動中,當練習者用腳內側觸球時,需避免跟骨、骰骨和距骨連接處偏下側區域應力過大,導致發生應力性骨折.同時應確保觸球位置的準確性,減少運動損傷的發生.根據骨骼位移云圖可知,當外力為5 N、20 N、80 N的時候,腳踝內側足部骨骼最大位移值均較小.表明足球運動中的輕微觸球、搶斷觸球、傳切、過人情況下,對腳踝內側骨骼產生的作用較小.當外力為500 N時,腳趾骨位移明顯,最大位移值為1.74 mm.這一現象說明當足球練習者在進行搶斷救險或大力射門時,足部的位移上升較快,此時容易發生運動損傷.

3.2 腳踝外側受力分析

按照預先設定,對腳踝外側分別施加5 N、 20 N、80 N、500 N的外力進行模擬,得到腳踝外側足部骨骼的應力和位移云圖如附圖Ⅱ.

從附圖Ⅱ可知,當外力分別為5 N、 20 N、80 N、500 N時,足部骨骼所受壓強最大值分別為0.35 MPa、1.40 MPa、5.75 MPa、34.85MPa.最大受力部位發生在跟骨、骰骨、距骨連接處的下端.表明用腳外側觸球時,最主要的觸球點是腳的跟骨、骰骨以及距骨連接處的下端區域.由圖顯示其他觸球點為距骨外側,以及內側楔骨、中間楔骨和外側楔骨.根據骨骼位移云圖可知,受力為5 N、20 N、80 N時,腳踝外側足部骨骼最大位移均較小.表明在輕微觸球、搶斷觸球、傳切、過人動作中,用腳外側觸球,對跟骨、骰骨、距骨、楔骨產生的作用較小.當外力為500 N時,腳趾附近骨骼位移明顯,最大位移值為1.36 mm.表明在搶斷救險或大力射門時,外力較大,對腳趾骨骼產生明顯作用,練習者要注意適當避險,防止損傷發生.

4 結 論

結合附圖Ⅰ、附圖Ⅱ數據做橫向比較,發現在外部沖擊力大小相同的情況下,腳踝內側和腳踝外側觸球時的受力情況比較類似,最大受力部位集中在跟骨、骰骨和距骨連接處的下側區域,其它受力部位主要位于內側楔骨、中間楔骨和外側楔骨下側.在500 N外力作用下,無論是腳踝內側觸球,還是腳踝外側觸球,腳趾位移都有了較大上升.因此在搶斷救險或大力射門時,腳骨受到的作用力加大,容易出現受傷.在日常訓練中,應注重培養足球練習者的視覺判斷能力,以便其更早、更精確地捕獲到目標對象運動狀態的重要信息,做出合理的應對措施,在避免受力過大引起腳踝內、外側傷病的情況下選擇合理的觸球動作和觸球部位,成功地完成搶斷和射門動作.對于普通足球運動者要特別注意避免過大沖擊力觸球,特別是要減少腳趾的受力,盡量讓足球的能量最大限度地吸收到跟骨上,習慣使用腳踝內外側進行阻擊和反擊,將足球的受傷概率盡可能降低,合理避險,健康運動.除此之外,練習者也可以通過選擇不同鞋釘的足球鞋,幫助提高自身運動表現,并降低運動損傷.孫冬［5］從運動生物力學角度,分析足-鞋-草坪之間的相互作用,在對不同足球鞋對練習者下肢生物力學影響的研究中,建議業余運動者可選擇長釘FG足球鞋或短釘AG足球鞋.

除足球運動項目以外,劉國立等［6］在分析不同運動等級散打運動員鞭腿技術的運動學特征時,也提出不同運動等級的技術特征差異較為顯著.HE等［7］探討不同等級乒乓球運動員正手上旋回圈時下肢的運動學特征時提出,踝內翻和外翻的差異顯著.因此在日常鍛煉中,對不同運動等級練習者的技術動作展開運動學特征分析,然后有的放矢地采取不同訓練方法和內容,是開展健康、安全的體育鍛煉的有效保障.

綜上,無論是通過意識、體能、技術等訓練,還是借助外在因素輔助,在提高練習者的運動表現的同時,降低運動損傷的發生,借助相關運動生物力學數據的支撐,都可達到知己知彼百戰不殆的效果.

5 展 望

由于人體足部結構復雜,限于研究人員的水平和精力限制,后續研究可在以下方面進行:1)建立足部的骨骼、皮膚、皮膚內的韌帶、軟組織等結構在內的綜合模型.2)可增加腳面觸球、腳尖觸球等方式.3)可進一步細化三維空間多方向、多角度動載荷的研究,模擬急停觸球和變向射門等足球動作.

附 錄

附圖Ⅰ～Ⅱ見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.05.019).