洞窺避震的科技 跑鞋怎麼達到有效避震

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作者:董智尚、陳韋翰、相子元

相信許多朋友都知道跑鞋的避震很重要,但你知道避震指的是什麼嗎?而跑鞋的避震設計又有哪幾種?他們又是如何實現避震效果的呢?本文將用簡單的方式說明什麼是避震以及避震的設計,並用簡單的方式呈現避震是如何達成的。

避震是什麼?

避震,是跑鞋設計中重要元素之一,因為跑步時雙腳需要反覆承受約體重1.5至3倍的衝擊力,長時間累積下來,對下肢的負擔不容小覷。各家運動鞋廠牌無不投入心力在研究如何提升避震功能,從鞋底的緩衝材質、厚度、形狀等角度,尋求最佳的配置,來減少著地的衝擊力。避震的目的是減緩足部接觸地面時,衝擊力上升的速度與幅度。

如下圖所示,穿上有避震功能的鞋子後,可降低力量上升的速度 (藍箭頭的斜度) 與幅度 (藍圈的高度),進而達到避震緩衝的目的;反之,若不能有效延緩衝擊,如赤腳後足著地,則會使力量急劇上升,並承受較大的力量峰值,進而導致傷害發生的風險提高。

圖片來源:修改自Nature, 463(7280), 531-535
圖片來源:修改自Nature, 463(7280), 531-535

跑鞋的避震設計

要達成避震的目的,使鞋底在接觸地面時能吸收衝擊,實際的方法是透過鞋底的「形變」,來延緩撞擊的持續時間並吸收力量,其方法有兩種,材料避震與結構避震。例如當你踩在軟墊時,軟墊會下陷藉此吸收衝擊,使你感覺到避震的效果,這類我們稱為材料避震;而另一種結構避震,則如生活中常見的彈簧或拱橋,透過外部結構的形變來達吸收與緩衝避震。目前市面上跑鞋的避震設計也可分為此兩類。

材料避震-利用材料自身的形變來達到避震的功能。跑鞋中常見的材料避震設計,透過使用發泡材料、EVA、E-TPU等較軟的材料,來吸收撞擊。例如NIKE ZOOM X VAPORFLY NEXT %及ADIDAS ULTRABOOST 20。

NIKE ZOOM X VAPORFLY NEXT %
NIKE ZOOM X VAPORFLY NEXT %
ADIDAS ULTRABOOST 20
ADIDAS ULTRABOOST 20

結構避震-利用外部結構的形變來達到避震的效果。經常利用波浪或拱橋的形狀來到支撐與緩衝的功能。例如MIZUNO WAVE RIDER 23及ON CLOUD ACE。

MIZUNO WAVE RIDER 23
MIZUNO WAVE RIDER 23
ON CLOUD ACE
ON CLOUD ACE

避震是如何達成的?

本文使用上述各兩雙代表材料避震與結構避震的跑鞋做示範,請二名退役的田徑跑者,分別穿著兩款鞋進行測試,A跑者穿著NIKE與MIZUNO,B跑者穿著ADIDAS與ON,以5分速 (5min/km) 進行30公尺平穩速度跑。於20公尺處架設攝影機,以高速攝影模式 (每秒240格) 捕捉足部著地瞬間到腳掌踩平地面的變化。

材料避震慢動作影片

NIKE ZOOM X VAPORFLY NEXT % 著地後變化

ADIDAS ULTRABOOST 20 著地後變化

NIKE ZOOM X VAPORFLY NEXT % 的中底搭載Zoom X泡棉材質,在著地瞬間後開始產生形變擠壓,藉此吸收了部分的衝擊力,當腳掌踩平地面時,可看到整體壓縮的現象;ADIDAS ULTRABOOST 20 全中底由Boost顆粒所組成,其材質為E-TPU (熱塑性聚氨酯),我們可觀察到Boost跑鞋著地時,衝擊力也會使得Boost有著一定程度的擠壓,腳掌貼平時,亦可看到明顯的變化。

NIKE ZOOM X VAPORFLY NEXT % 著地後中底材料形變過程

ADIDAS ULTRABOOST 20 著地後中底材料形變過程

結構避震慢動作影片

MIZUNO WAVE RIDER 23 著地後變化

ON CLOUD ACE 著地後變化

我們可以觀察到MIZUNO WAVE RIDER 23在跑步著地瞬間,其後跟的Wave波浪片會因受力而變得扁平,使原本波浪片前後的空隙都被填滿,波浪片幾乎完全與中底貼合;而ON CLOUD ACE本身雲端科技緩衝系統 (鞋款波浪狀大底) 在跑步著地瞬間時,波浪受到擠壓,尤其是後足幾乎變為扁平,其透過結構形變而吸收衝擊力的方式明顯可見。

MIZUNO WAVE RIDER 23 著地後中底結構形變過程

ON CLOUD ACE著地後中底結構形變過程

結語

利用影像捕捉的方式,我們可以清楚觀察到不同款跑鞋透過材料或結構的設計,皆可藉由形變的過程來達到避震的功能。但隨著不同的避震設計,實際上也會有不同的效果與特性,所適合的族群也有所不同,並非越軟越好。例如較軟的避震設計可能有較佳的緩衝效果,但卻會使鞋底穩定性變差,不適合足踝不穩定的人;而較硬的避震設計,也許增加了後足著地衝擊力,但相對提高了穩定性,且對中足或前足著地形態的跑者而言,卻可能沒有太大的影響,反而可藉此減少緩衝材料的重量,適合競速需求。因此根據自身的需求挑選跑鞋,才能達到最佳的效果。

參考文獻:

Lieberman, D. E., Venkadesan, M., Werbel, W. A., Daoud, A. I., D’andrea, S., Davis, I. S., … & Pitsiladis, Y. (2010). Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature, 463(7280), 531-535.

內容來源: 運動科學網