一、能量回归概念的提出
每人都有打皮球的经历，皮球被打到地面时，会先变形而后停止运动，这时动能受到损失；之后皮球凭借变形将弹性体拉伸能量储存于本身；这种被储存的能量又借着弹性体的回弹作用使皮球恢复原形，并将皮球弹离地面。在此过程中，一部分动能不可避免地变成热能损失掉，相应弹性体拉伸能量也部分失去，剩余部分动能复得，重新返回给皮球，皮球出现反弹现象。皮球反弹现象包括了从动能转换成弹性体拉伸能量，再度转换成动能的过程。如果在完全没有摩擦力的条件下，皮球可以持续不断地作回弹的运动，不需要再供给能量。这种皮球反弹的原理可以解释为打球产生的动能中,部分能量在弹性物质的作用下回归给皮球。
人类也曾想像发明一种神奇的弹性物质，将其放人足球队员的球鞋里，可让弱队的球员跑得更快，跳得更高，最后赢得大赛胜利。
实际上 ，无论是打皮球，还是想像弱的足球队在足球鞋中放入弹性物质取得大赛胜利，都是运动的“能量回归”的问题。同样运动鞋也存在能量回归这个问题，对运动鞋而言的能量回归指的是：运动鞋底在冲击到地面之后，由于其受压变形将动能吸收，在其离地之前会因为形状的恢复而将能量释还给穿着者，可让穿着者跑得更快或跳得更高。 运动鞋底能量回归这种设计概念起始于 20世纪70年代末期 ，哈佛大学研究报告证实将人工跑道调整至适当硬度或弹性 ，用来配合人体下肢的弹簧系统 ，如果跑道的弹性调整适当，经测试跑步者的运动速度平均提高2％～3％ 。将跑道设计成四种不同硬度 ，其中两种是用三夹板制成(中等硬度),一种用发泡橡胶铺成(很软的硬度),另一种则由水泥铺成(最硬)。记录了八位男运动员在不同跑道上所跑的速度数据，以判断跑道硬度对人体下肢复杂的弹簧机构所造成的影响。结果显示：在发泡橡胶跑道上所跑的速度最慢；三夹板跑道上所跑的速度最快，同时三夹板跑道提供跑步者最短的触地时间与最长的跨步距离。
一些知名品牌的运动鞋制造商脑筋动得很快，希望能将上述这种现象引用到运动鞋底的改良。他们认为：既然跑道的硬度可以予以调整，能够提高运动成绩，显然改变鞋底或中插材料的硬度也很可能是一种思路。知名品牌聘请了许多顶尖级的生物力学专家，专门研究如何改进运动鞋的设计，或将运动鞋的结构方式加以改变后，提高运动鞋在运动过程中的作用与造成的影响。事实上要求运动鞋能提供较多的功能，即不仅要适当的控制翻转与很好减震功能，还要求运动鞋能提供最大的能量回归的效果。研究人员努力调和多种要求，但效果并不理想，而是“两难处境”。例如为了能有很好的减震功能，运动鞋底材料必须具备良好的受压形变的顺从性，这样才能吸收脚部冲击地面时产生的震荡波；但是从另一个角度要求提高运动成绩，则是能够让运动员跑得更快或跳得更高，运动鞋底材料又要具有足够的能量回归。研究人员发现运动鞋底材料很软具有良好的减震性能，但无法使运动员跑得更快或跳得更高，运动员就像赤脚跑在沙地上，容易感到疲累，沙地提供了最好的减震效果及舒适感，但提供给运动员的能量回归值等于零，反而影响了运动成绩的提高。
锐步公司及康佛斯公司 1987 年首先设计生产能量回归功能的运动鞋；就当时所使用的中插材料能量回归运动鞋而言 ，可使马拉松赛跑选手提高 1～3min 的运动成绩，帮助球类运动员增加 5％ 的垂直跳跃高度 。康佛斯公司能量波的设计 ，能量回归比值高达 50％～55％；一般的气垫中插只达到 25％～30％；阿赛克斯的硅胶垫最大为 40％～45％。一般的EVA 中插材料在使用了 40km 之后，会因为受压扁缩而损失高达 20％ 的减震能力，相比之下康佛斯公司的能量波设计中插材料只损失能量O．5％。此外能量波设计的质量也比模压成型的EVA还轻达10％。
锐步公司的 “能量回归系统”使用了杜邦公司的 Hytrel 材料，并将其包覆在囊状 PU中插材料之中 。Hytrel 是一种具弯折性的热可塑性材料，受压发生形变，压力接触后能快速恢复原有的形状。用这种能量回归系统和其他品牌的产品作比较，锐步公司的能量回归系统在每受压 lmm的变形之中，比气垫或硅胶垫高出 30％ 的能量回归百分比值。锐步公司也认为，被运动鞋底所吸收的能量与回归给使用者的能量有直接的关联性，能量回归系统已被设计成能在最适当的瞬息之间，将所储存的能量释还给使用者，使其有更好的表现。
二、运动鞋底能量回归的有关研究
研究人员在 20世纪90 年代针对当时具代表性的运动鞋，曾作过有关鞋底弹性的能量回归研究。研究对象为锐步、耐克、纽布兰斯等坚持能量回归效果的品牌产品。
英国里兹大学将实验方法简单化，使用具有针对性、适合的实验设备，模拟受测者的脚部作用在鞋底上的力学模式，进行相关测试。绝大部分的跑步者是以脚跟部位先着地；着地的同时产生一瞬间很大的地表反作用力；人体施加在鞋底上的压力点会迅速地由后跟部位转移到前掌部位，此时压力达至主要的高峰值并一直持续到脚尖离开地面时为止。在整个着地期的最后阶段 ，脚底的前半段先被压缩而后反弹 ，整个身体则先减速(被压缩时)而后再加速(反弹)。在步行的状况下 ，典型的最大地表反作用力是体重的1．5～2倍；如果穿了鞋且在坚硬的地表上跑步 ，其最大地表反作用力则高达体重的2．5～3倍。如体重70kg，鞋底后跟最大压力值150kg，鞋底的前掌部位最大压力值可达200kg。
根据受测者跑步速度的不同，脚部停留在地面的时间介于0．2～0．3s之间，即4Hz。在4Hz的情况下将压力从零升高到最高值后,再归回零。脚跟停留在地面的时间实际小于0.25s，为了更加接近实际，把后跟着地时间改为0．1s后重新实验,结果为运动鞋后跟部位在受压状况下所体现出来的变形量差异很大。在同样150kg的负荷下 ,变形量的差异值为7～15mm ;在4Hz的频率下，能量回归的百分比值为55％～69％。在11Hz的频率下 ，能量回归的百分值也在上述范围，但形变量及能量回归百分值要小些。
后来运动鞋底前掌部位的能量回归测试，结果与后跟部位所测得的结果极为接近；而形变方面，各品牌之间的差异值就不像后跟部位明显。所有的受测品牌在200kg负荷下,变形量在9～12mm之间，见表4—1。
|
表4-1 著名品牌运动鞋底后跟与前掌部位能量回归测试结果 |
|
鞋品牌 |
后跟形变/mm |
能量回归百分比/％ |
N变做YJ/J |
前掌形变/mm |
能量回归百分比/％ |
形变做功/J |
|
阿撒克斯 |
9.4 |
64 |
5.5 |
10.5 |
64 |
7.9 |
|
阿飞亚
|
12.8
|
63 - |
8.6
|
11.6
|
66
|
8.3
|
|
康佛斯 |
10.4 |
65 |
6.1 |
9.7 |
L 65 |
6.1 |
|
高太克 |
7．O |
62 |
4.1 |
9.1 |
60 |
5.6 |
|
纽布兰斯
|
11.6
|
57
|
6.5 、 |
10．O
|
63
|
6.7
|
|
耐克 |
14.9 |
69 |
9.6 |
9.9 |
62 |
7.5 |
|
锐步 |
8.4 |
66 |
5.5 |
10.5 |
65 |
7.2 |
|
撒康尼 |
13.3 |
66 |
7.9 |
12.4 |
66 |
7.6 |
|
康太克 |
11.6 |
55 |
6.8 |
10.6 |
54 |
6.5 |
|
注： 表中数据在步频4Hz，最高压力150kg下测得。 |
运动鞋后跟部位的能量回归百分比值高不一定有用，脚跟部位较早的“回弹”，对整个跑步的动作无明显贡献。实际上，当脚跟部位冲击到地面的同时，动能已损失，而且很可能消耗掉；如果这个部位的能量回归百分值很高，可能会使伴随鞋后跟部位冲击地面而产生的震荡持续时间更长。运动鞋后跟材料最好选择具有较高的“顺从性”或是能容许较大的变形量，这样才能降低冲击力或者震荡波。也就是说：运动鞋底后跟部位必须能够吸收鞋底冲击地面时的动能能力，使该动能不要大部分变成地表的反作用力。变形量越大或产生变形的可能越大都是理想的减震效果。
从表4—1中可以看出：运动鞋底的前掌部位比后跟部位更需较高的能量回归值。能量回归的百分值只说明回归比例，并不能说明一双运动鞋到底能够释还多少能量的绝对值给使用者 ，需要明确的是一双运动鞋底在一定条件下所储存的动能的能量有多少 。顺从性、变形量、产生变形的功，只表示当鞋底受到压缩时它所储存的能量的能力。能量回归的百分值越高，表示储存的能量中比较多的在弹性材料的回弹过程中输送给人脚。
上述实验结果存在这样一些问题：研究仅抽样测试了规定品牌中的一种款式运动鞋，没有全面考虑到与能量有关的一些因素，如稳定性、止滑性等，因为被测试的运动鞋也许设计重点偏向的不是能量回归。研究还表明：使鞋底变形的功以及在材料回弹的过程中所回归的能量 ，在身体每做一个跨步动作之间损失的动能加位能之和为该动作总能量的 10％ ，约4．1～9．6J，身体每做一个跨步动作大约要损失100J的能量。
运动鞋底能量回归百分值测试显示 ：大部分的运动鞋(跑步鞋) 能够释还60％左右的弹性体应变能量给使用者。与人体的足穹相比，跑步鞋的鞋底只能算是一种不理想的弹簧。即使是品质最好的跑步鞋也只不过能释还40％～50％作用在它本身的功。
三、人体本身所存在的能量回归现象
了解能量回归，必须首先了解人脚体与生俱来的天生弹簧机构。人的身体结构里,有些东西具有弹簧性能,起反弹作用。这两种物质是：腿上的肌肉和将肌肉与骨骼连接在一起的肌腱。肌肉和肌腱具有弹簧的作用 ，当它们受到张力时会拉伸，而张力移去后则立即回缩。 肌肉与肌腱具有储存能量的性质，这些物质在其拉伸的限度范围内，拉伸量越大所储存所存量越多。储存在被拉伸的材料中的弹性体拉伸能大约是作用力与拉伸量乘积的一半。肌肉与肌腱可储存的拉伸能量有多少?研究结果：如果长肌肉纤维与短肌腱相接连 ，这种肌肉通常较短肌腱更能储存较多的弹性体拉伸能量；如果短肌肉纤维与长肌腱相接连，这种肌腱会比短肌肉更能储存弹性体拉伸能量。记录和测量肌肉内肌电活动的情形，确知在每一个动作之中，每一条肌肉都在动作，而小腿肌肉以及与小腿肌肉相连接的阿奇里斯肌腱(跟腱)则是腿部最重要的弹簧 , 如图4-64。将肌肉与跟腱长度进行比较，肌肉纤维的长度最短在20～60mm,而跟腱则长达370mm。因此跟腱应该是人体内最重要的弹簧。
用来拉伸肌腱的能量中，有93％在弹性体作用下，以回弹的方式回归人体。如图4—65( 做功面积A，回归面积B) 所示 ，肌腱与橡皮筋一样具有弹性 ，其每个单位体积内可储存的能量和橡皮筋单位体积所储存的能量相当 ；但是肌腱却无法像橡皮筋那样有200％的拉伸率，肌腱的拉伸率超过8％就很可能断裂。
肌腱的强度比橡皮筋高，因为弹性体拉伸能量大约是施力与延伸量乘积的一半，而强度大的材料只要延伸一点就比强度低的材料延伸许多，被延伸的肌腱每立方厘米的体积约可储存5J的能量。
从各种不同动物身上的不同部位所取下的肌腱，其测试结果都很接近，不管是从袋鼠或者人类身上，也不管是取自臂部或者尾部，所显示的性质都极为接近，如此一来，很方便研究人员做类似的测试，因为测试人类的阿奇里斯肌腱相当麻烦，而大部分的阿奇里斯肌腱是嵌藏在小腿肌肉里，或者整个侧面都附贴在肌肉上，仅只有在脚跟上方的一小段没有受到肌肉纤维的影响。我们固然可将肌肉刮除 ，但这将使得稍后作分析测试结果的工作更加困难，因为肌腱的末端与肌肉的纤维铰接在一起。
人跑步时的跑步动作是由一系列的跳跃动作连接而成，身体起落交替出现。加在脚上的力总有与腿轴心成直线的部分，使得不断地加速后又减速 。跑步时跨出脚踩在身体的前方，地表反作用力向上传递至腿部而使身体减速，是能量损失与人体吸收过程；之后，当这只脚的位置移至身体后方时，地表反作用力会使得身体向前加速前进，这是人体的有关组织将前面吸收的能量释放的过程 。在脚跟碰触到地面的瞬间 ，速度慢了下来而且身体的高度也降低，同时损失了动能以及重力位能。在着地期的后期，重新加速并升高身体。重新获得这些动能以及重力位能。这就是人体的能量回归现象。
在跑步时着地期的中期，作用在脚上的施力最大，测力板上的记录可告诉我们施力的大小、方向以及压力中心的位置。借着测量踝关节力矩的大小，可推算出作用在阿奇里斯肌腱上的力。若以4．5m/s的中距离赛跑速度为例，施加在脚上的最大地表反作用力大约是体重的2．8倍，同样的力若作用在阿奇里斯肌腱上则大约高达7倍；即对1名70kg的受测者，跑步时作用在阿奇里斯肌腱上的弹性体应变能大约是35J。
研究发现脚本身还有另一重要的弹簧 。受测者先以“轻微碰触地面”的方式站立受测(大部分的体重落在另一只脚上)之后，他以跑步的方式通过同一个受钡0点以拍摄照片。将这两张照片作一比较可发现到 ，原先在脚踝上所作的记号在跑步时往地面下移了大约10mm之多，这是由于施加在脚上的压力有将足穹展平之势 ，而维护住整个足弯的韧带必须能够被伸展，让展平的现象得以正常发生。
研究发现脚的确像弹簧一样，平均有78％的能量是借着弹性体回弹的过程而回复 。由于韧带和肌腱一样，主要也是由纤维组成，对脚中的韧带作测试显示,脚部的韧带也是人体最重要的弹簧。
活性的肌肉以两种方式使用变形能，一是执行人体机构的工作所需,二是节省原本所需的能量。此外，肌肉随着变形能产生张力。就像手提着手提箱一样 ，在提箱中肌肉并未缩短 ，以物理学的观点来看 ，肌肉似乎并未做功 。借张紧的肌肉(弹簧)可减少能量的耗费量，如果关节的一些动作是由延伸的肌腱来调节,那么肌肉纤维的伸长及回缩动作就无需很多，这表示肌肉纤维并不需要那么长的纤维，每次都必须回缩许多才行。
运动鞋的鞋底应具有弹性，当脚部冲击到地面时鞋底会受压变形；当脚离地时鞋底又会回复原形，鞋底的弹性体特性抵消了足穹部位的弹簧效果。里兹大学曾经针对运动鞋底的前掌部位作过测试 ，利用前述的 “Dynamic”测试机器 ，将鞋底置于钢板及直径 5mm的圆柱体之间作压挤测试 (模拟跑步时的施力状况) ，他们发现大部分的运动鞋层压缩所做的功大约是5 J，远小于储存在足穹内部的能量 ，而卣弹性体回弹现象所回归的能量只不过才60％，约3J 。哈佛大学用另一种不同方法所测得的结果 ：高级运动鞋仅只回归40％～50％的能量，与人体足穹的弹性相比较，鞋底是有待改进的弹簧 。研究得知尽管损失掉的能量为2J ，在整个跑步中所占的比例很小,但却可能足以影响一位运动选手在竞赛中的输赢 。运动鞋底若采用具有弹性的材料，能量损失可能会很少。 厚一些的运动鞋底 ，可用来储存更多的弹性体变形能量 。哈佛大学设计了一种室内跑道，具有特别调整过的弹性，可以补充人类腿部弹簧的弹性。增加一些弹性固然可让受测者跑得更快，不过跑道如果太软，就会像是跑在床垫上一样，速度反而会减慢。这种跑道与传统跑道作比较可让受测者增加 2％～3％的速度 。典型的跑道被压缩量为 7～8mm ，且作了7J的功在跑道上 ，90％的功借着弹性体回弹的过程而回复 。如果将运动鞋底加厚到比传统鞋底多出7～8mm 的被压缩量 ，只要它们是以良好的弹性材料制成，就能具有特殊跑道的同样效果。
知名运动鞋生产商将鞋底设计成吸震器。僵硬的脚冲击至地面时会引起很大的震荡，脚部也会迅速地被减速，同时施加在脚上的力往往大得足以造成伤害，而运动伤害特别容易发生在类似柏油路面这种人造地面上。若脚具有很好的弹性，减速的情况将不至于太剧烈，因为弹性材料吸收了这些冲击力 。必须对弹簧及减震器加以区分 ，当你开车驶过凸起路障时，汽车里头让你免于过度震荡的是弹簧而不是减震器 ；然而 ，如果只有弹簧而没有减震器的话，汽车会持续地上下弹跳，减震器可以阻滞这些震动，让你有一个更舒适的驾驶感受。脚需要弹性材料来缓冲触地时的震荡，但是这些材料却无需完全地吸收这些震荡。要停止这些震荡，因为脚的上下震荡可能让我们向侧方跌跤。一个不好的弹性材料会将作用在它本身的许多能量转换成热量，扮演着弹簧以及减震器的综合性角色。最大地表反作用力发生于着地期的中期，且施加在脚的前掌部位。有些人跑步时是以前掌部位先着地，但大都分人是以后跟部位的外侧先着地之后才将施力部位移至前掌，这一类型的人可从某种鞋底后跟部位具有良好的吸震效果，且鞋底具有好的弹性体特性的鞋子中获得助益，可回归较多的能量。
介于脚跟骨下方与皮肤之间有一层脂肪垫组织 ，研究人员将其从一被截肢的脚中取出，并利用同样的机器作测试 ，结果显示这层脂肪垫可回归58％的能量 ，而在运动鞋后跟部位
所作的测试也呈现了类似(65％)的结果 。在新的或更好的运动鞋被制造且测试之前 ，我们是无法确知到底鞋子能有多好的表现。很明显，有许多设计师对于外观设计的关心要远超过于研究如何给鞋底一个最适当的弹性。
运动鞋底能量回归还有一个部位的问题,原则上应当是鞋底着地的主要部位或离地部位，但运动过程中，着地部位随运动方式变化 ，目前的能量回归设计装置多是在鞋的后跟部位。
这种设计只适应后跟离地的方式 ，而难以适应前掌离地的方 。运动中前尖离地的方式要比后跟离地更为普遍些，因此能量回归设计应前尖与后跟同时兼顾。 如果是这种后跟的能量回归设计，目前，尚无任何研究机构确定运动鞋回归给使用者的能量到底有多少。对于着地动作应当这样理毹：首先考虑的是运动中的减震，其次是能量回归；对于离地动作，则主要考虑该部位的能量回归。
