（一） 地面反作用力 (Ground Reaction Force)
指人體著地與地面接觸時產生的反作用力，也就是地面給予人體的 作用力，兩者大小相等、方向相反且作用在不同施力點上，地面反作用 力包含垂直方向作用力、水平方向剪力及內外側旋力三方向的力量形 成。
（二） 水平剪力避震 (Shear Cushioning)
指針對走路或跑步狀態中，人體足部撞擊地面時前後水平方向剪力 的減震情形。水平剪力與地面足部間的摩擦力也有相關聯，水平剪力也 容易造成足底水泡與足部皮膚潰瘍發生，水平方向剪力的震動因為對質 心的力臂較長，進而影響下肢關節力矩以及增加下肢肌肉骨骼系統能量
消耗。
擺動期可再分為 1.擺動前期 (early swing)，2.擺動中期 (mid swing) 和 3.擺動後期 (late swing)。
第貳章 文獻探討
本章文獻主要針對地面反作用力之水平剪力其對於下肢的影響進行 探討，分為下列三小節，第一節為地面反作用力相關研究之探討，第二 節為水平剪力相關研究之探討，第三節為文獻總結。
一、地面反作用力之相關探討
地面反作用力通常在步態週期中的足部著地期才伴隨著接觸地面出 現，一般來說，在足跟著地的著地型態下，地面反作用力的力量與時間 的曲線圖中會有兩個峰值出現，一是衝擊峰值，發生在足跟著地的衝擊 瞬間，另一則是主動峰值，在推蹬期由足底動作推動人體前進的時間發 生 (Hreljac, 2004; Wakeling, Liphardt, & Nigg, 2003)。其中，行走時的衝 擊峰值約為身體重量的 1.5 倍，跑步時的衝擊峰值更來到身體重量的 2~3 倍，而且在運動中，動作速度越快，強度越高，相對人體的負荷量就越 大，人體於著地時所承受的地面衝擊就越大。走路或跑步的過程中，足 部不斷地反覆撞擊地面造成地面反作用力對於人體反覆衝擊，往往容易 產生各種傷害，這些跑步傷害最常在兩種情況下發生，一為運動過量下 容易因為疲勞或重複衝擊的作用下，經由足部、下肢骨骼及脊椎往上傳 遞，傳遞過程中此撞擊峰值被人體各關節軟骨及其他組織吸收，長期下 來會造成肌肉骨骼系統的慢性傷害，更提高了傷害發生的機率，另一個
因素則是過大的衝擊，一旦人體所受到的衝擊力量過人體負荷時，所造
(McKenzie, Taunton, Clement, Smart, & McNicol, 1981; Taunton et al., 2002)，此發現代表著現今關於傷害防護的結構設計並沒有明顯達到預期
方向分力與水平剪力為影響直線行進方向的主要作用分力。在直線運動 型態下，水平剪力的衝擊峰值約為垂直衝擊峰值的 20%， (Divert et al., 2005; Gottschall & Kram, 2005; Helseth et al., 2008)。但在非直線方向運行 的項目，像是在進行桌球、羽球與網球等側向位移為主的運動項目時，
水平剪力的衝擊則是垂直方向衝擊的 25% (Stiles & Dixon, 2007)。另外在 壘球運動中，風車式投手跨步動作的垂直方向地面反作用力約為 2 倍體
美國測試與材料協會 (American Society for Testing and Materials，ASTM)
用力也有降低最大負荷衝擊的效果，而針對下肢關節，有切割設計的鞋 款在跑步時能增加踝關節的角度變化，但在膝關節的表現並未發現有顯 著的差異 (黃淑玲，2010)，但對切割條件的差異並未進行詳細量化，僅 以切割角度來比較效果的差異。另有研究利用不同彈簧組合的移動平台 使接觸面產生相對位移的方式，用以探討水平剪力避震的效果，結果發 現適量的移動量能夠減少水平剪力的第一力量峰值，並能延遲力量峰值 發生的情形，位移量也能減少膝關節與踝關節的負荷，但在膝關節與踝 關節的角度變化上沒有顯著差異 (但漢真，2011)。在先前研究中，尚未 找出最佳剪力避震效果的切確範圍，可應用於鞋品結構設計上，對於彈 簧與鞋材避震效果的差異也有討論的空間。
三、文獻總結
在地面反作用力的所有分力中，水平剪力為比例較小的分力，但與 垂直分力相比下有較長的作用力臂，表示水平剪力對人體的影響程度仍 占有一定的重要性，對於特殊疾病患者而言，水平剪力避震的重要性甚 至更勝於垂直分力。不論是改變運動表面或是改變接觸面結構設計來產 生位移量，都可以達到減緩水平剪力衝擊的效果，對於下肢肌肉骨骼系 統的傷害及能量消耗也有著相當程度的影響。在市面上鮮少見到針對水 平剪力避震的結構設計，必是因為水平剪力的研究與相關文獻探討仍非
常有限，且水平剪力的作用方式尚未完整了解，需要更多相關的研究整 合才能夠去釐清問題。
第參章 材料與方法 一、實驗對象
本研究預計受試者為十二位健康男性大專生，六個月內下肢無神經 或肌肉骨骼系統傷害或心血管方面相關疾病，所有受試者的跑步著地情 形均為後足跟著地，實驗進行前請受試者閱讀受試須知，並請受試者簽 署受試者同意書與填寫基本資料，之後由施測者說明實驗流程與實驗注 意事項。
表 3-1 受試者基本資料
身高 (cm) 體重 (kg) 年齡 (years) 平均數 173.3 67.1 23.2
標準差 2.5 7.2 1.3
二、研究設備
（一） 測力板
地面反作用力數據收集使用 Kistler 9287 三軸測力板 (Kistler, SW)，
取樣頻率訂為 1000Hz，其中可分為垂直方向與水平剪力方向進行討論。
（二） 自製移動平台
使用自製的移動平台，並將平台固定鎖在力板上，平台結構如圖。
在平台底部設有滾輪以供平台移動，平台的接觸表面以軟木墊進行防滑 處理。在平台前後兩側置有剪力避震材料，藉材料個數來調整剪力避震 勁度大小，以控制平台的移動情形，本實驗中剪力避震勁度大小組別控 制為下列五組 k=0.28 kgf/mm (Stiff)、k=0.23 kgf/mm (Medium Stiff)、
k=0.17 kgf/mm (Medium Soft) 、 k=0.11 kgf/mm (Soft) 與 固 定 對 照 組 (fixed)。左右兩側置有輪軸控制平台的移動情形，僅有前後方向的位移，
以減少左右方向移動對實驗造成的誤差。
圖 3-1 自製移動平台
（三） 三維動作分析系統
實驗中使用的 Vicon 三維動作擷取系統 (Vicon Motion Analysis
System, Vicon, UK)，由十台紅外線攝影機所組成，分析系統搭配 Nexus 1.8 版軟體，進行紅外線攝影機的設定與校正，並由軟體進行反光點座標資 料收集，捕捉三度空間中受試者身上 17 顆反光球之正確位置，第一顆反 光球貼置於胸骨凸起處，以該反光球為監控受試者速度的追蹤訊號，另 外 16 顆為下肢 Plug-in-Gait 人體肢段模組所使用，黏貼反光球後並量測 受試者的下肢肢段資料，以建立下肢 Plug-in-Gait 模組，紅外線攝影機取 樣頻率訂為 200Hz。
（四） 高速攝影機
實驗過程中以高速攝影機 Casio EXILIM Pro EX-F1 (F50, Casio，JP) 記錄受試者每次測試的足部著地情形，用以檢測該次測試的著地情形與 著地範圍是否符合實驗限制條件。
（五） 慢跑鞋
使用市面上一般軍用慢跑鞋為實驗測試鞋，因其鞋底無特殊結構設 計，可簡易做出實驗所需設計，故以軍用慢跑鞋為受試鞋。
圖 3-2 軍用慢跑鞋
三、實驗設計
本研究分為兩階段，第一階段以五種不同剪力避震勁度的移動平台
與三種步態速度，來探討地面反作用力、下肢關節角度與關節力矩的影 響，藉由結果確定最佳剪力避震效果的範圍，並將第一階段結果應用到 下階段，第二階段將以第一階段最佳效果的平台勁度範圍，印證該勁度 範圍套用到鞋子上的情況是否能達到預期剪力避震效果。
第一階段實驗以 12 位大專男性為研究對象，實驗開始前請受試者進 行熱身，熱身結束後練習不同速度下的行走與跑步，速度控制分為三組，
分別為速度 1.5 m/s 行走，速度 2.5 m/s 慢跑，速度 3.5 m/s 快跑。熱身與 練習結束後，將 16 顆反光球依下肢 Plug-in-Gait 模組貼置於各下肢關節 位置，同時測量受試者下肢肢段參數並再次確定貼置位置，並將 1 顆用 以監控速度的反光球貼置於胸骨骨突處。實驗在 12 公尺直線跑道上進行 測試，測力板置於直線跑道中 6 公尺處，實驗進行依平衡次序法為原則，
受試者以赤足方式在三種不同步態速度與五種平台條件下進行實驗，每 次測試完畢需檢查該次速度是否控制在限定範圍(步態速度±0.2 m/s)中，
並檢查影片是否有以右腳完整踩踏於移動平台內才算有效的數據收取，
各狀況下收取三筆成功數據進行資料分析。
圖 3-3 第一階段實驗流程圖 說明實驗流程並填寫受試者同意書
進行熱身並練習三種步態速度
第一部分實驗：以五種平台條件與三種步態速度進行實 驗，以高速攝影機記錄該次實驗足部著地情形
確定速度符合範圍，以高速影片確認著地位置，擷取地 面反作用力與下肢動力學相關資料。
推由第一部分實驗結果可以得知，各步態 速度下，最佳的剪力避震範圍
黏貼 16 顆反光球(Plug-in-Gait)與 1 顆反光球 (監控速度)，測量記錄受試者下肢肢段參數
場地布置與實驗校正
第二階段實驗利用改良式鞋底的方式 (如圖 3-4) 來仿照三種步態速 度的最佳剪力勁度條件，觀察將勁度條件套用到鞋子上的實際狀況。
圖 3-4 改良式鞋底實驗用鞋
圖 3-5 足跟結構機制 (左為正常狀況，右為擠壓後狀況)
第二階段實驗在 12 公尺直線跑道上進行測試，攝影機置於直線跑道 中 6 公尺處，實驗進行依平衡次序法為原則，受試者以三種鞋款在三種 不同步態速度下進行實驗，每次測試完畢需檢查該次速度是否控制在限 定範圍中 (步態速度±0.2m/s)，並檢查影片是否有以右腳完整踩踏於拍 攝範圍內才算有效的數據收取，各狀況下收取三筆成功數據進行資料分 析。熱身結束後練習三種不同步態速度，速度控制仍為速度 1.5 m/s 行走，
速度 2.5 m/s 慢跑，速度 3.5 m/s 快跑，受試鞋分為三種勁度條件，編號 分為 a、b、c 三種勁度條件，分別為低、中、高速三種步態速度下最佳 勁度條件，依鞋款配對速度進行實驗，著 a 鞋款進行速度 1.5 m/s 走路測
速度 2.5 m/s 慢跑，速度 3.5 m/s 快跑，受試鞋分為三種勁度條件，編號 分為 a、b、c 三種勁度條件，分別為低、中、高速三種步態速度下最佳 勁度條件，依鞋款配對速度進行實驗，著 a 鞋款進行速度 1.5 m/s 走路測