Ewolucja obuwia sportowego – obowiązkowa lektura dla sprzedawców butów biegowych

Joseph Hamill z laboratorium biomechanicznego z Uniwersytetu w Massachusets, jest jednym z tych naukowców, dzięki którym wcześniej czy później upadnie obecnie panujący paradygmat doboru butów biegowych, bazujący w uproszczeniu na analizie stopnia pronacji.

Z poniższą prezentacją Josepha Hamilla powinni zapoznać się międzyinnymi wszyscy sprzedawcy butów biegowych, oraz wszyscy zainteresowani historią rozwoju butów biegowych. Jej celem jest też omówienie ewolucji obuwia sportowego oraz tego jaki wpływ miała na nią biomechanika.

Początki obuwia wiązały się z potrzebą ochrony stóp przed niekorzystnymi warunkami środowiska. W starożytnym Egipcie, Grecji i Rzymie, potrzeba obuwia wojskowego przyczyniała się do jego rozwoju. Jednak pierwsze buty sportowe nie powstały wcześniej niż w 19 wieku. W pierwszej połowie 20 wieku, obuwie znacznie się zmieniało, ale dopiero w drugiej połowie tego wieku biomechanika wywarła wpływ na ich konstrukcję. Rozwojowi obuwia, biomechaniki i czynników ryzyka kontuzji towarzyszył rozwój w zakresie badań dotyczących kończyn dolnych. Rosnące zainteresowanie bieganiem boso przyczyniło się do rozwoju sektora obuwia minimalistycznego.

POCZĄTKI OBUWIA

Około milion lat temu, człowiek pradawny zaczął wytwarzać narzędzia. Odzież i obuwie zaczęły pojawiać się około 50000 lat temu w okresie środkowego paleolitu. Istnieją dowody wskazujące na to, że homo erectus (człowiek wyprostowany, około 1 mln lat temu) poruszał się na dwóch nogach – mógł odbywać długie marsze i biegać, co wtedy było konieczne do przeżycia (Carrier i Bramble, 2004). Nie mniej jednak, nie ma dowodów na to, że praludzie wykorzystywali obuwie. Wątpliwe jest to, że kiedykolwiek dowiemy się, kiedy noszono pierwsze obuwie, albo jak ono wyglądało. Rozwój obuwia nastąpił dużo później. Praludzie zaczęli tworzyć je najprawdopodobniej po to, aby chronić stopy przed niekorzystnymi warunkami środowiska. Pierwsze buty miały postać kawałków skóry zwierzęcej zawijanych na stopę.

Najstarsze obuwie jakie dotąd znaleziono pochodzi sprzed około 5-10 tys lat. Obuwie znalezione w Fort Rock w stanie Oregon w 1938 roku przez archeologa z Uniwersytetu Oregońskiego, Luther’a Cressman’a, datuje się na 13000 – 9000 lat wstecz. Były to sandały wykonane z bylicy. W Armenii odnaleziono buty sprzed około 5500 lat, wykonane ze skóry wołowej w kształcie mokasynów (Pinhasi et al., 2010). Tak więc, stosunkowo niedawno w historii ludzkości pojawiło się obuwie.

W starożytnym Egipcie (około roku 2 000  p.n.e.), żołnierze nosili sandały wykonane z plecionej trzciny, papirusu lub cienkiej skóry zwierzęcej. Przed rokiem 1500 p.n.e. trzcinowe sandały zostały zastąpione sandałami z grubą skórzaną podeszwą, którą przywiązywano do stóp przy pomocy skórzanych pasków. Dzięki takiej konstrukcji obuwia, żołnierz mógł biec nie gubiąc sandałów. Później, sandały wzbogacono o boczne kawałki wykonane ze skóry, przez co sandały wyglądały jak buty.

Mniej więcej w tym samym czasie, sandały pojawiły się w starożytnej Grecji. Co ciekawe, nie ma dowodów na to aby greccy sportowcy korzystali z obuwia w czasie zawodów. Co więcej, zawodnicy występowali nago. Najsłynniejszym maratończykiem ze starożytnej Grecji był Fejdippides, który przebiegł dystans 42 km z Maratonu do Aten, aby przekazać wiadomość o zwycięstwie nad Persami. Nie wiemy czy biegł w butach, ale biorąc pod uwagę to, że był żołnierzem, możemy zakładać, że tak.

W czasach rzymskich, rozwój obuwia miał związek ze sportami walki i wojskiem. Wyrób obuwia był dobrze rozwiniętym rzemiosłem. Noszono sandały jak i buty z podeszwą wzmacnianą gwoździami. Rzymscy żołnierze, którzy byli też posłańcami, nosili specjalne obuwie zwane caliga.

W Średniowieczu w Europie, stosowano ten sam styl obuwia opartego na potrzebach wojskowych. Były to proste, nieskomplikowane buty. Pojawiły się też wtedy buty z zaokrąglonym obcasem i spiczastym noskiem. Przed okresem Tudorów (około 1450-1600) robiono buty ze sztuprem; później w tym okresie dodano obcasy. W kolejnych latach (1600-1800) moda rządziła rozwojem obuwia.

ERA WSPÓŁCZESNA

Przed 19 wiekiem, biegi były dość popularne, ale nie korzystano wtedy z obuwia specjalnie przystosowanego do tego rodzaju sportu. Uważano, że specjalne buty nie są potrzebne. W 1839 roku, Charles Goodyear opracował proces pozwalający na wykorzystanie gumy w różnych branżach przemysłu, w tym w produkcji obuwia sportowego. Zaledwie kilka lat później (około 1850), wyprodukowano pierwsze sportowe buty z kolcami do krykieta. Pierwsze buty do biegania z kolcami wyprodukowano w Northampton w Anglii w 1865 roku.

Rozwój obuwia sportowego trwał do około 1965 roku. W tym czasie, skórzane cholewki butów sportowych zaczęto zamieniać na cholewki produkowane z materiałów syntetycznych.

REWOLUCJA W OBUWIU

W latach 70 XX wieku, bieganie stało się bardzo popularną formą aktywności fizycznej. Nastał „boom” na bieganie. Obuwie zaczęło być postrzegane jako integralna część wyposażenia biegacza i biegacze poczuli potrzebę posiadania specyficznego obuwia. To wtedy biomechanika zaczęła wywierać istotny wpływ na projektowanie obuwia. Ogromne zainteresowanie bieganiem skutkowało rozwojem badań nad tą dziedziną sportu. Badacze skoncentrowali swoją uwagę na kwestii biomechaniki biegu, co przekładało się na rozwój obuwia do biegania. Wpływ biomechaniki na projektowanie obuwia zbiegł się z rozwojem laboratoriów biomechaniki. Tego rodzaju laboratoria na całym świecie zajmowały się badaniem obuwia sportowego pod względem kinematyki i kinetyki biegacza zawodowego jak i rekreacyjnego. Kluczowymi osobami, które tworzyły i rozwijały większość technik badawczych dla badań dotyczących obuwia sportowego były:
1) dr Benno Nigg na początku pracujący dla Politechniki Federalnej w Zurychu w Szwajcarii, potem dla Uniwersytetu Calgary w Kanadzie;
2) dr Peter Cavanagh z Uniwersytetu Stanu Pensylwania;
3) dr E.C. Frederick z Laboratorium Badawczego na Uniwersytecie Exeter, założyciel Sportowego Laboratorium Badawczego Nike
4) dr Barry Bates z Uniwersytetu Oregońskiego.

Rozwój konstrukcji obuwia zgodnie z zasadami biomechanicznymi zbiegał się z rozwojem laboratoriów biomechaniki, w wyniku czego wraz z rozwojem badawczych programów i technologii, rozwijały się badania nad obuwiem sportowym.

Programy badawcze skupiły się na potencjalnym związku między obuwiem i urazami przeciążeniowymi, zwłaszcza w czasie biegania. Badania wykazały, że urazy kolan, nóg i stóp stanowią odpowiednio 42%, 27% i 19% wszystkich urazów biegowych (Clement et al., 1980). Wyniki tych badań ukierunkowały dalsze badania w zakresie obuwia biegowego.

W literaturze specjalistycznej, „nadmierna” ewersja kości piętowej (pronacja – przyp. redakcji) uważana była za przyczynę każdego urazu kończyny dolnej pomimo niewielkiej ilości dowodów potwierdzających ten pogląd (Cavanagh, 1987).

Główne biomechaniczne kwestie w zakresie ochrony biegaczy przed urazami obejmowały potrzebę:
1) amortyzacji;
2) kontroli ruchu pięty w kierunku bocznym;
3) stabilności przedniej części stopy (Winter i Bishop, 1992).

Co ciekawe, trzecia kwestia nie została odpowiednio omówiona i nie zostanie poruszona w tej pracy. Aby zbadać powyższe kwestie, biomechanicy wykorzystywali platformy dynamometryczne i akcelerometry przyczepione do kości piszczelowej – w przypadku pierwszej z wymienionych kwestii, oraz technikę rejestracji i analizy ruchu motion capture  – w przypadku drugiej z wymienionych kwestii.

Analiza pomiarów na platformie dynamometrycznej wykazała, że przy biegu pięta-palce (to najpopularniejszy wzór) następuje pierwszy szczyt (często opisywany jako uderzenie lub szczyt bierny) i drugi szczyt (opisywany jako odbicie lub szczyt aktywny) (Wykres 1).

W trakcie uderzenia, wartość siły sięgała 2-3 krotności ciężaru ciała. Ten wstrząs wędrował przez układ szkieletowy do głowy. To oznacza, że organizm musiał złagodzić wpływ wstrząsu wykorzystując struktury bierne (np. kości, chrząstkę, itp.) lub poprzez zmianę geometrii ciała (np. zmiana kątów w stawach kończyny dolnej). Uznano, że obuwie powinno posiadać właściwości amortyzujące, aby osłabić zderzenia stopy z ziemią. Dlatego też, w podeszwie środkowej wykorzystywano materiały amortyzujące takie jako octan etylowinylu (EVA) oraz poliuretan (PU). Niestety, odkryto, że bardziej miękka podeszwa środkowa nie różni się funkcjonalnie od twardszej podeszwy środkowej, a więc nie uzyskano efektu w kwestii łagodzenia wstrząsu i nie uzyskano rozwiązania problemu amortyzowania (w stosunku do wcześniej używanych butów – przyp. redakcji).

Kolejną główną kwestią  biomechaniczną była kontrola ruchu pięty w kierunku bocznym (do wewnątrz ku osi ciała ). Tego rodzaju ruch pięty określa się mianem ewersji kości piętowej (inaczej pronacji – przyp. redakcji). Stopa dotyka gruntu w pozycji odwróconej (inwersja, supinacja – przyp. redakcji) i obraca się do wewnątrz ku osi ciała (ewersja) (Rysunek 2). Uważano, że nadmierna ewersja (pronacja) jest przyczyną urazów związanych z bieganiem, dlatego też zaczęto tworzyć buty, których zadaniem była kontrola ewersji. Jednak, przez wzgląd na to, że nie ma klinicznej definicji nadmiernej ewersji, nie wiemy jak duża ewersja stanowi ewersję nadmierną. Najpopularniejszym rozwiązaniem wykorzystywanym do kontroli tego rodzaju ruchu było stworzenie twardszej (o większej gęstości) podeszwy środkowej. Innymi elementami wykorzystywanymi w obuwiu w celu kontroli tylnej części stopy były: sztywniejsze zapiętki, różne systemy sznurowania oraz specjalne płytki umieszczane w podeszwie środkowej.

(Metoda stosowana do oceny ewersji stopy polegała na umieszczeniu markerów bezpośrednio na bucie. Jednak później zauważono, że taka technika nie pozwalała na prawdziwą ewaluację ruchu stopy – ruch stopy był mniejszy niż ruch buta (Reinschmidt et al., 1997). )

Pojawił się problem pogodzenia tych dwóch biomechanicznych kwestii. Wykorzystywano liczne techniki, aby zrealizować oba cele, na przykład podeszwy środkowe o podwójnej gęstości (miękka powierzchnia boczna i twarda powierzchnia środkowa) lub łącznie materiałów (np. EVA + kapsułkowane gazy).

Nowe rozwiązania wynikające z badań biochemicznych obejmowały też: specjalne rowki w konstrukcji podeszwy ulokowane w okolicy stawu śródstopno-paliczkowego, zwiększenie sztywności przedniej części podeszwy środkowej (aby poprawić osiągi w biegach sprintem) (Stefanyshyn i Fusco, 2004), skomputeryzowane buty Adidas, oraz koncepcję „zwrotu energii”.

NAJNOWSZE ROZWIĄZANIA OBUWNICZE

Bieżące rozwiązania związane z ewolucją obuwia wynikają z mody na minimalistyczne obuwie i bieganie boso. Wszystko zaczęło się od krytyki istniejącego obuwia, któremu zarzuca się to, że jest zbyt „rozbudowane”, tzn. ma grubą podeszwę środkową, zwłaszcza w okolicach pięty, twarde zapiętki, oraz znaczące wsparcie podbicia (Robbins et al., 1988; Liebermann et al., 2010). Uważa się, że te cechy obuwia zmusiły biegaczy do „biegania z pięty” (biegający „z pięty” najpierw uderza piętą o podłoże). Sugeruje się, że ten model biegania ograniczył propriocepcję podeszwową i doprowadził do nadmiernej ewersji oraz problemów z rozcięgnem podeszwowym. Nie mniej jednak, nie ma badań, które potwierdzałyby te sugestie.

Propagatorzy biegania boso przedstawiają liczne zalety tego stylu biegania (np. wzmacnia wewnętrzne mięsnie stopy), które podsycają modę na bieganie boso. Konkluzja jest taka, że obuwie może rzeczywiście być zbędne, ponieważ mamy „naturalne” środki, aby osiągnąć to co daje nam obuwie. Sugeruje się, że człowiek pradawny nie nosił butów i biegał boso (Liebermann et al., 2010), a więc bieganie boso może być najlepszą opcją dla współczesnego człowieka. Grupa zwolenników biegania boso jest niewielka, ale jest to mniejszość, która śmiało i głośno wyraża swoją opinię.

Zwolennicy biegania boso twierdzą, że przejście do biegania z palców, niemal konieczne w bieganiu boso, zmniejsza ryzyko urazów, jest ekonomiczniejsze i zdrowsze dla stóp. Żadne z tych twierdzeń nie zostało jeszcze poparte badaniami. Co więcej, istnieją badania, w których wykazano, że bieganie boso nie jest ekonomiczniejsze i może nie zmniejszać ryzyka urazów (Gruber, 2012; Hamill et al., 2011).

Producenci obuwia odpowiedzieli na modę na naturalne bieganie poprzez stworzenie obuwia minimalistycznego. Bieganie w tym rodzaju obuwia jest najbliższe bieganiu boso, ale wciąż wiąże się z noszeniem butów. Na chwilę obecną, trwają badania nad obuwiem minimalistycznym, dlatego nie ma jeszcze jednoznacznych danych na temat wpływu tego rodzaju obuwia na wyniki biegowe czy też ryzyko urazów.

PRZYSZŁOŚĆ

Istnieje wiele aspektów biomechaniki ludzkiego ruchu i obuwia, o których wciąż zbyt mało wiemy. W przeszłości, uważano, że projektowanie obuwia wiąże się ze zrozumieniem kilku prostych zasad ruchu opartych na mechanice kończyny dolnej. Ale badania nad obuwiem pokazują, że nie jest to wcale takie łatwe. Paradygmaty, na których oparto koncepcję obuwia sportowego były najwyraźniej  błędne. Na przykład, nigdy jednoznacznie nie potwierdzono związku między urazem i pronacją (ewersją kości piętowej). Biomechanicy podważają stare paradygmaty, które wykorzystywano w rozwoju obuwia i prezentują nowe paradygmaty oparte na swoich badaniach (Nigg, 2010). Te nowe paradygmaty wiążą się z lepszym zrozumieniem jednostki. Wiemy, że w ruchu człowieka istnieje znaczna zmienność, która dyskredytuje badania grupowe i wskazuje na potrzebę skupienia się na jednostce. Nowe paradygmaty z zakresu biomechaniki z całą pewnością będą dalej wpływać na rozwój obuwia sportowego.

Źródła:

Carrier, D.M. & Carrier, D.R. 1983. Running and breathing in mammals. Science 219:251-256. Cavanagh, P.R. 1987. The biomechanics of lower extremity action in distance running. Foot Ankle 7:197-217.
Clement, D.B. et al. 1981. A survey of overuse running injuries. Physician Sports Med 9:47-58. Gruber, A.H. 2012. Mechanics and energetics of footfall patterns in running. Unpublished Doctoral Dissertation, University of Massachusetts.
Hamill, J. et al. 2011. Impact characteristics in shod and barefoot running. Footwear Sci 3:33-40. Liebermann, D.E. et al. 2010. Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature 463: 531-535.
Nigg, B.M. 2010. Biomechanics of Sports Shoes. University of Calgary, Calgary, Canada.
Pinhasi R. et al. 2010. First Direct Evidence of Chalcolithic Footwear from the Near Eastern Highlands. PLoS ONE 5(6): e10984. doi:10.1371/journal.pone.0010984.
Reinschmidt, C. et al. 1997. Tibiocalcaneal motion during running – measured with external and bone markers. Clin Biomech 12:8-16.
Robbins, S.E. & Hanna, A.M. 1987. Running related injury prevention through barefoot adaptations.
Med Sci Sports Exerc 19:148-156.
Stefanyshyn, D. & Fusco, C. 2004. Increased shoe bending stiffness increases sprint performance.
Sports Biomech 1:55-66.
Winter, D.A. & Bishop, P.J. 1992. Lower extremity injury-biomechanical factors associated with chronic injury to the lower extremity. Sports Med 14:149-156.

Przeczytaj także:

Zbliża się rewolucja w zakresie doboru butów biegowych
Konsekwencja patentu Dr. Subotnicka