第一章 足部概论
第一节 脚的结构与生理机能
脚的结构与生理机能是研究鞋类生物力学的基础。脚的形态与测量对鞋楦的设计十分重要，也是鞋楦设计的依据。脚的生物力学是所有鞋类生物力学研究的基本参照，只有对这些基础的研究内容分析透彻以后，我们的研究工作才能拓展到各品类鞋子的生物力学分支上去。
一、脚的构成和发育
（一）脚的构成
人的双脚是由骨骼、关节、肌肉、韧带、神经、血管、足弓以及皮肤所构成。骨骼由骨膜、骨密质、骨松质构成。 骨内组织是骨骼构成的基础。骨骼的外层由骨密质构成，内部由骨松质构成，骨松质由骨小梁构成，骨松质中间分布着红骨髓。骨骼外部覆盖着骨膜，血管和神经经过骨膜深入到骨骼的内部。
人脚由26块骨骼（小籽骨一般忽略不计）、33个关节、59块肌肉、126根韧带、109根主干神经组成。脚分为脚趾部、跖掌部、舟跗部和跟踝部四大部分。跗骨周围分布着12块骨骼构成了足弓：它们分别是距骨、跟骨、骰骨、舟骨、3块楔骨和5块跖骨（图1-1）。
距骨是足部活动关联最广的一块骨骼，它位于小腿和跟骨之间。它的所有表面都与周围的骨骼相关联：在内踝区域它的上表面和内表面与胫骨相连接，在外踝区域它的外表面与腓骨相连接，在中心区域它的下表面与跟骨相连接。距骨的前端又与舟状骨相连接。可以用成语“八面玲珑”来比较形象地形容它。世界医学界至今有一个疑团难以解释，那就是——距骨是人体所有关节中受到冲力最大和碰撞最为频繁的骨骼，为什么它很难发生损伤病变？从刚体力学角度出发这一点很难解释。这一问题至今仍在困扰着医学家们，当然，这也是生物力学的魅力所在，它鼓励着人们不断地向人体奥秘深入探索。
图1-1 足部骨骼（图片C来源：百度图片）
跟骨是足部的最大骨骼，它位于距骨下方。跟骨由跟骨体和凸出的大块粗糙的跟结节构成。跟骨体关节面与距骨相连接，而前关节面则与骰骨相连。骰骨位于脚的外侧缘，它在跟骨前面，其后部关节面与跟骨相连。它的前部关节面与第四、第五跖骨相连。舟状骨位于脚的内侧缘，其后关节面与距骨相连。楔骨位于舟状骨前面，第一楔骨与第一跖骨相连；第二楔骨与第二跖骨相连；第三楔骨与第三跖骨相连接。跖趾部位骨骼由五块跖骨构成。其顺序是由脚的内侧向外侧依次排开。跖骨的长度和粗细各不相同，第二跖骨最长，第一跖骨最短。第五跖骨后端的外侧有一外凸点，称为第五跖骨后粗隆。该点是测量跗围点的一个标志点。趾骨是脚指最前端的骨骼，每一脚指由三块趾骨(基底趾骨、中间趾骨和甲趾骨)构成，而脚拇指只有两块基底趾骨和甲趾骨构成。
足部各块骨骼的结合点形成了足部关节。骨骼间的关节部位由结实的结缔组织构成的关节囊包覆着。每一关节囊表面都覆有产生特殊润滑液体的薄层。骨与骨间的关节处还各自包围着一层光滑的软骨。软骨的周围有韧带将关节囊进行固定，这样可使两块骨之间的连接更加严密。人体足部的关节分为五组，它们分别是踝关节、跗骨间关节、跗跖关节、跖趾关节和趾骨间关节。踝关节也叫距上关节，由小腿骨和距骨构成。踝骨分为内踝和外踝。内、外踝分别由胫骨和腓骨构成。踝关节有一个旋转轴，脚可沿此轴屈伸65°角。
跗骨间的各个主要关节能够同时运动，它可以使脚向各个方向转动。跗跖关节位于跗骨与跖骨之间，其活动很少，它是脚进行刚体运动的基础。跖趾关节由跖骨小头与基底趾骨形成，它们主要沿脚的横向轴作屈伸动作。趾间关节位于脚指的各个趾骨之间，它们属于单轴关节，只能作局部的屈伸动作。
在足部骨骼的表面附着的是肌肉。肌肉由肌肉组织构成，它属于运动器官的能动部分。肌肉通过肌腱固定在骨骼上。人体的下肢肌肉包括大腿肌、小腿肌和足肌等部分。其中特别重要的肌肉群是小腿三头肌，它借跟腱附着于跟骨上，由于有此肌群，人体才能完成站立、行走以及各种状态的运动。小腿三头肌包括腓肠肌和跟腱。另外参与足部运动的辅助肌群还有比目鱼肌、趾屈肌、腓骨长肌等。足部的肌肉运动与身体的其他部位一样都是靠神经系统来完成收缩运动的。这些神经依靠神经元发出的信号进行不同强度的脉冲作用，形成一次次的肌肉活动。
脚弓也称足弓，它的主要任务是减轻人体的震动，降低震动对身体造成的危害。脚弓是人类进化的产物，直立行走导致了足弓的发育完善。这是灵长类动物的独特特征。从脚的内侧看，足弓呈拱形连接着足的前后两个部分。如果从横向来看，足弓还有一个横弓来支撑着足部的左右平衡。足弓的顶端骨骼发育较为发达，它承受着楔骨与跖骨的巨大作用力。足弓的底面骨骼较为脆弱，这一部位集中了大量的血管与神经组织。如果足弓部位弓托过高或过硬不仅不会促进足弓的发育，相反还会因为长时间压迫血管与神经系统而造成脚前掌部位供血不足，严重的还会造成局部坏死。从结构力学角度来分析，足弓垫（托）的形状如果过高还会对跗跖关节产生一个由下至上的破坏力，这个力长久累积会导致该关节的病理性松弛。
人体的双脚分布着丰富的血管与神经系统，具体详细的血管数量目前还没有确切答案。血管的作用是输送氧气与养分，它将足部运动必需的养料源源不断输送到足部的每一个环节。足部的静脉与动脉一般并列分布，它们之间通过毛细血管将肌肉与皮肤贯穿起来。脚部的血管系统不能受到挤压，因为挤压血管，脚部的血液流动将会变缓，脚部的能量输送将会受阻。这时脚发育将会萎缩，如果在冬季则会被冻伤。所以鞋腔的容积以及鞋楦的肉体安排需要仔细斟酌方能更好地适应脚的发育与生长。脚上具有丰富的神经系统，股神经与坐骨神经系统分支分别经过脚的内怀和脚背，另一分支则位于脚的外怀和脚底。
（二）脚的发育
脚发育完全大约需要18年的时间。刚出生时，脚部共有22块部分发育完全的骨头，等宝宝长到1岁时，他的脚长度已经接近成人的1/2。到了上学年龄，脚骨的数量会达到45块。在以后的13到14年后，儿童的许多骨头会连接在一起，形成成人脚中的26块骨头。当然除了26块骨骼之外，在第一和第五跖趾和跟骨下方还各有一块处于游离状态的小籽骨，这样人体足部骨骼的总量应当是29块。据俄罗斯学者钦佐娃的资料显示，儿童的脚长，也像他们的身高一样，每年的变化不同。7岁以下男童和女童，每年的脚长增长平均为11mm。8～9岁，脚的增长放慢，脚长每年增加只有4mm。9岁以后增长速度重新加快。到了11岁，每年的增长速度又会减慢。15岁以后少女脚长每年只增加1mm。不过也有不少例外情况，有时儿童的脚在很短期间增长很快，或者恰恰相反，也有的青少年在很长一段时间内脚型停止增长。除了按年龄分组的儿童平均脚长变化与年龄不成正比之外，儿童脚长与年龄的比例关系也不一样：12～13岁以下的少年和少女，脚的发展速度几乎相同，在这期间少女的脚长比同年龄男少年的脚长小1～2mm。从12～13岁起，少年和少女脚的增长速度开始变化。男少年的脚继续增长，而少女脚的增长速度减慢。年龄15～16岁少女的脚就停止增长，而男少年的脚到18～20岁才停止增长。这个结论只是俄罗斯儿童发育规律，对于我国儿童及青少年来说可能会有一些差异。这还需要做进一步的调查分析。
最近，日本解剖学家铃木端成提出，东亚人的足部骨骼比欧美人少一块，每只脚应为25块。他指出日本人和中国汉族人的第五趾骨只有2块，并不是传统概念上的3块。欧美人大部分是3块。因为其统计样本量偏小（只选取了150人），这一结论目前还没有得到广泛认可，不过从其统计的150例样本来看结果确实如此。下图是中国皮革和制鞋工业研究院与广州天创鞋业统计的儿童足部发育过程图（图1-2）。
图1-2 儿童足部发育过程
（图片来源：广州天创鞋业）
二、脚的形状和尺寸
鞋的母体是鞋楦，而鞋楦的母体是脚。鞋要想舒适其鞋楦至关重要，而鞋楦设计的前提是对于脚型的了解。按照国际人类学分类标准，人类的脚型大致分为四种（图1-3）：第一种是埃及脚型。第二种是希腊脚型。第三种是第一和第二趾等长脚型。第四种是方形脚。埃及脚型的特征是大脚趾最长，它约占国人脚型的60%。希腊脚型的特征是二脚趾最长，它约占国人脚型的30%。第一和第二趾等长型约占9%。方形脚最少，它只占1%。
除了上述正常四种常见脚型以外，还有六类非正常脚型。它们分别是：扁平足、高弓足、拇内翻、拇外翻、跟内旋、跟外旋（图1-4、图1-5）。
图1-3 人类常见的四种脚型
（图片来源：广州天创鞋业）
图1-4 六种常见的足部形态
（图片来源：广州天创鞋业）
图1-5 六种足型的脚印图
（图片来源：《中国鞋楦鞋号设计》）