人造草皮足球场的机械性能影响因素

1 研究背景： 人造草皮经过不断的发展，成果已经超过了预期。第三代人造草皮在运动员表现和安全方面已经得到了改善。很多研究表明，人造草皮与自然草皮的机械性能和伤害风险相近。因此，一些大型专业足球俱乐部已经引入了这种人造草皮用于体育运动场地。 由于纤维种类、填充材料、弹性层和基体结构的选择多样化，现如今的人造草皮因此具有很大的多样性。不同结构组合的人造草皮在机械性能、可使用强度、所需的维护、运动员的使用感受，以及使用寿命方面都有所不同。之前的研究表明，人造草皮结构组成的成分会影响第三代人造草皮的机械性能，其中基层结构的种类是决定人造草皮稳定性、承压能力（load bearing）、平面测量（planimetry）和表面排水（surface drainage）的关键因素。另外，该成分对运动员与草皮之间的相互作用也有很大影响，这种相互作用包括吸震作用（shock absorption），垂直变形（vertical deformation），能量恢复（energy restitution）。 在人造草皮基层结构上可安装也可不安装弹性层，弹性层能够维护草皮性能并延长其使用寿命。经证实，没有弹性层的人造草皮足球场，其吸震作用和垂直变形的衰减速率更快（a more accelerated reduction）。由于弹性层避免了运动员与草皮的直接接触，因此它可以降低高强度使用（intensive use）对草皮造成的负面影响。 在表面成分方面，沙子和橡胶是人造草皮表面机械性能的直接决定因素。橡胶的类型或形态会改变人造草皮的性能。因此，Fleming等人
【1】的研究表明，橡胶密度和压实度会影响减震效果。另一项研究
【2】表明，与热塑性填料相比，使用SBR填料可以获得更为适中的旋转阻力值（rotational resistance）。Villwock等人
【3】的研究则表明纤维种类可直接影响人造草皮足球场的旋转牵引力（rotational traction）。 外部因素（extrinsic factors）也能影响人造草坪足球场的表面机械性能。人造草皮在使用过程中会发生退化，从而改变其机械性能，影响功能性和安全性。同样，气候条件、维护和使用时间都会加速运动场表面纤维和填料的退化。之前的研究表明
【4】，高强度使用7年，其减震效果会降低10%。另一项研究表明，温度会改变人造草皮表皮的机械性能，变化幅度根据人造草皮结构成分的不同而不同。 尽管已有研究表明，人造草皮中每个单独的结构成分对其机械性能有所影响，但是还没有研究系统地分析结构组成和外部因素对草皮表面机械性能的影响。因此，这篇文章重点在于确定结构成分、机械磨损和环境条件对第三代人造草皮足球场机械性能的影响。 2 实验相关： 2.1 样品数量：32 2.2 相关标准：国际足联质量计划署（the FIFA Quality Programme）建立的足球草皮质量标准 2.3 评价机构：Labosport, Le Mans, France（国际足联认证的实验室） 2.4 相关试验： （1） 透湿试验：将样品完全浸湿，后晾干15分钟后立即测试。 （2） 温度试验：根据FIFA要求，只需要在冷（-5℃）热（40℃）环境中进行测试SA（吸震效果）。 （3） 磨损试验：设备Lisport（Labosport, Le Mans, France），磨损参数5200转和20200转，磨损前磨损后分别测试SA（%），StV，和RR。 （4） 机械试验 SA（%）：表面降低冲击力的能力（shock absorption）。 测试设备：Artificial Advanced Athlete (Labosport, LeMans, France) StV（mm）：外加载荷作用下表面的变形（vertical deformation）。 测试设备：与SA测试设备相同 RR（Nm）：钉盘在草皮上旋转时产生的扭矩（rotational resistance）。 测试设备：一个直径为150±2 mm的金属圆盘，在底表面上等距分布着六个足球鞋钉，每个足球鞋钉距圆盘的中心46±1 mm。 3 结论： （1）人造草皮结构成分的性能对其机械性能的影响比例达到78.1%。 （2）在人造草皮表面发生退化以及处于不同环境条件下时，其结构成分的影响会发生改变。机械磨损会增大RR，减小SA和VD。温度对表皮机械性能影响不大。湿度会在规定范围内减小人造草皮的吸收能力。 因此，控制以上变量和维护结构成分对确保人造草皮机械性能的稳定性和安全性十分必要。