CC BY
53
УДК 685.34.073
Л. Ю. Махоткина, Н. В. Тихонова, Т. В. Жуковская, Р. М. Галялутдинова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЖЕСТКОСТИ НИЗА ОБУВИ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА БИОМЕХАНИКУ ХОДЬБЫ
Ключевые слова: низ обуви, подошва, жесткость, гибкость, биомеханика ходьбы.
Эргономические свойства обуви, характеризующие внутреннее динамическое соответствие системы «стопа-обувь» и определяющие общие энергозатраты и нормальное функционирование организма, являются одними из важнейших. При этом, среди общего комплекса свойств определяющих рациональную конструкцию обуви, одним из основных показателей является жесткость обуви. Обувь, обладающая высокими гигиеническими и эксплуатационными свойствами, но жесткой конструкции, неудобна в носке, так как при ходьбе будут затрачиваться значительные усилия для ее изгибания.
Keywords: bottom shoe sole, hardness, flexibility, biomechanics walk.
Ergonomic properties of footwear, characterizing the internal dynamic mapping system "foot-shoes" and determine the overall energy and the normal functioning of the body, are among the most important. At the same time, among the total set of properties defining the rational design of shoes, one of the main indicators is the rigidity of the shoe. Shoes having high hygienic and operational properties, but the rigid structure, uncomfortable to wear, since walking will be expended considerable effort to its bending.
Введение
Среди группы эргономических свойств физиологические свойства обуви, характеризующие внутреннее динамическое соответствие системы «стопа-обувь» и определяющие общие энергозатраты и нормальное функционирование организма, являются одними из важнейших.При этом, среди общего комплекса свойств определяющих рациональную конструкцию обуви, одним из основных показателей является жесткость обуви.
Обувь, обладающая высокими
гигиеническими и эксплуатационными свойствами, но жесткой конструкции неудобна в носке, так как при ходьбе будут затрачиваться значительные усилия для ее изгибания. При этом характер движений нижних конечностей усложнится, движения стопы будут сковываться постоянным напряжением, создавая большие неудобства, плавность походки нарушится, а корпус приобретет неустойчивое положение. Особенно это проявляется в период пользования новой обувью, когда она еще не приформовалась к стопе.
Экспериментальная часть
Жесткий низ обуви, сопротивляясь естественным изгибам стопы в плюснефаланговом сочленении, образует кривизну с большим радиусом, центр которого расположен выше центра голеностопного сустава.
При перемещении общего центра тяжести масс (ОЦМ) опора переносится на переднюю часть следа. Недостаточное изгибание голеностопного сустава компенсируется работой коленного и тазобедренного суставов, вызывая в них дополнительное напряжение.
С увеличением жесткости обуви, увеличиваются амплитуды колебаний ОЦМ тела человека. Это требует приложения больших усилий, большей рефлекторной работы многих групп мышц,
обеспечивающих статическое равновесие в пространстве и, следовательно, большей утомляемости организма.
Следует заметить особую актуальность вопроса снижения изгибной жесткости детской обуви, поскольку организм ребенка еще окончательно не сформирован и легко поддается изменениям под воздействием внешних условий.
При активной мышечной деятельности, под воздействием внешних факторов, организму ребенка становится трудно приспособиться к постоянно увеличивающимся нагрузкам. Явление утомления -один из вопросов, представляющих большой практический интерес, для оценки значимости тех или иных внешних воздействий на организм человека.
В состоянии утомления снижаются: возбудимость и лабильность нервной и мышечной тканей, скорость протекания различных химических реакций, ухудшается деятельность анализаторных систем, учащаются ритмы дыхательных движений, сердечных сокращений, увеличивается
потовыделение. Внешним проявлением утомления на поведенческом уровне являются: ухудшение координации движений, уменьшение их амплитуды и замедление темпа, уменьшение объёма выполняемой работы, ее скорости и точности. На психологическом уровне: нарушение внимания, ухудшение когнитивных функций, снижение эмоционально-мотивационной активности.
У детей при повышении интенсивности мышечной работы утомление наступает быстрее чем у взрослых [1] Это вызвано тем, что коэффициент полезного действия детского организма ниже чем у организма взрослых: он равен у детей 10-12%, а у взрослых - 18%.Любая физическая нагрузка детьми переносится сложнее, чем взрослым. Эффективность усиления легочной вентиляции, повышения частоты сердечных сокращений у них меньше, чем у взрослых.
Послерабочий период у детей отмечается рядом особенностей. Прежде всего это относится к скорости восстановительных процессов. После малых и средних нагрузок восстановительные процессы протекают быстро, после интенсивных и продолжительных - замедленно.
При решении вопроса о нормировании изгибной жесткости детской обуви, одного из основных показателей рациональности ее конструкции, весьма важным является выбор критерия физиологического соответствия взаимодействия системы «стопа-обувь». В процессе эксплуатации обувь проявляет себя как одна из внешних нагрузок, оказывающих существенное влияние на функционирование опорно-двигательного аппарата человека. С увеличением жесткости обуви увеличиваются и нагрузки на организм человека. Поэтому, при нормировании изгибной жесткости обуви, в качестве критерия для оценки ее физиологического соответствия нормальным функциям стопы при ходьбе необходимо выбрать один из физиологических показателей состояния организма человека.
Целенаправленные движения человека представляют собой устойчивый динамический стереотип, характеризующийся определенными энергетическими, кинематическими,
динамическими, временными и пространственными параметрами. Очевидно, что различная степень жесткости обуви определяет характерные особенности конкретного двигательного цикла.
С целью изучения картины изменения угловых перемещений низа обуви при ходьбе в эксперименте участвовали мальчики в возрасте 7-9 лет, с нормальными стопами, средняя длина которых составляла 225±2,5 мм, в количестве - 10 человек. Эксперимент проводился на образцах полуботинок для повседневной носки клеевого метода крепления с изгибной жесткостью от 2,5 до 9,0х102Н/м.
На рисунке 1 показана зависимость изменения угла изгиба подошвы в фазу «перекат через передний отдел» при ходьбе в обуви различной жесткости.
Данные исследований угловых
перемещений низа обуви свидетельствует о том, что ходьба в обуви различной изгибной жесткости, отличается значительной вариацией, что обусловлено индивидуальными особенностями ходьбы и степенью развитости опорно-мышечного аппарата испытуемых. Следует отметить, что по мере увеличения, жесткость обуви вносит все большие изменения в выполнении естественного акта ходьбы, ограничивая подвижность плюснефалангового сочленения стопы и уменьшая изгиб обуви в процессе её эксплуатации.
Как следует из графика (рис. 1), с увеличением жесткости обуви от 2,5 до 7,6*102 Н/м происходит резкое уменьшение угла изгиба обуви с
38,7°
до 28,6°.В интервале жесткости7,6-
Рис. 1 - Изменение угла изгиба подошвы в фазу «перекат через передний отдел» при ходьбе в обуви различной жесткости
9,0х102 Н/м интенсивность изменения угла изгиба низа обуви значительно снижается.
Данную картину изменения угловых перемещений низа обуви можно, по всей вероятности, объяснить тем, что в начальный период увеличение жесткости обуви до 7,6*102 Н/м не приводит к существенным изменениям в характере силового взаимодействия в системе «стопа-обувь». Дальнейшее увеличение жесткости обуви приводит к возрастанию нагрузки на мышцы стопы и голени, при этом, естественно, уменьшается изгиб обуви. В интервале жесткости от 7,6*102 Н/м нагрузка на мышцы достигает той величины, когда начинают вступать в работу дополнительные группы мышц, происходит перераспределение работы мышц, участвующих в локомоторном акте. Интенсивность уменьшения угловых перемещений низа обуви несколько замедляется. После достижения некоторого оптимального режима работы определенных групп мышц, с увеличением жесткости обуви, возрастающие нагрузки на них со стороны обуви приводят к увеличению интенсивности изменения угловых перемещений низа обуви.
Результаты исследований ходьбы детей наглядно показывают, что продолжительность фаз шага с изменением жесткости обуви претерпевает значительные изменения. Сравнение длительности каждой фазы в абсолютных величинах позволило выявить общие закономерности изменения временных параметров в зависимости от жесткости обуви, однако наиболее полную картину дает сравнение результатов ходьбы детей в относительных величинах.
С увеличением жесткости обуви от 0 до 2,5*102 Н/м происходит резкое изменение продолжительности всех фаз и общей длительности шага, что объясняется реакцией организма ребенка на переход от ходьбы в носках к ходьбе в обуви. Анализ результатов исследований ходьбы детей показал, что во все фазы шага наблюдается общая тенденция к снижению угла изгиба низа обуви с увеличением её жесткости, значения угловых перемещений для переката через передний отдел приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Влияние показателя жесткости обуви на длительность фазы переката через передний отдел стопы
Фаза шага Жесткостьобуви, Дх102Н/м
Перекатчерезпе реднийотдел 2,5 3,9 5,5 7,9 9,0
28,6 26,6 24,0 23,1 22,1
Изгибная жесткость обуви зависит от многих факторов: толщины и модуля упругости материала стельки; толщины и модуля упругости материала подошвы; толщины и модуля упругости материала верха; вида простилки; способа затяжки верха; метода крепления низа; содержания влаги в материалах верха и низа; вида предварительной обработки деталей; степени износа подошвы; ширины затяжной кромки; профиля поперечного сечения системы низа обуви, высота каблука; количества слоев деталей, участвующих в образовании поперечного сечения обуви; конструкции верха, ее членения, назначения обуви.
Несмотря на большое количество факторов, влияющих на изгибную жесткость обуви, основную роль в формировании жесткости обуви играют толщина и модуль упругости ее деталей (материалов), метод крепления обуви, конструкция обуви.
В процессе работы были исследованы три системы полимерных материалов - материалы подошвы (полиуретан, термоэластопласт, пористая резина), материал простилки (картон) и материал стельки (стелечная кожа).
Материалы подошвы выбраны, как получившие наибольшее распространение. Так, основными преимуществами полиуретана (ПУ) являются: достаточно высокая теплоизоляция, хорошие эксплуатационные показатели
(устойчивость к многократному изгибу, истиранию, и растяжению) а так же защитные свойства (устойчивость к воздействию масла, нефти и нефтепродуктов). Подошвы из полиуретана отличаются сравнительно небольшой массой и гибкостью, что обеспечивает высокие эргономические свойства обуви в целом. Термоэластапласт (ТЭП) представляет собой группу синтетических подошвенных материалов, в которых сочетаются свойства каучука и термопласта. В результате чего подошва из термоэластопласта получаетсяэластичной, гибкой и упругй; имеющей высокие амортизационные свойства, высокий коэффициентом трения по асфальту и стойкость к истиранию;отличающейся хорошими
теплозащитными показателями, стойкостью к перепаду температур. Подошвы из ТЭП представляют собой интегральную структуру: наружные слои подошвы монолитные, а внутренние, в объёме изделия - пористые.В отличие от пористых подошв из резины твёрдость и истираемостьподошв из ТЭП не зависит от плотности, благодаря наличию монолитного наружного слоя [2, 3].
Установлено, что наибольший вклад в формирование жесткости системы низа оказывает жесткость подошвы, меньший - жесткость простилки и стельки. Кроме того, с увеличением толщины картонной простилки, резко сокращается способность к деформации внутренних её слоев. Наиболее жесткий материал вносит основной вклад в жесткость системы низа.
Установлено, что в детской обуви клеевого метода крепления со стелькой из натуральной кожи для снижения изгибной жесткости обуви целесообразно применять подошвы из тягучих материалов (пористая резина), поскольку в этом случае положение нейтрального слоя будет смещаться в область более жесткого материала. В жестких системах низа (жесткие подошвенные материалы) целесообразно применять мягкие стелечные материалы, так как они лучше работают на сжатие, быстрее приформовываются к стопе и в дальнейшем изгиб сопровождается не только торцевым сжатием материала, но и ее изгибом.
Исходя из того, что жесткость верха составляет 18,54 - 19,3 % от общей жесткости обуви, а также зная зависимость между жесткостью низа и суммарной жесткостью материалов, составляющих низ обуви, представляется целесообразным установить допустимые границы суммарной жесткости деталей низа. Рекомендуемые уровни жесткости обуви выбраны на основании литературных источников и результатов исследований влияния жесткости обуви на биомеханические характеристики ходьбы детей. Выявлены четыре уровня жесткости: первый уровень - обувь с жесткостью до 2,0^102Н/м, второй - от 2.0 до 7,0^102Н/м, третий (допустимый) - от 7,0 до 12,5*102Н/м, четвертый - от 12,5*102Н/м.
Применяемая методика позволяет оценить жесткость обуви по жесткости низа или по суммарной жесткости деталей обуви до ее изготовления.
Таким образом, на основании исследований изменений угловых перемещений низа обуви в процессе ходьбы установлено, что динамика изгиба низа представляет сложную картину силового взаимодействия системы «стопа-обувь». На основании исследований влияния изгибной жесткости обуви на биомеханические параметры ходьбы детей установлено, что жесткость обуви оказывает существенное воздействие на характер взаимодействия системы «стопа-обувь». Временные параметры ходьбы детей с увеличением жесткости обуви претерпевают значительные изменения, что особенно проявляется в фазы шага - «перекат через пятку», «опора на всю стопу». Рассмотрено влияние жесткости отдельных деталей на изгибную жесткость низа обуви. Показано, что наибольший вклад в формирование изгибной жесткости исследуемых систем низа оказывает наиболее жесткий материал системы. Рассчитана изгибная жесткость обуви с подошвой из таких полимерных материалов, как полиуретан, термоэластопласт и пористая резина.
Литература
1. Нормальная физиология: Учебник для студентов вузов /Под ред. Ткаченко Б.И. - М.: Медицина, 2005 - 909 с.
2. Жуковская, Т.В. Инновационные материалы и технологии в проектировании современной обуви для бега /
Т.В. Жуковская, Л. Л. Никитина // Вестник технологического университета. - 2013. - №20 - С.123-125.
3. Никитина Л. Л. Перспективные полимерные материалы в производстве обуви / Л. Л. Никитина, О.Е. Гаврило-ва // Вестник технологического университета. - 2012, -№15 - С.190-194.
© Л. Ю. Махоткина - д.т.н., профессор кафедры КОиО КНИТУ, [email protected]; Н. В.Т ихонова - д.т.н., профессор кафедры КОиО, КНИТУ, [email protected]; Т. В. Жуковская - к.т.н., доцент кафедры КОиО КНИТУ, [email protected]; Р. М. Галя-лутдинова - ассистент кафедры КОиО КНИТУ, [email protected].
© L. Y. Mahotkina - Ph.D., Professor, Department of constructing of clothing and footwear, KNRTU, [email protected]; N. V. Tihonova - Ph.D., Professor, Department of constructing of clothing and footwear, KNRTU, [email protected]; T. V. Zhukovskaja -Ph.D., Associate Professor, Department of constructing of clothing and footwear, KNRTU, [email protected]; R. M. Galyalutdinova -assistant, Department constructing clothes and shoes, KNRTU, [email protected].
