CC BY
16
УДК 685.345
Л. Л. Никитина, О. Е. Гаврилова, Р. Р. Уразова
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОДОШВ ДЛЯ ЛЮДЕЙ С БОЛЬШОЙ МАССОЙ ТЕЛА. ЧАСТЬ 1
Ключевые слова: подошва, износ, масса тела человека, силовое воздействие на подошву в динамике и статике, конструктивные особенности полимерных подошв.
Опытная носка образцов обуви людьми с большой массой тела показала, что происходят значительные разрушения конструкций обуви, которые происходят также из-за нерациональных конструкторских решений в построении подошвы. Подошва - деталь обуви, которая непосредственно контактирует с опорной поверхностью и выполняет значительную работу. Обеспечение эксплуатационных свойств подошвы обуславливается применяемыми материалами и конструктивным решением подошв. В части 1 приведен анализ износа обуви людьми с большой массой тела в процессе опытной носки, показано, что обеспечение эксплуатационных характеристик требует исследования силового воздействия на подошву в динамике и статике для ее рационального проектирования и выбора конструктивных решений.
Keywords: footwear sole, deformation, the weight of the human body, a dynamics and statics power to the sole, design features of the
plastic soles.
Experimental use of footwear samples, wearing people with big body weight, showed that there are considerable destructions offootwear construction which happen also because of irrational design decisions in creation of a footwear sole. Sole is a detail of footwear which directly contacts to a basic surface and perform much work. Ensuring exploitation properties of the sole caused by materials and design solutions. The analysis of footwear deformation by people with big body weight in the course of experimental use is provided in the part 1, it is shown that providing exploitation characteristics demands research of dynamics and a statics power impact to a sole to ensure its rational constructive decision.
Введение
Одной из проблем современной повседневной обуви, используемой людьми с большой массой тела, является то, что большая ее часть теряет свои эксплуатационные свойства до наступления предполагаемого срока ее физического износа. Так, например, нормами обеспечения работников военизированных горноспасательных частей, находящихся в ведении Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, форменной одеждой и обувью [1] срок носки повседневных полуботинок кожаных черного цвета составляет 2 года, тогда как физический износ обуви у лиц с большой массой тела наступает гораздо раньше.
Эксплуатационные свойства обуви характеризуются такими показателями, как долговечность, фор-моустойчивость, безотказность, ремонтопригодность.
Долговечность - свойство изделия сохранять свои утилитарные и эстетические функции до наступления предельного состояния, при котором выполнение их становится невозможным, связано с износостойкостью отдельных деталей и скреплений, характеризуется сроком службы, т.е. продолжительностью носки до момента разрушения обуви под действием внешних факторов.
Безотказность - это свойство изделий непрерывно сохранять свое работоспособное состояние в течение определенного времени без ремонта при сохранении показателей своих свойств в пределах установленных нормативно-технической документацией, характеризуется гарантийным сроком изделия.
Ремонтопригодность - это доступность обнаружения повреждения, возможность его устранения и
восстановления первоначального вида и формы изделий существующими методами и техническими средствами. Ремонтопригодность обеспечивается заменяемостью деталей, восстановлением повреждений, возникших в определенных условиях носки.
Формоустойчивость - способность изделий сохранять в процессе эксплуатации и хранения свою первоначальную форму, фактуру лицевой поверхности (цвет, блеск, рисунок, ворс) и физико-механические свойства, деформироваться в допустимых пределах и не деформироваться в такой степени, чтобы вызывать неудобства [2].
Определение рациональных конструктивных решений обуви для обеспечения соответствующих срокам носки эксплуатационных характеристик потребовало анализа износа образцов обуви после опытной носки. В качестве образцов были выбраны мужские полуботинки, эксплуатируемые сотрудниками МЧС, имеющими большую массу тела. Конструктивное решение верха обуви рассматриваемых образцов - полуботинки с боковыми резинками. Детали верха изготовлены из натуральной кожи. Подкладка комбинированная - в пяточной и геле-ночной частях из натуральной подкладочной кожи, в носочно-пучковой части текстильная. Подошва образцов обуви формованная из термоэластопласта с высотой торца, включая бортик, в носочной, пучковой частей - 12 мм, в геленочной части - 10 мм, в пяточной части каблук, высотой 25 мм. Подобная конструкция верха, полуботинки с боковыми резинками, позволяет сотрудникам МЧС быстро осуществлять надевание и снятие обуви со стопы, а также способствует расширению полнотных границ для людей с широкими параметрами стопы и подъема за счет наличия эластичного элемента конструкции -эластичной ленты (резинки).
Исследовательская часть
Для определения пограничной массы тела человека, при которой наблюдается существенный преждевременный физический износ обуви, проведен опрос среди сотрудников МЧС с целью установления взаимосвязи роста и массы человека с длиной (размером) стопы и оказываемым силовым воздействием. Исследование проводилось среди сотрудников МЧС России Главного Управления Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий по Республике Татарстан, отдела надзорной деятельности по Советскому району г.Казани. В опросе приняло участие 50 респондентов.
Средние значения исследуемых
антропометрических параметров для обозначенной выборки (50 человек) составили: возраст 32 года, рост 180 см, масса 86 кг, размер обуви (длина стопы) 43 (в метрической системе нумерации 275). В табл. 1 приведены средние значения антропометрических показателей во взаимосвязи с размером обуви (длиной стопы).
Таблица 1 - Средние значения антропометрических показателей сотрудников МЧС по Республике Татарстан отдела надзорной деятельности по Советскому району г. Казани
Размер* Количество Средние арифметические
респондентов значения показателей
Возраст, Рост, Масса,
лет см кг
41 (265) 2 31 177 79
42 (270) 11 31 177 82
43 (275) 21 32 177 84
44 (285) 7 32 185 87
45 (290) 6 33 185 94
46 (295) 2 32 189 94
47 (305) 1 27 194 94
* В столбце «размер» указаны значения размеров в штихмасовой системе нумерации, в скобках - в метрической.
Для настоящего исследования наибольший интерес представляли значения антропометрических параметров группы респондентов, имеющих размеры обуви с 43 по 47, обувь которых в большинстве случаев обнаруживала значительный физический износ уже в первой половине нормированного срока носки.
Средние значения исследуемых
антропометрических параметров для обозначенной выборки составили: возраст 26 лет, рост 181 см, масса 87 кг, размер обуви (длина стопы) 45 (290). Для респондентов, имеющих большие размеры обуви, характерно возрастание значений роста и массы тела человека. Таким образом, под большой массой тела человека в рамках проведенного нами исследования понимается масса от 87 кг.
Фотографии рассматриваемых образцов после опытной носки (рис. 1 - 5) позволяют выявить следующие причины физического износа обуви:
1) внутренние напряжения, возникающие в материале при многократных деформациях деталей в процессе передвижения человека - рис. 1 (разрушение основной стельки в пучковой части и растяжение эластичной ленты), рис. 2 (проседание жесткого задника и его деформации), рис. 3 (разрушение клеевого соединения низа с верхом обуви в области пучков);
2) взаимодействие стопы и внутренней поверхности обуви - рис. 4 (износ подкладки в области пятки);
3) взаимодействие обуви с грунтом и наружными предметами - рис. 5 (износ подошв, каблуков, царапины на верхе).
Рис. 1 - Разрушение основной стельки в области пучков, растяжение эластичной ленты
Рис. 2 - Деформация (проседание) жесткого задника
Рис. 3 - Разрушение Рис. 4
клеевого соединения ни- кладки
за с верхом обуви в об- части ласти пучков
- Износ под-в пяточной
Рис. 5 - Износ подошвы
Фактором, обуславливающим выявленные причины разрушений элементов конструкций исследуемых образцов обуви, является перенос конструктивных решений с исходного размера без учета изменений нагрузок на элементы конструкции с увеличением массы тела человека на построение конструкций обуви больших размеров.
Для определения наиболее оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик исследуемых образцов обуви необходимо рассмотреть биомеханику стопы, и дать характеристику силовым воздействиям на обувь массы тела человека при интенсивной эксплуатации обуви.
Давление на опору зависит от скорости движения человека: чем быстрее перемещается человек, тем больше силы инерции и давление на опору. Усилия, передаваемые человеком на опорную поверхность при движении, выражаются динамическим коэффициентом, q, определяемым по формуле (1):
q=р, (1)
где 2 - усилия, передаваемые человеком на опорную поверхность при движении; Р - масса тела человека.
Установлено, что при медленной ходьбе в легкой обуви динамический коэффициент равен 1,0, в тяжелой обуви - 1,23, при быстрой ходьбе - 1,5, при беге - 1,8, при прыжках - 3,0. При движении с грузом динамический коэффициент будет еще больше, т. к. груз участвует в колебаниях и является динамической нагрузкой. Утомление человека во время ходьбы снижает динамичность усилий, т.к. при этом укорачивается шаг, более низко располагается центр тяжести, меньше становится амплитуда колебаний человека.
Давление при ходьбе на всех участках опоры изменяется от нуля до значения, характерного для данной точки и высоты каблука. Наибольшее давление при всех значениях высоты каблука наблюдается, как и при стоянии, под бугром пяточной кости, головкой пятой плюсневой кости и, кроме того, под большим пальцем. Как видно из рис.1 разрушение элементов конструкции обуви происходит в местах наибольшего давления стопы на опорную поверхность обуви.
При нарушении биомеханики на какую-то часть стопы приходится избыточная нагрузка. Характер нагрузок полностью определяет форму стопы, а также работу отдельных ее элементов. Если нагрузка в отдельных участках является чрезмерной, стопа может начать видоизменяться, адаптироваться к текущим условиям.
Изменение размеров стопы при ее нагруженно-сти происходит благодаря пружинящим свойствам сводов, сжатию и растяжению стопы в плюснефа-ланговом сочленении, увеличению ширины жировой прослойки в результате ее сжатия по толщине. Обхваты в плюснефаланговом сочленении по внутреннему и наружному пучкам, через середину стопы, пятку и сгиб, и над лодыжками колеблются между наименьшим при переносе стопы (висячая нога) и наибольшим при опоре на пучки. Причем при опоре на пучки стопа имеет обхват, примерно равный обхвату при стоянии (опоре) на двух ногах.
Характер изменений размеров стоп различных морфологических типов в основном одинаков. Разница заключается лишь в величине этих изменений. Важное значение имеет то, что размеры стопы не остаются постоянными во время длительных переходов. При продолжительном переходе с переносом тяжестей длина стопы изменяется от -1,5 до +5,0 мм, а ширина в пучках - от -3,0 до +3,4 мм. Изменение размеров стопы в процессе длительной эксплуатации приводит к повышению нагрузок в области пучков и разрушению клеевого соединения (рис. 3).
Значительную работу в обуви выполняют такие элементы конструкции, как союзка и подошва. Союзка подвергаются значительным нагрузкам при движении человека, так как находится над плюсне-фаланговым сочленением стопы. При переносе опоры стопы на пучки она сильно изгибается, а в момент опоры - растягивается. Основной работой союзки являются многократный изгиб и растяжение. Многократный изгиб материала приводит к его разрушению. В процессе ходьбы в обуви при изгибании стопы в плюснефаланговом сочленении пятка отделяется от стельки и движется вверх, опережая движение пяточной части обуви. При движении пятки вверх поверхность задника деформируется и истирается (рис. 4). При неправильной форме задника и малой жесткости материала движение пятки вверх и вниз, кроме истирания его поверхности, вызывает изгиб задника по стелечному ребру и его оседание. Так как каблук наклонен к поверхности опоры под углом примерно 10°, на задник в некоторый период времени действуют силы, одна из которых стремится сдвинуть пяточную часть верха назад, вызывая ее изгиб в области стелечного ребра, другая - осадить задник, деформируя его грани (рис. 2).
Подошва - деталь обуви, которая непосредственно контактирует с опорной поверхностью и работает на истирание и повторные изгиб, поглощает часть нагрузки и рассредоточивает по площади. Способность подошвы поглощать часть нагрузки передаваемой телом человека на опорную поверхность и рассредоточивать ее по площади во многом определяет износ в частности подошвы и обуви в целом. При проектировании обуви для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик необходимо особое внимание уделить рациональному проектированию подошвы.
Выводы
Таким образом, недостаточное внимание к обеспечению эксплуатационных характеристик подошв для людей с большой массой тела при ее проектировании не позволяет обеспечить высокие эксплуатационные свойства обуви в целом. Рациональное проектирование подошв обуви возможно только при наличии научно обоснованных рекомендаций по их проектированию, учитывающих данные силовых расчетов элементов конструкции подошвы обуви при воздействии на них большого веса. В части второй данной статьи приводится анализ применяемых материалов для изготовления формованных подошв, анализ конструктивных решений современных образцов подошв и рекомендации по усовершенствованию конструкций подошв с учетом выше приведенных результатов исследования и свойств полимерных материалов.
Литература
1. Приказ МЧС РФ от 20 июня 2012 года №346 «О форменной одежде работников военизированных горноспасательных частей, находящихся в ведении Министерства Российской Федерации по делам гражданской оборо-
ны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» 2. Никитина Л.Л. Создание изделий легкой промышленности с улучшенными потребительскими свойствами с применением полимерных материалов / Л.Л.Никитина,
О.Е.Гаврилова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 19. - С. 110-111.
© Л. Л. Никитина - канд. пед.наук, доцент кафедры конструирования одежды и обуви КНИТУ, E-mail: naik@bk.ru, О. Е. Гаврилова - канд.пед.наук, доцент той же кафедры, E-mail: oegavrilova@mail.ru, Р. Р. Уразова - магистр кафедры конструирования одежды и обуви КНИТУ, E-mail: urazova@mail.ru
© L. L. Nikitina - edging. ped. sciences, associate professor of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university». E-mail: naik@bk.ru; O. E. Gavrilova - edging. ped. sciences, associate professor of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university». E-mail: oegavrilova@mail.ru, R .R. Urazova - master of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university». E-mail: urazova@mail.ru.
