基于鞋底的人體工學(xué)設(shè)計(jì)

張西珠 楊亞文

（太原工業(yè)學(xué)院，山西太原 030008）

鞋是人類日常生活的必備品，不同人群對(duì)鞋的穿著需求和要求不同，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮其美觀性，更要考慮其舒適以及安全性。隨著人們消費(fèi)能力的提高和消費(fèi)理念的改變，在關(guān)注美觀的同時(shí)更加關(guān)注鞋底的舒適性，特別是對(duì)其安全性的設(shè)計(jì)要求更高；安全方面主要體現(xiàn)在防滑性能的優(yōu)劣方面。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)因滑跌至傷亡事件每年約500萬(wàn)件，因此而引發(fā)的各類糾紛及案件約7萬(wàn)件；每年因?yàn)樾讓?dǎo)致意外受傷需入院治療的人數(shù)，占比因其他疾病入院治療人數(shù)的35%甚至更多。據(jù)文獻(xiàn)介紹：美國(guó)因?yàn)樾讓?dǎo)致滑倒而引發(fā)的事故占全美工傷事故統(tǒng)計(jì)率的17%，同時(shí)占公共場(chǎng)所事故統(tǒng)計(jì)率的18%，而占比家庭事故統(tǒng)計(jì)率的20%；根據(jù)美國(guó)安全工程協(xié)會(huì)分析，不同因素導(dǎo)致的滑倒引發(fā)的事故是導(dǎo)致死亡的第二大因素。由此可見，如何優(yōu)化鞋底的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和提高其防滑性能，有效預(yù)防和減少滑跌事故的發(fā)生，基于鞋底的人體工學(xué)研究和設(shè)計(jì)具有一定的必要性。

1 鞋底導(dǎo)致事故率的統(tǒng)計(jì)

鞋底的人機(jī)結(jié)合面包括：與腳直接接觸部分即鞋內(nèi)底和與地面接觸部分即鞋外底，本論文僅研究鞋底與地面接觸的部分—鞋外底的防滑性能，防滑指標(biāo)的高低直接影響其穿著的舒適性及安全性。鞋底的防滑指標(biāo)的高低通常指鞋外底對(duì)不同地面的抓著程度以及防滑性能，而防滑性能又是衡量鞋底功能的重要指標(biāo)之一；在鞋底的分析和設(shè)計(jì)中運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)理論開展研究十分重要（人機(jī)工程學(xué)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的交叉科學(xué)，運(yùn)用人體測(cè)量學(xué)、解剖學(xué)、生理衛(wèi)生、系統(tǒng)科學(xué)理論、社會(huì)學(xué)、管理學(xué)及技術(shù)科學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科的理論和知識(shí)，主要研究系統(tǒng)中人、機(jī)及其所處的工作環(huán)境中特別是人、機(jī)與環(huán)境結(jié)合面之間的關(guān)系，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，使人機(jī)系統(tǒng)獲得高工效和安全），將其運(yùn)用在鞋底的人機(jī)學(xué)分析和設(shè)計(jì)中，使鞋與人及環(huán)境更加和諧和匹配，更符合人們的心理和身體需要。而影響防滑指標(biāo)的主要因素主要是內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境兩部分，內(nèi)部環(huán)境如：鞋底本身的材質(zhì)、形狀、花紋等；外部環(huán)境中地面因素的影響。

1.1 防滑性能

人在步行和運(yùn)動(dòng)時(shí)，鞋外底與地面之間的人機(jī)結(jié)合面將產(chǎn)生不同的摩擦力，本文研究的摩擦力包括水平方向的摩擦力和垂直方向的摩擦力兩部分，二者之比即為摩擦系數(shù)。鞋外底的防滑指標(biāo)通常是通過(guò)摩擦系數(shù)的數(shù)值來(lái)表征，摩擦系數(shù)的數(shù)值越大，鞋底的防滑指標(biāo)相對(duì)越高，而防滑性能就越好。根據(jù)美國(guó)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析：當(dāng)摩擦系數(shù)μ＜0.4時(shí)，非常危險(xiǎn)；0.5≤μ≤0.6時(shí)，基本安全；μ＞0.6時(shí)，非常安全。對(duì)其防滑性能的人體工學(xué)進(jìn)行分析，人機(jī)結(jié)合面對(duì)鞋外底在防滑性能的影響，主要包括人體靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)纱蠓矫妫梭w在腳下打滑之前，無(wú)防范意識(shí)或者薄弱、認(rèn)知程度低，在滑動(dòng)時(shí)人體工學(xué)的參數(shù)會(huì)隨著環(huán)境發(fā)生變化，人體無(wú)法及時(shí)采取防范措施，而導(dǎo)致滑事故的發(fā)生。

1.2 樣式和材質(zhì)

鞋的樣式和種類很多，從種類方面分類如：旅游鞋、涼鞋、板鞋、野外鞋、足球鞋、籃球鞋、高跟鞋、時(shí)裝鞋等。旅游鞋的特點(diǎn)是輕便、柔軟、彈性好、耐磨、減震、防滑，抓地性和穩(wěn)定性較；布膠鞋的耐磨止滑較好，穿著舒適且寬松；涼鞋的鞋底采用各種塊狀、呈立體的花紋，以增加對(duì)特種路面的摩擦阻力；野外鞋要求鞋底較厚且輕，外底采用高密度的、硬度適中、耐磨防滑性能好的橡膠材料，鞋底紋路可以設(shè)計(jì)為點(diǎn)狀或顆粒狀，以提高其摩擦阻力和抓地力，增強(qiáng)人們身處野外時(shí)的安全系數(shù)、穩(wěn)定性以及保護(hù)性；足球鞋籃球鞋都要求有較好的穩(wěn)定性、防滑性、耐磨性；高跟鞋和時(shí)裝鞋要求美觀，穿著時(shí)要舒適，有良好的穩(wěn)定性和防滑性。

隨著科技的進(jìn)步，鞋底的材質(zhì)也再不斷變化和發(fā)展。原來(lái)的鞋底大多采用天然或合成材料，包括合成橡膠、木材和天然橡膠（NR）等；現(xiàn)在則多用人工合成材料，主要為NR、PVC、PU、TR和EVA。據(jù)統(tǒng)計(jì)橡膠材料約占30%、PVC占28%、TPR占15%、EVA和PU等占19%。在控制其他因素不變的前提下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得鞋底的摩擦系數(shù)，其平均值大小依次為：橡膠>TPR>PVC>PU>EVA，可在部分鞋類外底的防滑指標(biāo)中查詢，抗滑性能試驗(yàn)表明，各種不同的路面材料和濕度，都會(huì)不同程度地影響鞋底的防滑性能，而對(duì)TPR鞋底的影響為最大。

1.3 花紋

花紋或者紋路的形狀直接關(guān)系到鞋外底的防滑效果，是鞋外底的重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之一，其直接與地面接觸，通常的防滑效果良好的紋路形狀或結(jié)構(gòu)，包括波浪紋、點(diǎn)狀紋、菱形紋等幾何圖案形狀的紋路以及特殊紋路等，其深度的設(shè)計(jì)是衡量鞋外底防滑性能的關(guān)鍵。特殊紋路則是用于特殊環(huán)境中的、且有特殊用途的，如軍用方面。研究發(fā)現(xiàn)，在粗糙度方面，菱形紋的防滑性能優(yōu)于點(diǎn)狀紋的防滑性能；在光滑面方面，則正好相反；而波浪紋的防滑性能主要取決于紋路的排列疏密，同時(shí)，紋路的深淺度與摩擦系數(shù)的大小相關(guān)。已有研究表明，在光滑的路面上，縱向紋路有較好的防滑性能，但在粗糙的路面上，性能要差一些，很少單獨(dú)使用縱向等單一的紋路。

1.4 路面

引起滑倒的因素除了鞋子本身，另一個(gè)重要因素就是環(huán)境，即與鞋直接接觸的路面。目前城市道路鋪裝形式有：剛性鋪裝、柔性鋪裝、薄層彩色防滑路面等?；炷龄佈b形式，與鋼筋粘接牢固、使用壽命久、抗滑性好、成本低、耐磨性強(qiáng)；防滑面磚鋪裝形式，與鋼筋粘接牢固、使用壽命長(zhǎng)、耐磨、成本低，但是防滑性能不好，容易局部脫落；橡膠鋪裝形式，重量小、成本低、顏色多樣，但是容易磨損、脫落、防滑效果一般；塑膠鋪裝形式耐磨、防滑、美觀，但是易磨損、老化；木質(zhì)地板鋪裝形式，易褪色，雨天防滑性差；薄層彩色防滑鋪裝形式，厚薄適中、重量輕、防滑性能好、色彩豐富；瀝青鋪裝形式，耐磨損、防滑性好，但是成本高、溫度要求高?？傊?，路面的鋪裝形式、材質(zhì)不同對(duì)鞋外底的影響也不相同；假設(shè)底紋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣，鞋底的材質(zhì)為橡膠底（輪胎底）、牛津底、塑膠底時(shí)，對(duì)指定路面來(lái)說(shuō)其防滑性能雖然不同，但是橡膠底（輪胎底）、牛津底的防滑性能優(yōu)于塑膠底。

2 技術(shù)方案

2.1 鞋底的防滑結(jié)構(gòu)方案

（1）根據(jù)上述相關(guān)敘述，影響鞋子防滑性能的因素中，應(yīng)該綜合考慮材料的選擇、鞋底的結(jié)構(gòu)和鞋底花紋的設(shè)計(jì)，研究它們?nèi)叩淖罴呀Y(jié)合點(diǎn)，使其防滑性能的人機(jī)匹配性最佳。針對(duì)鞋底材質(zhì)設(shè)計(jì)，分別要求測(cè)出其不同材質(zhì)、在不同環(huán)境中地面的動(dòng)摩擦系數(shù)并進(jìn)行比較，綜合各種情況選取防滑性能最好的材料。通過(guò)查閱相關(guān)資料可以利用新型合成材料提高防滑性能。目前鞋底材質(zhì)中橡膠防滑性能最好。

（2）針對(duì)鞋底的花紋設(shè)計(jì)，要考慮花紋的深度、溝槽寬度以及花紋的方向，測(cè)量方向分別為水平方向、45度方向和豎直方向，綜合考慮使設(shè)計(jì)的底紋其防滑性能達(dá)到最好。

（3）針對(duì)鞋底的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求通過(guò)大量試驗(yàn)，測(cè)試不同場(chǎng)合、不同環(huán)境下、不同樣式鞋的防滑性能，綜合對(duì)比，設(shè)計(jì)出有針對(duì)性的鞋底結(jié)構(gòu)。

2.2 防滑性能測(cè)試方案

由于鞋底的防滑性能與鞋底的材質(zhì)、花紋、環(huán)境地面摩擦有關(guān)系，因此，為測(cè)定不同材質(zhì)、鞋底花紋，在不同的環(huán)境中的防滑性能，選取橡膠、聚氨酯底（PU）、仿革底（PVC）、TPR底四種材質(zhì)，2種花紋鞋底24雙作為測(cè)試樣品，分別測(cè)出其對(duì)指定地面的摩擦系數(shù)大小并進(jìn)行比較和分析。

2.3 防滑測(cè)試方法

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，目前防滑測(cè)試方法以及檢測(cè)設(shè)備較多。所有的測(cè)試方法都是通過(guò)測(cè)量摩擦力與垂直載荷來(lái)計(jì)算摩擦系數(shù)的。第一種防滑性能測(cè)試原理是把被測(cè)量試樣置于儀器的平面玻璃板指定位置，以甘油作為潤(rùn)滑劑，加載至額定載荷，通過(guò)橫向牽引力使得試樣做水平運(yùn)動(dòng)，測(cè)量其動(dòng)摩擦力的數(shù)值并且計(jì)算其動(dòng)摩擦系數(shù)的數(shù)值；第二種是將被測(cè)試樣的待測(cè)面水平置于毛玻璃的指定位置，加載并以一定的速度水平拉動(dòng)，直至測(cè)出其最大拉力數(shù)值為止，同時(shí)計(jì)算出靜態(tài)摩擦系數(shù)的大小；第三種是將被測(cè)試樣置于平面上，施加額定的法向力，水平移動(dòng)，后續(xù)測(cè)量和計(jì)算同第二種。本次試驗(yàn)需要模擬不同種類的地面（除材質(zhì)、花紋、地面種類不同，保證其他因素相同）同時(shí)采用動(dòng)摩擦法更能模擬人的真實(shí)狀況。實(shí)驗(yàn)原理為模擬人穿鞋接觸各種模擬地面時(shí)，測(cè)量人腳水平方向所受的滑動(dòng)摩擦力，計(jì)算各種模擬地面與鞋底的摩擦系數(shù)。

試驗(yàn)儀器與材料：潤(rùn)滑劑、模擬地面、壓力、拉力傳感器、記錄儀。

實(shí)驗(yàn)步驟：在鞋底上涂上潤(rùn)滑油，將其水平放在模擬地面上，使其保持水平、平穩(wěn)的速度行走固定距離，利用傳感器保持一定的力，連續(xù)測(cè)量并記錄平均值。

3 結(jié)論

摩擦系數(shù)、摩擦力與垂直載荷比值，可以從三個(gè)方面進(jìn)行比較：一是按照同種花紋、地面，不同材質(zhì)；二是按照同種花紋、材質(zhì)，不同地面；三是按照同種材質(zhì)、地面，不同花紋，分別進(jìn)行比較得出結(jié)論。為了防止發(fā)生滑倒跌傷安全事故，采用安全人機(jī)技術(shù)方案，保證在設(shè)計(jì)防滑性能鞋底時(shí)安全、經(jīng)濟(jì)和高效，人機(jī)匹配性最佳，分別從影響防滑性能的鞋底的材質(zhì)、花紋、環(huán)境地面等方面綜合考慮，使各方面因素相互配合達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)，獲得更好的設(shè)計(jì)，更好的安全。