防濺水鞋底設(shè)計(jì)研究

蒙淑蘭

（溫州大學(xué)，浙江 溫州 325000）

前言

人體工程學(xué)是講究“以人為本”，其主要研究人與物、人與環(huán)境以及物與環(huán)境之間的關(guān)系，追求人——機(jī)——環(huán)境三者之間的和諧，以達(dá)到舒適性的目的[1]。在進(jìn)行人體工程學(xué)研究時(shí)要遵循物理的原則、生理和心理兼顧原則、考慮環(huán)境的原則。其中考慮環(huán)境原則中強(qiáng)調(diào)，人——機(jī)關(guān)系并不是單獨(dú)存在的，它存在于具體的環(huán)境中，可單獨(dú)地研究人、機(jī)械、環(huán)境，再把它們綜合起來(lái)研究，因?yàn)樗鼈兪谴嬖谟凇叭恕獧C(jī)—環(huán)境”的相互依存關(guān)系中，絕不可分開討論。此項(xiàng)研究以人為本，從人體工程學(xué)的角度綜合考慮人體的舒適感、鞋子與環(huán)境的關(guān)系，結(jié)合使用分析法、觀察法、實(shí)驗(yàn)法的研究方法的來(lái)進(jìn)行。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

圖1 防水鞋套

鞋子是服務(wù)于腳部的必需品，它使人的腳部免于直接于地面接觸起到保護(hù)作用。但是在下雨天時(shí)，由于人因工程學(xué)和行走步態(tài)的原因，人在每次邁步前進(jìn)時(shí)水會(huì)由于慣性會(huì)順著鞋尖向上甩起落到鞋面上。所以當(dāng)我們?cè)谟蟹e水的路面上行走時(shí)，鞋頭或鞋跟出總會(huì)被積水濺濕，導(dǎo)致鞋幫面或褲腿變臟，并且水從鞋面或褲腿浸入與皮膚接觸時(shí)，會(huì)使人感到很不舒適。現(xiàn)在市場(chǎng)上為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題現(xiàn)象的主要產(chǎn)品有雨靴和防水鞋套，雖說(shuō)同雨靴相比，防水鞋套會(huì)更加方便攜帶，可以即穿即用，不需要換成特殊的鞋子，但因?yàn)榉N種原因還是限制了使用人群，尤其是女性。

無(wú)論是雨靴還是防水鞋套，它們都是我們?cè)谙掠晏熳咴谀酀袈飞蠒r(shí)能夠起到很好的保護(hù)作用的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品主要是通過(guò)在鞋子外面添加保護(hù)套或者把平時(shí)所穿的鞋子換下成雨靴，來(lái)避免泥水對(duì)鞋子的造成的影響和人體的不舒適感，對(duì)鞋子而言起到防濺的效果。這兩種產(chǎn)品有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是外觀造型的不足，功能性很強(qiáng)但是缺乏時(shí)尚性，所以一般人在平坦的道路環(huán)境上行走時(shí)很少會(huì)選擇穿雨靴或者鞋套。

然而，隨著現(xiàn)代的發(fā)展便捷休閑生活方式被越來(lái)越多的人接受，運(yùn)動(dòng)休閑鞋在人們心目中的地位也在不斷提高，在出行時(shí)往往會(huì)選擇自己喜歡的、舒適感比較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)休閑鞋。根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，為了滿足大多數(shù)人需求，這項(xiàng)研究也主要以運(yùn)動(dòng)休閑鞋為主進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 腳部運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析

在控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象身高、體重等其他外界條件均不改變的時(shí)候，僅改變步長(zhǎng)長(zhǎng)度的行走過(guò)程中，步態(tài)特征不是一成不變的，會(huì)隨步長(zhǎng)的改變而改變，在拇指區(qū)、足跖區(qū)、足跟區(qū)的變化尤為明顯[2]。這說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)中如果僅僅只研究一種步態(tài)特征是行不通的，要根據(jù)大眾普遍存在的現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行分析。

3 雨天走路鞋尖被濺濕的原因分析

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)人在有雨水的路上行走時(shí)導(dǎo)致鞋尖被濺起的水浸濕的原因有很多，其中包括以下幾種：

（1）雨天人在有水的路上行走時(shí)容易踩到水坑；

（2）人體在進(jìn)行向前邁步的動(dòng)作時(shí)會(huì)使粘附于鞋底的水隨著前進(jìn)的步伐向鞋尖向上甩動(dòng)，在腳部停止前進(jìn)，向下踩的一瞬間，水會(huì)由于慣性灑落在斜面上；

（3）人體在行走時(shí)的步態(tài)是呈前進(jìn)的動(dòng)作模式，水是由于力的作用呈向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作模式，當(dāng)人在進(jìn)行下一步前進(jìn)動(dòng)作時(shí)就會(huì)踢到在由上向下運(yùn)動(dòng)的水滴；

通過(guò)觀察法得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難總結(jié)出，雨天走路鞋尖被濺濕的原因跟當(dāng)時(shí)的路面環(huán)境、鞋底與地面的接觸面積、人體的行走動(dòng)作有很大的關(guān)聯(lián)。雖然每次濺起的水不多，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間行走的積累水也會(huì)滲透到鞋里，使人的腳部感到不適。

圖2 行走步態(tài)與水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡

4 行走姿勢(shì)對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響分析

下雨天當(dāng)我們走在積水路段時(shí)，經(jīng)常能夠注意到許多人為了避免被路面上的積水或者泥土濺到會(huì)很注意走路的方式，比如踮起腳尖或者腳后跟、放慢腳步，盡管這樣也很難避免問(wèn)題的存在。相反，有些人不需要關(guān)注這些細(xì)節(jié)，行走姿勢(shì)表面上看起來(lái)與常人無(wú)異，鞋子也不會(huì)被浸濕。不難得出，不同的行走姿勢(shì)對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)的軌跡以及最后的結(jié)果有很大的影響。常見(jiàn)的行走姿勢(shì)如圖3。

圖3 人體行走姿勢(shì)圖人體行走姿勢(shì)GIF 動(dòng)圖下載

結(jié)合實(shí)際不同角度來(lái)分析，能夠得出以下規(guī)律：

（1）水的運(yùn)動(dòng)方向是隨著人體走路的動(dòng)作甩到鞋尖上去的，人體在每次腳落地時(shí)就會(huì)沾上水，由于交替走路的方式，后面的腳抬起時(shí)，腳尖對(duì)著地面，鞋底的水就會(huì)甩鞋的前端。

（2）當(dāng)人體抬起的后腿向前邁時(shí)，腳隨之慢慢平行于地面后會(huì)以向前踢出的動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。當(dāng)落地時(shí)，腳的速度停止了，而由于慣性的原因集中在鞋前端的水會(huì)向斜上方甩出，其中一部分水滴由于鞋面與水的分子親和作用被拉回來(lái)之后落在鞋尖上面。

（3）當(dāng)人在走路時(shí)腳繞地面一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鞋底與地面之間的接觸面越小，水滴從鞋底向上的加速度也就越小[3]。因此甩在鞋幫面上的水滴就越少。

（4）當(dāng)人在走路時(shí)腳繞地面一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的接觸面越大時(shí)，產(chǎn)生的力的作用也就越大。當(dāng)水滴的向下的速度和前進(jìn)速度的不能相抵消時(shí)，那么鞋底上的水滴就會(huì)順著慣性的方向甩到鞋幫面上。水與鞋底的界面上是有表面張力的。

5 實(shí)驗(yàn)方案研究

方案1：在鞋底前端增加三條有弧度的橫向防濺水阻擋裝置以及減少鞋底前后腳掌處與地面的接觸面積，測(cè)試是否可以有效的阻擋鞋底前端甩起的積水。同時(shí)測(cè)試橫向底紋是否有利于橫向排水，減少水滴向上飛濺起。

方案2：設(shè)計(jì)鞋底花紋空隙，減少接觸面積使之形成一個(gè)可以起到導(dǎo)水作用的紋路，將擋水底紋設(shè)置成可伸縮或收起的裝置。當(dāng)導(dǎo)水能力和舒適性都有所提高后，測(cè)試是否能有效提高鞋底的排水性能。

方案3：在鞋底前端設(shè)計(jì)一個(gè)整體的擋水凹槽，通過(guò)這個(gè)凹槽的形狀來(lái)阻斷甩起的積水。這也是最簡(jiǎn)單直接的方法，但是這樣做可能會(huì)影響鞋子的翹度，需要測(cè)試穿著這雙鞋子的舒適性。

以方案1 在鞋底上設(shè)置可以擋水的橫向阻擋裝置為例。

上文中提到的雨天走路鞋尖被濺濕的原因分析、行走姿勢(shì)對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響分析以及最終總結(jié)出的規(guī)律，均是根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)的大致過(guò)程如圖4。穿著一雙干燥的鞋子在雨水天氣正常出門行走，當(dāng)人走在積水比較少的道路上時(shí)很難看到有濺起的水滴，但是鞋尖幫面上仍然會(huì)有被水濺濕或者會(huì)有污泥的痕跡；當(dāng)人走在大概6～10 毫米深的積水路面時(shí)，很容易就能觀察被濺起的水滴且非常的明顯，鞋幫面很快就會(huì)被濺濕浸，直到滲透到鞋里使人體感到不舒適。為了防止在有少量積水的路面上行走時(shí)被更多的積水濺濕，通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終得出的防濺水鞋底設(shè)計(jì)圖如圖5。

圖4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖5 防濺水鞋底設(shè)計(jì)圖稿

根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律最適合設(shè)置擋水裝置的位置在鞋子的前翹，而鞋子的前翹高度受到鞋底厚度、鞋幫厚度、放余量數(shù)量的影響。鞋底材料越厚，前翹高度也就會(huì)更高。一般來(lái)說(shuō)，前翹就是指做鞋子的鞋楦的前翹是高度和角度，設(shè)置此擋水槽要根據(jù)每雙鞋的楦型、翹度、材料以及放余量來(lái)確定它的大小和位置來(lái)確定。

圖6

根據(jù)效果圖做出的基本模型如圖7。接下來(lái)的是測(cè)試模型的擋水底紋是否有利于減少水滴飛濺到鞋面上。

圖7 基本設(shè)計(jì)模型

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試無(wú)設(shè)計(jì)擋水底紋與有設(shè)計(jì)擋水底紋的鞋子，在積水6mm 以內(nèi)行走5min 的效果如圖8，圖9。

圖8 無(wú)設(shè)計(jì)擋水底紋效果

圖9 有設(shè)計(jì)擋水底紋效果

設(shè)計(jì)原理：基于人體工程學(xué)原理，經(jīng)過(guò)行走步態(tài)與水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡分析與實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出的鞋底主要的部分就是在鞋底前翹上面的三條有層次、有弧度的擋水橫紋、鞋底面的反向擋水紋路（即鞋底跟處減少水往后濺起，鞋底前端處的紋路可以起到逐步減少濺水的作用）、細(xì)微的擋水紋路。這三個(gè)部分可以依次減少水滴濺起的量，量比較大的水滴由最主要的、有弧度的擋水橫紋來(lái)完成，以此來(lái)減少鞋幫面濺水量。最后，當(dāng)人們雨天走在有積水的路面上時(shí)，穿著使用這款鞋底的鞋子能夠?qū)Ρ恍訋饋?lái)的水起到阻擋作用，防止泥水濺起浸濕鞋幫面和褲腿，給人帶來(lái)不適感。

結(jié)論

從人體工程學(xué)的角度來(lái)研究人與鞋子與環(huán)境之間的關(guān)系，結(jié)合利用物理學(xué)科的方法知識(shí)來(lái)分析人們?cè)谟晏熳呗窌r(shí)鞋尖被濺濕的原因、行走姿勢(shì)對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響對(duì)于防濺水鞋底的設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。現(xiàn)如今，從人體工程學(xué)的角度來(lái)研究這類便捷的防水鞋底的人還不是特別多，隨著社會(huì)的發(fā)展人們會(huì)越來(lái)越注重自身的舒適感，此類以人為本，以“人”為出發(fā)點(diǎn)來(lái)考慮的鞋類產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該得到更多的關(guān)注。在設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)該充分考慮到人們的需求和鞋子本身的舒適感，不斷克服環(huán)境對(duì)人體的影響。