автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.06, диссертация на тему:Исследование и разработка метода расчета стелечного узла для профилактики продольного плоскостопия



и

россиискии заочный институт текстильнои

и легкой промышленности

На правах рукописи

КУПРИЯНОВ Анатолий Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА СТЕЛЕЧНОГО УЗЛА ДЛЯ ПРОФИЛАКТИКИ ПРОДОЛЬНОГО ПЛОСКОСТОПИЯ

Специальность 05.19.06 - «Технология обувных и

кожевенно-галантерейных изделий»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических науь профессор Александров С.П.

/ доктор технических наук,

У

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

с

Введение...................................................5

Глава 1. Литературный обзор, постановка цели и задач исследования. . 8

1.1. Обоснование темы исследования.............................8

1.2.Современное состояние производства эргономичной обуви за рубежом.................................................10

1.3.Морфология продольного плоскостопия и контактного взаимодействия стопы с опорой..............................12

1.4.Феноменологические и математические модели стопы............18

1.5.Классификация стелечных узлов обуви для профилактики и

коррекции продольного плоскостопия.........................23

1.5.1 .Разделение по функциональным, структурным и конструктивным признакам............. . ...................................24

1.5.2.Магнитные и массажные с акупрессурной стимуляцией стельки. . . 28

1.5.3.Типы корригирующих элементов в стелечных узлах для

профилактики продольного плоскостопия....................30

1.6.Причинно - следственная связь появления плоскостопия..........33

1.7.Постановка цели и задач исследования; ограничение области

исследования..............................................33

Глава 2. Определение граничных условий взаимодействия стопы с

опорной поверхностью......................................37

2.1.Методы теоретического и экспериментального исследования......37

2.2.Экспериментальное определение геометрических параметров

внутреннего продольного свода стопы .......;.................40

2.3.Определение порогов болевых ощущений на плантарной

поверхности стопы........................................46

2.3.1.Экспериментальное определение порогов болевых ощущений на

плантарной поверхности стопы при нормальных нагрузках . .......51

2.3.2.Экспериментальное определение порогов болевых ощущений при горизонтальных продольных нагрузках в подпальцевой зоне стопы . .57

2.4.Определение зависимостей давления и площади опоры стопы от

массы носчика .............................................59

2.4.1.Методика проведения эксперимента..........................59

2.4.2.Построение зависимостей максимального давления на плантарной поверхности стопы и площади опоры от массы носчика...........60

2.4.3. Сопоставление зависимостей давления и площади опоры стопы

от массы носчика........................................62

Глава 3.Определение системообразующих параметров расчетной схемы взаимодействия модели стопы с опорной поверхностью, упругой

поддержкой и упором...................................... .64

3.1.Выбор управляющих переменных воздействия корригирующих стелечных элементов на стопу................................64

3.2.Морфологическое описание модели стопы и составление ее структурной схемы.....................................................66

3.3.Определение коэффициентов нагрузки и динамичности в фазе полного контакта стопы с опорой....................................71

3.4.Определение упругого параметра модели стопы - коэффициента

жесткости стягивающей эквивалентной мышцы и ее составляющих . . 76

3.5. Определение геометрических параметров оси стягивающей

эквивалентной мышцы модели стопы ..........................78

3.6.Определение деформаций эквивалентных мышц нормальной и

уплощенной стоп............................................82

3.7.Определение геометрических параметров модели стопы при ее

взаимодействии с корригирующим элементом....................85

Глава 4. Разработка метода расчета корригирующих продольное

плоскостопие элементов стелечного узла...................91

4.1 .Разработка методики расчета усилия действующего на стяжку модели

стопы при ее взаимодействии с плоской опорной поверхностью .... 91

4.2.Расчет усилия, действующего на стяжку модели стопы без корригирующего элемента и подпальцевого упора при ее взаимодействии с плоской опорной поверхностью................94

4.3.Разработка методики силового расчета модели стопы при ее взаимодействии с корригирующим элементом, повторяющим профиль внутреннего продольного свода стопы..................96

4.4.Расчет усилия на подвижном конце упругой стяжки модели стопы . . 103 4.5.Определение характера изменения силы растяжения по длине

упругой стяжки............................................108

4.6.Расчет удлинения упругой стяжки для типовых схем нагружения модели стопы..............................................114

4.7.Расчет упруго - геометрических характеристик корригирующего элемента................................................. 120

4.8.Оценка влияния упругого подпальцевого упора на взаимодействие

стопы с корригирующей стелькой и расчет его упруго - геометрических характеристик.............................................122

Заключение..................................................127

Библиографический список использованной литературы............. 129

Приложения................................:................ 134

ВВЕДЕНИЕ

Ученые прогнозируют, что 21 век будет характеризоваться широкими исследованиями и разработками, направленными на дальнейшую гуманизацию окружающей человека среды. В этой связи особую актуальность I/ приобретают разработки эргономичной обуви, обеспечивающей большую комфортность при носке, профилактику и коррекцию наиболее распространенных отклонений и заболеваний стопы и всего опорно-двигательного аппарата человека. Под эргономичной обувью будем понимать обувь, конструкция которой создает наибольшую комфортность при носке, ')

профилактику возможных заболеваний стопы, коррекцию начальных лл-г 0 " отклонений и изменений от нормы и, в частности, эргономичная обувь ^ обеспечивает профилактику и коррекцию продольного плоскостопия.

Объектом исследования является процесс взаимодействия стопы носчика с системой низа обуви, содержащей корригирующие элементы, предназначенные для коррекции и предупреждения прогрессивного развития продольного плоскостопия в более отягощенные стадии.

Предмет исследования - разработка конструкций корригирующих элементов- подбор их упруго-геометрических характеристик, обеспечивающих заданный ^¡эовень профилактики продольного плоскостопия.

¿Л л ->*

В основе теории проектирования системы низа обуви должны лежать гф

Ь"

исходные положения, предопределяющие направления синтеза комфортной и функционально оправданной системы низа обуви.

В настоящее время эти положения, часто формулируемые как требования, отражающие в основном защитные (от механических повреждений, экстремальных температур), гигиенические (паро-воздухопроницаемость) и ^ эстетико-экономические функции, которыми должна обладать система низа <

обуви.. V.:.. ."Л ^ '

При этом передаточные функции системы низа обуви, обеспечивающие накопление, отвод и перераспределение силового потока (энергии),

возникающего при взаимодеиствии стопы с опорной поверхностью, не нашли должного освещения в научно-технической литературе.

Существующие конструкции обуви за исключением специальной ортопедической не отражают возрастных изменений стопы, которым ^ подвержено практически все население; характеристики взаимодействия

и , х сР"

плантарной части стопы и стелечного узла находятся в зоне запредельных пиковых нагрузок, что вызывает перекрытие кровеносных сосудов, отсутствует механизм профилактики плоскостопия и др. Все это влечет за собой появление болезненных ощущений при ходьбе и в положении стоя, снижает трудоспособность и ведет к патологическим изменениям всего опорно-двигательного аппарата.

По данным отечественных и зарубежных исследователей процент населения, страдающих различными степенями продольного плоскостопия, колеблется в пределах от 6 до 14 %, что в числовом выражении для населения

Г\ '""Л

Земли в 1998 г. составило 300 - 700 млн. человек. \

Создание профилактической обуви ведется чисто эмпирическим путем, базирующимся исключительно на опыте разработчиков. Подбор упруго-геометрических характеристик корригирующих элементов производится по субъективным ощущениям пациента, что делает процесс подгонки обуви весьма длительным и трудоемким. Актуальной становится проблема создания научно-обоснованной методики проектирования профилактической обуви, компьютерного дизайна, позволяющего существенно сократить сроки создания профилактической обуви, что особенно важно для детей.

Задача проектирования системы низа на первом этапе сводилась к установлению необходимого и достаточного набора силовых параметров в функции времени и контактного пространства стопы и диапазона их, допустимых по критерию физиологической оправданности значений; на втором этапе - к разработке конструкции, планиметрии контактных поверхностей, подбору пакета материалов, геометрии сечений, обеспечивающих

формирование и прохождение к стопе силового потока в заданных ограничениях.

Объединяются эти две задачи набором математических моделей, связывающих силовой поток, поступающий к опорно-двигательному аппарату через передаточные характеристики системы низа обуви, начальные и

_ и о

граничные условия с реакциями жесткой опорной поверхности.

В работе предпринята попытка на основе анализа научно-технических разработок эргономичной обуви, активно ведущихся в последнее десятилетие во всех развитых странах мира, исследований и проектных решений создать методику расчета конструкций систем низа обуви, обеспечивающей профилактику и коррекцию продольного плоскостопия.

Поставленные задачи решались аналитически, численными и экспериментальными методами с широким привлечением аппарата технической механики, современной диагностической аппаратуры с множеством (более 3800) гидростатических первичных измерительных преобразователей, с использованием промышленными персональных ЭВМ.

Результаты исследований апробированы на Московской фабрике ортопедической обуви и на обувной фабрике "Клиант" г. Клин, Московской области. Как показали испытания разработанная эргономичная обувь оказалась приемлемой для многочисленной группы населения, в первую очередь, лиц пожилого возраста, которые получили удобную недорогую обувь, позволяющую избежать каких-либо отрицательных воздействий на стопу как при ходьбе, так и в положении стоя.

В работе сделана попытка осуществить приспособление, гуманизацию

ч

овдельного широко используемого предмета окружающей человека среды-обуви для нужд и удобств самого человека и совершенствовать разработку и реализацию проектирования здоровье сберегающей обуви.

/

\У

Глава 1. Литературный обзор, постановка цели и задач исследования

1.1. Обоснование темы исследования

Происходившие в процессе развития цивилизации изменения условий функционирования стопы, ослабление сводоудерживающих мышц и связок привело к появлению у значительной части населения статической деформации различной степени выраженности.

В исследованиях [1], проведенных среди 3000 женщин в возрасте 1855 лет статические деформации стоп были выявлены у 50 % обследованных, продольное плоскостопие наблюдалось у 14,3 %. У лиц, выполняющих работу в положении стоя, умеренно выраженные статические деформации стоп возрастают в 1,7 раза.

В исследованиях [2], проведенных среди 1087 палатных медицинских сестер, которые длительно пребывают на ногах (более 50 % рабочего времени) было выявлено уплощение стоп у 21,7 % .После дневного дежурства почти половина из них отмечают тяжесть в ногах. К концу ночной смены число жалоб на тяжесть в ногах увеличивается до 61,2 %, отеки ног появляются у 31,5 % медицинских сестер.

По результатам работы [3] - уплощение свода через четыре часа после начала работы в группе обследованных, выполняющих работу в положении стоя, увеличилось на 12 %, а к концу рабочей смены- на 20%.

С увеличением возраста нарастает степень статических деформаций, а также частота и интенсивность болевых ощущений, наблюдается снижение функциональной выносливости стопы. Так, в возрастной группе 21-30 лет болевые ощущения отмечают 17% обследованных. Постепенно и закономерно увеличиваясь с возрастом, в группе старше 60 лет они составляют 56%, равномерно распределяясь как среди мужчин, так и среди женщин [4].

В работе [5] приведена классификация стоп женщин в возрасте 20-29 лет, из которой следует, что 18% обследованных имеют уплощенную стопу первой степени, 27% - второй степени и 3% - третьей степени. Таким образом, приведенные ранее исследования показывают, что практически у половины населения имеется статическая деформация стоп различной степени выраженности, у третьей части этой группы наблюдается продольное плоскостопие в начальной стадии. Все эти отклонения сопровождаются болезненными ощущениями, увеличивающимися к концу рабочей смены.

В процессе развития цивилизации изменились также условия взаимодействия стопы с опорой. Произошла замена контактирующего со стопой тела - упруго - пластического усредненного грунта, который при наступают в определенной мере повторял < ой части

стопы, благодаря чему на внутренней поверхности стопы давление распределялось без резких скачков и перепадов.

В обуви плантарная часть стопы контактирует с достаточно жесткой, плоской стелькой. При ходьбе и в положении стоя наблюдается возникновение ряда зон с явно выраженными пиками давления, которые приводят к перекрытию кровеносных сосудов, появлению ощущения "жжения" и других. Возникновение болезненных ощущений, вследствие

излишней концентрации давления на отдельных участках стопы, отмечалось

/ * 4 ' ■ 'Уа К К л! рядом исследователей [о]. * с ^ 4 ^ /

Вследствие этого возникает необходимость в осуществлении мероприятий, направленных на предупреждение развития статических деформаций стоп и степени их выраженности, на сглаживание пиков давлений на внутренней поверхности стопы, на уменьшение и возможной ликвидации сопровождающих болевых ощущений что, в первую очередь связано с созданием обуви, обеспечивающей профилактику продольного плоскостопия.

1.2. Современное состояние производства эргономичной обуви за рубежом

Производство эргономичной обуви развивается за рубежом ускоренными темпами. Немецкая фирма «Биркеншток», основанная в 1774 г.^ ч " уже более 100 лет выпускает «пластичную» обувь, соответствующую чд С. ;.•,,<> г анатомическому строению стопы [7]. В 1935 г. фирмой заявлены авторские права на торговую марку «Фуссбетт»- «ложе для ступни», которое обеспечивает устойчивое положение стопы при ходьбе, естественное распределение давления по опорной поверхности, амортизацию при ходьбе по твердому покрытию. Несмотря на то, что средняя цена обуви достаточно высокая, обувь фирмы «Биркеншток» пользуется неизменным спросом у покупателей.

Немецкая фирма «Экко» выпускает эргономичную обувь с составной стелькой, обладающей бактерицидными свойствами, повышенной гибкостью, обеспечивающей устойчивое положение стопы при ходьбе, профилактику продольного плоскостопия и амортизирующую толчки [8].

Обувная фабрика «8уй» (Чехия) изготавливает обувь с повышенными гигиеническими свойствами и комфортом, которая в первую очередь предназначена для диабетиков и людей с небольшими ортопедическими проблемами или заболеваниями ног[9]. Она также рекомендуется для пожилых людей, людей с избыточным весом, беременных и тем, кому приходится проводить много времени на ногах: продавцы, почтальоны, официанты и т.д.

Разработанные модели являются результатом совместной работы специалистов «8\аЬ>, технологического факультета высшей технической школы Злина, Технического университета Мюнхена и Пенсильванского университета (США). Эта обувь отличается от обычной обуви формой (колодки^ которая создана на основе обширных статистических измерений и рекомендаций врачей - ортопедов,- стелькой, которая обеспечивает

образование индивидуального ложа для каждой ноги, равномерное распределение нагрузки и обеспечивает так называемый «эффект подушки», пяточным стабилизатором, улучшающим равновесие при ходьбе и при стоянии, заготовкой из натуральной кожи, которая так сконструирована и пощщ^лто не возникают локальные давления, а обувь приспосабливается к изменяющемуся во время ходьбы объему ног, специальным выполнением верхнего канта, соединяющего заготовку, который препятствует прониканию в обувь мелких твердых предметов, подкладкой с эффективной антимикробной обработкой.

Эргономичная обувь и профилактическая стелька также выпускается фирмами «БЬоП» (Англия), «Т1Ш-ИТ» (США) и др.

Увеличивающееся производство такой обуви привело к открытию во многих городах Западной Европы и США специализированных магазинов, оснащенных сканирующей аппаратурой, содержащих в своем штате консультанта по подбору профилактической обуви и корригирующих элементов.

Все это свидетельствует о расширенном воспроизводстве эргономичной обуви и она становится необходим�