автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Исследование амортизации системы человек - обувь - опора в фазе переднего толчка

На правах рукописи

ОО^-ч-с»-^ --

КУЗНЕЦОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ АМОРТИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕК - ОБУВЬ ОПОРА В ФАЗЕ ПЕРЕДНЕГО ТОЛЧКА

Специальность 05.19.01 - «Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности»

АВТОРЕФЕРАТ 1 О ДЕК 200Э

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ 2009

003488312

Работа выполнена на кафедре «Технология кожи, меха и изделий из кожи» ГОУ ВПО Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Александров Сергей Петрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Хамматова Венера Василовна

кандидат технических наук Файзуллина Резеда Басыровна

Ведущая организация ОА О Центральный научно-исследовательский

институт кожевенно-обувной промышленности

Защита состоится 25.12.2009 в 12 часов на заседании диссертационного совета в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68 в зале заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан ¿S~.ll. 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования и состояние вопроса.

Современные тенденции развития обувной отрасли предполагают дальнейшее совершенствование конструкции обуви с целью повышения ее комфортности путем создания таких условий функционирования опорно-двигательного аппарата человека, которые обеспечили бы нормальную работу его элементов и всего организма в целом.

В процессе эволюционного развития человека формирование нижних конечностей происходило на протяжении многих тысячелетий в конкретных условиях, когда стопа соприкасалась с поверхностью грунта, структурные особенности которого оказывали непосредственное влияние на формирование нижних конечностей человека, как органа передвижения и, прежде всего, конструкцию стопы. Приобретенные в результате эволюции анатомические особенности нижних конечностей и строение стопы сохранились до настоящего времени, не претерпев каких бы то ни было существенных изменений.

Современные условия существования человека значительно отличаются от прежних, естественных. Стопа контактирует с промежуточными элементами - деталями низа обуви, которые, в свою очередь, опираются на жесткие дорожные покрытия.

При ходьбе реакция жесткой опоры передаётся через стопу человека к жизненноважным органам, вызывая дискомфорт, быструю утомляемость, негативно влияет на нормальное функционирование всего организма.

Таким образом, одной из задач при проектировании обуви, является обеспечение ее опорной комфортности с учетом исторически сложившихся особенностей стопы.

Решение проблемы создания здоровьесберегающей обуви требует изучения влияния конструктивных и технологических особенностей обуви на величину нагрузок, передаваемых на тело человека, со стороны опоры во время

носки обуви, что является одним из важных показателей комфортной обуви. В последние десятилетия работы многих отечественных и зарубежных авторов посвящены проблеме создания комфортной обуви. Прослеживается тенденция увеличения количества исследований и конструкторских разработок, направленных на создание амортизационной обуви, позволяющей, в определенной степени, подойти к решению проблемы обеспечения населения здоровьесберсгающей обувью.

Исследования, связанные с изучением амортизационных свойств каблучной части обуви, оптимизации их параметров, является одним из важных направлений для решения задачи проектирования комфортной обуви.

Недостаточная амортизация ударных нагрузок на тело человека со стороны жесткой опоры вызывает напряжения и мышцах, связках, что влияет на внутренние органы человека и может привести к патологическим изменениям и возникновению ряда заболеваний.

Поэтому в настоящее время отечественными и зарубежными исследователями большое внимание уделяется разработке конструкции обуви, защищающей тело человека от многоцикловых квазиударных воздействий со стороны жесткой опорной поверхности.

Конструктивные решения при создании низа обуви должны быть направлены на смягчение удара путем увеличения времени контакта за счет введения в конструкцию упругого элемента. Однако увеличение времени контакта имеет ограничение, связанное с нарушением стереотипа ходьбы.

Наряду с применением в обуви в качестве амортизирующих тел упругих полимеров, в настоящее время появилось много разработок, основанных на других принципах. В конструкции низа обуви используются разнообразные механизмы: гидравлические, пневматические, механические, а также их комбинации.

Но эти технические решения имеют ряд существенных недостатков. Как правило, они имеют сложную конструкцию, состоящую из различных элементов, включающие жидкие и газообразные вещества Эксплуатация обуви

с подобными устройствами может привести к повреждению элементов амортизирующей конструкции и вызвать повреждение стопы в обуви. Кроме того, конструктивная сложность этих устройств и непривлекательный внешний вид затрудняет их использование в обуви массового производства.

Все известные технические решения не адаптированы к массе носчика и жесткости дорожных покрытий, и по этой причине не могут в полной мере отвечать требованиям комфортности обуви.

Целью работы является:

Разработка амортизирующей каблучной части низа обуви, обеспечивающей оптимальное нагружение опорно-двигательного аппарата носчика при ходьбе.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

• Выбор критерия оптимизации;

• Исследование нагружения стопы человека при ходьбе по усредненному грунту без обуви, и определение числовых параметров жесткости;

• Разработка динамической модели тело человека — стопа - каблучная часть низа обуви - жесткая опора;

• Определение системообразующих параметров модели;

• Составление математической модели системы тело человека - каблучная часть низа обуви - жесткая опора;

• Решение математической модели;

• Оптимизация параметров математической модели и их конструктивная реализация;

Экспериментальная проверка.

Основные методы и объект исследования.

Для решения поставленных в работе задач применялся комплекс исследований, включающий методы теоретического анализа, классификации, математического расчета и статистической обработки баз данных экспериментальных исследований. В качестве объекта исследования был рассмотрен один из периодов взаимодействия стопы с опорной поверхностью при ходьбе - фаза переднего толчка.

В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, MathCAD, компьютеризированные системы «Диа След» и "EMED".

Научная новизна работы

1. Разработан критерий оценки оптимальной жесткости опорной поверхности, составлена методика его определения и установлены диапазоны его количественных значений. Числовые значения критерия определяются при насгупании необутой стопы на усредненный грунт, путем измерения упругой деформации сжимаемого грунта, мощности эквивалентного слоя, изменяющегося от прикладываемого давления, показывая этим, что при увеличении давления (напр. при большой массе носчика) оптимальное значение жесткости уменьшается.

2. Ранее, в предыдущих исследованиях, жесткость каблука рассматривалась, как величина постоянная. В настоящей/ работе установлено, что при ходьбе, в фазе • переднего толчка, усилие, передаваемое на каблук в различные интервалы времени, распространяется на различные зоны каблука. Поэтому жесткость каблучной части является величиной переменной, нелинейно зависящей от времени контакта каблука и опоры. C(t), что было экспериментально подтверждено в проведенных исследованиях..

3. Разработан метод расчета динамической модели человек - обувь - опора с учетом нелинейности жесткости каблучной части обуви.

Практическая значимость работы

1. Расчетно-аналитическим методом были получены значения усилий, передаваемых на стопу человека при переднем толчке в зависимости от модуля упругости материала каблука, и определено влияние демпфирующих свойств каблучных материалов на величину силового воздействия на пяточную часть стопы.

2. Разработана методика, позволяющая определить с помощью расчетно-аналитических методов и программы Ма&САБ, параметры жесткости каблука, оптимальные для нормального функционирования стопы, чтобы величина силового воздействия приближалась к естественному, возникающему при контакте необутой стопы с усредненным грунтом.

3. Жесткость каблучных материалов существенно влияет ни силовое воздействие, оказываемое на тело человека в фазе переднего толчка. Например, при изменении модуля упругости каблука от Е=2 МПа до Е=10 МПа, силовое воздействие увеличивается от РЕ,2=650 Н до РЕ=ю=100б Н (в 1,5 раза), а время контакта уменьшается с 0,041с до 0,017 с (в 2,4 раза).

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы были отражены в докладах и получили положительную оценку на следующих собраниях научной общественности:

1. Всероссийской научно-технической конференции «Легкая промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых», МГУС, Самара, 2005г.;

2. Международная конференция «Современные информационные технологии в образовании, науке и промышленности», ГОУ РОСЗИТЛП, 2009г.;

3. V Международная научно-техническая конференция, Казань, 2009г.

Разработанная методика расчета параметра жесткости каблучной части низа обуви, оптимального для нормального функционирования стопы, учитывающий массу носчика, применяется при изготовлении обуви на Московской фабрике ортопедической обуви.

Метод расчета жесткости каблука используется в лекционных материалах « Конструирование изделий из кожи» для специальностей 260905 и 260906.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов по главам, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 70 рисунков, библиографический список из 85 наименований, приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, методы и объект исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой глапе рассматривается процесс взаимодействия стопы с опорной поверхностью при ходьбе в фазе переднего толчка.

Наиболее опасной, с точки зрения негативного влияния на организм человека, является начальный момент контакта стопы с опорой при ходьбе -фаза переднего толчка, когда кости голени и бедра спрямлены и усилие от жесткой опоры, практически без амортизации, передается на тело человека.

Определено, что наиболее благоприятным по критерию наилучшего функционирования системы тело человека - пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви - жесткая опора, является то воздействие на конструкцию стопы, которое являлось исходным при ее формировании, то есть условия контакта с усредненным грунтом. Физико-механические показатели усредненного грунта являются критериальными при проектировании комфортной системы низа обуви. Исследования, связанные с изучением амортизационных свойств каблучной части обуви, оптимизации их параметров,

является одним из важных направлений для решения задачи проектирования комфортной обуви.

В работе рассмотрены и проанализированы известные технические решения амортизирующих устройств в обуви.С целью снижения квазиударной нагрузки, передаваемой на организм человека со стороны жесткой опоры применяются в качестве амортизирующих тел упругие полимеры, кроме того, в конструкции низа обуви используются разнообразные механизмы: гидравлические, пневматические, механические, а также их комбинации. Получило развитие направление, связанное с разработкой специальных конструкций низа обуви, снижающих силовое воздействие жесткой опоры на стопу при ходьбе. На основании проведенного анализа патентных источников и их систематизации составлена классификация амортизирующих устройств в обуви (рисунок 1).

Рассмотренные технические решения имеют ряд существенных недостатков. Амортизирующие устройства, описанные в патентах, имеют сложную конструкцию, состоящую из различных элементов, включающие жидкие и газообразные вещества. Эксплуатация обуви с 'подобными устройствами может привести к повреждению элементов амортизирующей конструкции и вызвать повреждение стопы в обуви. Кроме того, конструктивная сложность описанных амортизирующих устройств затрудняет их использование в обуви массового производства, ограничивая их применение в отдельных, экспериментальных образцах обуви.

Кроме того, все рассмотренные технические решения не адаптированы к массе носчика и жесткости дорожных покрытий, и по этой причине не могут в полной мере отвечать требованиям комфортности обуви.

Произведен анализ научных трудов, посвященных исследованию способности материалов низа обуви рассеивать ударную нагрузку со стороны жесткой опоры во время ходьбы, и исследованию динамических моделей человек - стопа - каблучная часть низа обуви - жесткая опора.

На основании проведенного анализа литературных источников и обоснованного критерия оценки опорной комфортности, учитывающего естественный уровень амортизации, имеющий место при контакте необутой стопы с усредненным грунтом, определены цель и задачи исследования амортизации системы человек - обувь - опора в фазе переднего толчка.

Вторая глава посвящена исследованию деформационных параметров опорного основания.

Многочисленные исследования и разработки амортизирующей обуви не дают четкого понятия, какая степень амортизации является наилучшей для человека.

На основании предложенного исходного положения, формулируемого как обеспечение низом обуви естественного уровня амортизации, имеющего место при контакте необутой стопы с усредненным грунтом, в развитие данной работы проведено исследование физико-механических свойств грунта, в частности,

определен характер его деформируемости, являющийся важным показателем при разработке амортизирующего низа обуви.

Для исследования были взяты наиболее распространенные виды грунтов:

• 1. Суглинки пылеватые, мягкопластичные;

2. Пески мелкие, рыхлые, с прослойками супеси;

3. Пески мелкие, глинистые, рыхлые.

На основании проведенных экспериментальных исследований, получены компрессионные кривые, характеризующие изменение коэффициента пористости образца грунта в зависимости от прикладываемой нагрузки (рисунок 2).

Рисунок 2 - Компрессионные кривые для образцов грунтов 1 - для суглинков; 2 - для глинистых песков; 3 - для песков с прослойками

супеси

Получены исходные параметры для определения жесткости каблучной части обуви, обеспечивающие естественный уровень амортизации.

Так модули общей линейной деформации и мощности эквивалентного слоя составляют:

для глинистых песков Ео = 4,38 МПа, А же. = 0,15 м;

10

для песков с прослойками супеси Ео = 9,2 МПа, h зкв. = 0,15 м; для суглинков Ео = 5,49 МПа, h же. = 0,17 м

Деформационные свойства конструкции определяются не только модулем упругости, но и геометрическими параметрами, и в обобщенном виде представляются, как жесткость (коэффициент жесткости) С.

Коэффициент жесткости суглинка площадью равной пяточной части стопы и найденной мощностью эквивалентного слоя суглинка будет: С; = F! Л1 = Е А /1 = 5,49 • 2800 /170 = 90,6 Н/мм; Для глинистых песков: С2 = 4,5 • 2800 / 150 = 81,8 Н/мм; Для песков с прослойкой супеси: С3 = 9,2 ■ 2800 / 150 = 171,7 Н/мм. Значение жесткости усредненного грунта можно принять:

с +г +г Сср= 1 З2 3= 114,7 Н/мм

К этому значению жесткости необходимо стремиться при создании конструкции и выборе материалов каблучной части обуви, обеспечивающих естественный уровень амортизации, соответствующий контакту необутой стопы с усредненным грунтом.

Третья глава посвящена исследованию усилий, передаваемых на пяточную часть стопы при взаимодействии каблучной части низа обуви с опорой в фазе переднего толчка.

В работе рассмотрены различные приборы и компьютеризированные аппарагурно-измерительные системы, позволяющие регистрировать силовые потоки, проходящие от жесткого основания через каблучную часть обуви и воздействующие на опорно-двигательный аппарат человека.

В настоящее время для изучения взаимодействия стопы с опорной поверхностью используются компьютеризированные аппаратурно-

измерительные системы, позволяющие снимать и фиксировать различные характеристики, возникающие при контакте стопы и опоры, на основании которых изменяется конструкция, подбираются материалы, обеспечивающие

приведение исследуемых параметров к оптимальным значениям. Это зарубежные системы "EMED", "Pad Professional", "Parotec" и отечественные Плантоскоп, ДиаСлсдСкан, которые выдают цифровую и графическую интерпретацию данных первичных измерительных преобразователей.

Составлена классификация измерительных систем, определяющая функцию воздействия на стопу, режим измерения, измеряемые параметры, а также функциональное использование аппаратно-программных комплексов.

Основываясь на многообразии функциональных возможностей компьютеризированных систем, в экспериментальной части настоящей работы, для исследования взаимодействия стопы с опорной поверхностью, использованы системы «ДиаСлед» и "EMED", которые наиболее полно отображают картину распределения давления на поверхности стопы в момент контакта ее с опорой.

На основании проведенных экспериментальных исследований, получен график зависимости нагрузки, действующей на каблучную часть низа обуви при ходьбе от времени контакта каблука и опоры (рисунок 3).

Рисунок 3 - График зависимости нагрузки, действующей на нижнюю поверхность каблучной части низа обуви при ходьбе от времени контакта

Наибольший интерес в полученном графике представляет кривая ОАС. При переднем толчке, в начальный период, происходит интенсивное нарастание усилия, передаваемого на каблучную часть обуви, в условиях практически полного отсутствия амортизации, при спрямленных костях голени и бедра (участок ОА). Здесь угол наклона отрезка ОА кривой наибольший и, следовательно, наибольший пульс нагрузки. Эта фаза является наиболее опасной с точки зрения негативного влияния на организм человека. Затем, при нарастающем усилии, в работу включается мышечно-связочный аппарат, происходит естественная амортизация реакции основания, и, как следствие, уменьшается угол наклона отрезка АС, характеризующего этот этап взаимодействия каблучной части обуви с опорой.

По данным исследования, максимальная нагрузка, приходящаяся на каблучную часть низа обуви из резины «стиронип», составила Рпсг ~ 543 Н, а нагрузка на каблучную часть из пористой резины ВШ -Р>згд г=319 Н, что имело место в момент времени /=0,12с, при общей нагрузке в этот момент соответственно 610 Н и 372 Н.

Полученная кривая ОАВС нагрузки, воспринимаемой каблучной частью обуви во времени, характеризует фазу переднего толчка, представляет интерес своими фактическими данными и использована, как исходный материал для определения жесткостных параметров системы.

В четвертой главе проведено исследование зависимости угла наклона каблучной части низа обуви к опоре от времени при переднем толчке.

В фазе переднего толчка процесс переката (поворота) каблука в разные интервалы времени сопровождается изменением угла его наклона к плоскости основания в среднем от 30 градусов до 0, которые являются границей изменения искомой функции. Функция угла наклона каблука носит периодический характер, как повторяющаяся при каждом шаге. При этом объемная часть каблука, взаимодействующая с основанием и пяточной частью носчика, постоянно изменяется, силовые потоки захватывают различные зоны, вследствие чего жесткость каблучной части, участвующей в трансформации нагрузки,

является переменной величиной, зависящей от времени контакта каблука и опоры C=f(t).

Для определения функции угла наклона каблука к опоре во времени проведен эксперимент скоростной киносъемки с использованием кинокамеры «Пентафлекс АК 16» Условия проведения эксперимента предполагали дальнейшую компьютерную обработку отснятого материала. В результате было получено изображение в виде покадровой развертки, из которой выделены и распечатаны на принтере кадры, соответствующие фазе переднего толчка с временным интервалом 0,0104 с между кадрами.

По полученным данным, используя программу MathCAD, построен график зависимости угла наклона каблука к опоре от времени контакта в фазе переднего толчка (рисунок 4).

Polynomial Regression of У on X

Рисунок 4 - График зависимости угла наклона каблучной части низа обуви к опоре от времени контакта в фазе переднего толчка

Используя программу MathCAD, определены коэффициенты полиноминальной регрессии третьей степени, при которой квадрат корреляционного отношения достигает практически единицы R2=0,995. Зависимость a(t) представляется уравнением полщюма: a(t) =25,607-189,098t-l,834* ÎO'V+1,399* lO^t3...

Область определения ограничивается интервалом времени 0<t<0,13c. Под областью определения понимается совокупность всех тех значений аргумента (времени t), при которых реализуется рассматриваемая фаза переднего толчка.

Наличие зависимости a(t) дает возможность связать параметр времени и угла поворота каблука, что необходимо, так как определение деформации каблучной части производится в функции угла наклона каблука, а определение действующего усилия в функции времени. В дальнейшем для расчета жесткости

Рисунок 5 - График зависимости на1рузки на каблучную часть низа обуви от угла наклона ходовой поверхности каблука к опоре и времени контакта при

переднем толчке

В квадранте II, показан график зависимости нагрузки F от времени

контакта t, адекватный кривой ОАС (рисунок 3), характеризующей изменение

нагрузки, действующей на каблучную часть низа обуви со стороны жесткой

опоры в фазе переднего толчка. В квадранте III, в системе координат,

совмещенной с квадрантом II по оси абсцисс, изображен график зависимости

15

величины угла наклона нижней плоскости каблука к опоре от времени контакта при переднем толчке. Далее, методом проецирования соответствующих точек, получен график зависимости нагрузки р(а), действующей на каблучную часть обуви от угла наклона нижней поверхности каблука к опоре а при переднем толчке, расположенный в I квадранте, совмещенным с квадрантом II по оси ординат.

Полученная зависимость дает возможность дальнейшего исследования параметров фазы переднего толчка и определения жесткости каблучной части низа обуви.

В пятой главе работы проведено исследование деформационных свойств каблучной части низа обуви. В качестве объекта для исследования деформационных характеристик каблучной части низа обуви была принята модель взаимодействия каблука с опорной поверхностью в фазе переднего толчка.

Для исследования деформационных параметров каблучной части низа обуви при переднем толчке п зависимости от действующей нагрузки и угла наклона каблука к опорной поверхности, изготовлен экспериментальный стенд (рисунок 6).

б

Рисунок 6 - Схема экспериментального стенда

Испытания проводились для различных материалов каблука: пористая резина марки ВШ, непористая резина «стиронип», кожнаборный каблук.

На стенде проведена серия экспериментальных исследований при установке образца в положении, когда угол наклона нижней поверхности каблука к опорной платформе составлял а=30°, 24°, 18°, 12°, 6°, 0°. Постепенное нагружение конца рычага с помощью набора грузов 6 приводило к его перемещению за счет вдавливания металлической платформы в тело каблука, его деформации, величина которой фиксировалась с помощью индикатора часового типа 7. На основании полученных в результате эксперимента данных, построены графики зависимости деформации каблука от нагрузки при различных углах наклона ходовой поверхности каблука к опоре (рисунок 7).

-резина пористая

-резина "стиронип" кожнаборный каблук_

^ ^ ^ ^ ^ <?> нагрузка,Н

Рисунок 7 - График зависимости деформации каблуков из различных материалов от нагрузки для угла наклона каблука к опоре 18°

Используя данные эксперимента, построен совмещенный график (рисунок 8), где в квадранте II, показан график зависимости угла наклона каблука к опоре от нагрузки, полученный в результате построения на рисунке 5. В квадранте I построены кривые зависимости величины деформации каблука от нагрузки, действующей на каблук при различных углах наклона нижней поверхности каблука к опоре, полученные в результате испытаний на стенде. Используя совмещенные графики, методом проецирования точек, соответствующих реальной нагрузке, действующей на каблук, получена кривая ОА - зависимость деформации каблука от нагрузки.

Рисунок 8- График зависимости действующейнагрузки на пяточную часть при различных углах наклона ходовой поверхности каблука к опоре от деформации каблучной части обуви при переднем толчке.

Методом графического дифференцирования, получаем отдельные значения коэффициента жесткости С, и строим график зависимости коэффициента жесткости от времени С(1) для каблучной части обуви (рисунок 9).

Рисунок 9 - График зависимости жесткости каблучной части низа обуви от времени контакта каблука и опоры

В шестой главе проведены исследования, направленные на изучение амортизационных свойств обуви и выявление оптимального материала для изготовления обуви, обеспечивающей оптимальный условия функционирования стопы.

Для получения здоровьесберегающей системы тело человека - пяточная часть стопы- каблучная часть низа обуви - жесткая опора, необходимо создать обувь с такими параметрами, которые соответствовали бы приведению системы к условиям, приближенным к естественным, когда человек ходил без обуви по грунту. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Построена динамическая модель системы тело человека - пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви - жесткая опора (рисунок 10).

Рисунок 10 - Динамическая модель системы тело человека - пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви - жесткая опора.

Для составления модели на основе системы тело человека - стопа — каблучная часть низа обуви - жесткая опора были смоделированы: шпр - приведенная масса тела человека; Сп - жесткость пяточной части стопы; Ь„ - демпфер пяточной части стопы; Ск - жесткость каблучной части низа обуви; Ьг - демпфер каблучной части низа обуви;

ж.у.- жесткий упор, ограничивающий функционирование пяточной части, как упругого тела с заданным зазором ъ.

г - зазор, ограничивающий деформацию пяточной части стопы, принятый 3 мм.

При моделировании массы необходимо учитывать, что тело человека имеет вязко-упругие элементы и следует использовать приведенную массу т„р;

Для человека со среднестатистической массой 70 килограммов.

т^ 0,1 Зт-У 0,87 ^от ,

где т^ - масса приведенная; т - масса человека.

О 87

= 0,13 X 70 + х 70 = 9,1 +15,23 = 24,33 кг

2. Определены упругие элементы динамической модели. В работе определяется средний показатель жесткости пяточной части стопы, определяемый с помощью графиков зависимости деформации от нагрузки (рисунок 11).

Рисунок 11 - Усредненный график зависимости деформации пяточной части

стопы от нагрузки.

Диапазон деформации пяточной части стопы ограничен 0-3 мм, далее деформация не происходит, и жесткость считаем бесконечной.

Динамическую модель представим двумя упрощенными моделями (рисунок 12). В первой упрощенной модели исследуется отрезок периода, начиная с касания каблучной части обуви жесткой опоры, до момента, когда пяточная часть прекращает функционировать, как упругое тело, то есть, когда зазор Z=0. Вторая модель исследует конечный отрезок, начиная с того момента, когда пяточная часть, исчерпав свои упругие и демпфирующие свойства (когда

зазор X равен нулю), становится абсолютно жестким телом, и продолжается до конца заданного периода, когда скорость V = 0.

Рисунок 12 - Упрощенные динамические модели: а- конечное положение первой модели, б- начальное положение второй модели. В работе определены системообразующие элементы и начальные

параметры для первой и второй упрощенных моделей с различными

материалами каблука, модуль упругости которых равен Е=2 МПа; Е=5 МПа;

Е=10 МПа. Составлены дифференциальные уравнения для первой и второй

упрощенных моделей с материалом каблука различного модуля упругости

(таблица 1).

Таблица 1 - Дифференциальные уравнения для первой и второй упрощенных

моделей с материалом каблука различного модуля упругости

№№ Упрощенная модель 1 упрощенная модель 2 упрощенная модель

1 Е = 2МПа 2,05 • 105 у + 20,12у + 2,05-105 ^ = 0

2 Е = 5 МПа . ,„. /5,13-105гЛ „ ' + 18'+(Г+208,5гГ/И у + 32,59у+ 5,13-105 = 0

3 Е = 10 МПа /ю,з-ю5/Л У+46,07>+10,27-10'/у = 0

Решение дифференциальных уравнений выполнено с помощью программы МаЛСМ). Получен график перемещений для первой и второй упрощенной модели с материалом каблука, модуль упругости которого Е=2 МПа (рисунок 13)

Рисунок 13 - Совмещенный график перемещений в первой и второй упрощенных моделях с материалом каблука, модуль упругости которого Е=2

МПа.

Получена кумулятивная кривая нагрузки, передаваемой на тело человека в первой и второй упрощенной модели с материалом каблучной части, модуль упругости которого Е=2 МПа (рисунок 14).

700 X 600 -500 -

с^ с^ ^

¿Ь Л л> Л <Л «Л ,Л

V1 СО Сч' Сч5 С\->

«V О- Су СУ СУ Ср СЬ"

время, t, с

•1 модель -»-2 модель

Рисунок 14 - Совмещенный график кумулятивной кривой нагрузки, передаваемой на тело человека в первой и второй упрощенной модели с материалом каблучной части, модуль упругости которого 11=2 МПа.

На общем графике просматриваются две зоны:

• первая, с достаточно медленным нарастанием нагрузки, величина которой изменяется от 0 до 170 Н за период;

• вторая, с достаточно быстрым нарастанием нагрузки, величина которой изменяется от 170 до 650 Н.

Для характеристики динамики нагружения используют коэффициент динамичности, который, в данном случае, будет:

Кд = ~=1,17 mg 700

Коэффициент динамичности, примерно равен единице, это говорит о том, что нагрузка на тело человека при материале каблучной части с модулем упругости Е=2 МПа, соответствует естественному уровню нагрузок, возникающих при ходьбе необутой стопы по усредненному грунту.

Опубликованные работы по теме диссертации

1, Александров С.П., Паршина О.В., Волкова Е.А. Конструктивное обеспечение опорной комфортности обуви // Журнал Кожевенно-обувная промышленность - 1989 -№ 12.

2. Александров С.ГГ., Кузнецова Е.А. Определение жесткости каблучной части обуви // Проблемы создания гибких технологий. Международный сборник научных трудов, г.Шахты,- 2004.

3. Александров С.П., Кузнецова Е.А., Гвоздев К.Ю. Определение функции угла наклона каблучной части обуви при переднем толчке от времени контакта // Международный сборник научных трудов, г. Шахты - 2005.

4. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Критериальные показатели опоры стопы // Сборник научных трудов - М.: РосЗИТЛП - 2005 - №2.

5. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Определение критериальных показателей для оценки комфортности обуви // Новое в науке и производстве текстильной и легкой промышленности. Сборник научных трудов, М.- 2005.

6. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Классификация амортизирующих систем низа обуви // Тезисы научных докладов Всероссийской научно-технической конференции. Легкая промышленность. Сервис, Самара: СФМГУС -2005.

7. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Исследование амортизации системы тело человека - стопа - обувь // Тезисы научных докладов Всероссийской научно-технической конференции. Легкая промышленность. Сервис, г.Самара: СФМГУС - 2005.

8. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Компьютеризированные системы для исследования взаимодействия стопы с обувью и опорой // Журнал Кожевенно-обувная промышленность - 2006 - № 1.

9. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Анализ и классификация амортизирующих устройств в обуви // Журнал Кожевенно-обувная промышленность - 2006 - № 2.

10. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Определение жесткости каблучной части обуви // Журнал Кожевенно-обувная промышленность - 2007 - № 1.

11. Кузнецова Е.А. Исследование демпфирующих свойств материалов низа обуви [текст] / Кузнецова Е.А., Белокуров В.Н. // Актуальные проблемы техники и технологии: Междунар. сб. науч. трудов - Шахты: изд-во ЮРГУЭС -2007.

12. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Определение критериальных показателей жесткости обуви // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» - М.- 2008.

13. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Исследование амортизационных свойств системы тело человека — пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви — жесткая опора // Сборник статей V Международной научно-технической конференции, г.Казань: Казанский государственный технологический университет - 2009.

14. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Определение нагрузок, действующих на каблучную часть низа обуви при переднем толчке // Тезисы докладов Международной конференции «Современные информационные технологии в образовании, науке и промышленности» - М.- 2009.

15. Медзерян Д.Е., Волкова Е.А. Формованная подошва // Авторское свидетельство № 1784195,1992.

16. Медзерян Д.Е., Волкова Е.А., Волков А.А. Способ нанесения на подошву противоскользящего средства // Авторское свидетельство № 1784194, 1992.

17. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Амортизирующий каблук // Патент №2217027 (РФ), 2003.

18. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Амортизирующий каблук // Патент № 52556 (РФ), 2006.

19. Александров С.П., Кузнецова Е.А. Обувь для лиц с выступающим экзостозом первой плюсневой кости // Патент № 2278605 (РФ), 2006.

РосЗИТЛП Заказ 9¿$, Тираж ¿O

Введение.

1. Литературный обзор и постановка задачи по состоянию и перспективе развития амортизационной обуви.

1.1 Амортизационные свойства обуви, как составляющая комфортности.

1.2 Необходимость придания обуви амортизационных свойств.

1.3 Технические решения амортизирующих устройств обуви и их анализ

1.4 Материалы, используемые для амортизации каблучной части низа обуви.

1.5 Исследования динамических моделей человек - стопа - каблук -основание.

2. Исследование деформационных параметров опорного основания.

2.1 Исследование жесткости различных грунтов.

3. Исследование усилий, передаваемых на пяточную часть стопы при взаимодействии каблучной части низа обуви с опорой в фазе переднего толчка.

3.1 Аппаратура для исследования взаимодействия стопы с обувью и опорой.

3.2 Определение нагрузок, действующих на каблучную часть обуви при переднем толчке.

4. Исследование зависимости угла наклона каблучной части низа обуви от времени при переднем толчке.

4.1 Объект исследования: процесс изменения угла наклона каблучной части низа обуви при ходьбе в фазе переднего толчка.

4.2 Выбор аппаратуры и постановка эксперимента.

4.3 Методика эксперимента.

4.4 Обработка результатов эксперимента, обсуждение.

5. Исследование деформационных свойств каблучной части низа обуви.

5.1 Объект исследования — процесс нагружения каблучной части обуви в фазе переднего толчка.

5.2 Разработка экспериментального стенда.

5.3 Методика эксперимента.

5.4 Результаты эксперимента, обсуждение.

6. Исследование амортизационных свойств системы тело человека - пяточная

часть стопы - каблучная часть низа обуви - жесткая опора.

6.1 Постановка задачи и область исследования

6.2. Разработка модели. Составление дифференциального уравнения

6.2.1 Определение элементов динамической модели.

6.2.2 Приведенная масса тела человека.

6.2.3 Упругие элементы динамической модели.

6.2.3.1 Жесткость пяточной части стопы

6.2.3.2 Жесткость каблучной части обуви.

6.2.4 Демпфирующие элементы динамической модели.

6.3 Составление динамической модели системы тело человека - пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви - жесткая опора.

6.4 Составление дифференциального уравнения.

6.5 Совокупные упруго-вязкие характеристики системы тело человека -пяточная часть стопы — каблучная часть низа обуви — жесткая опора . 127 6.5.1 Определение демпфера пяточной части стопы.

6.6 Определение системообразующих элементов и начальных параметров для первой и второй упрощенных моделей.

6.6.1 Системообразующие элементы и начальные параметры для первой упрощенной модели для каблука, модуль упругости которого Е= 2 МПа

6.6.1.1 Определение жесткости каблучной части обуви, начального функционирования модели.

6.6.1.2 Определение демпфера каблучной части обуви.

6.6.2 Системообразующие элементы и начальные параметры для второй упрощенной модели для каблука, модуль упругости которого Е= 2 МПа

6.6.3 Системообразующие элементы и начальные параметры для первой и второй упрощенных моделей для каблука, модуль упругости которого Е= 5 МПа и Е= 10 МПа.

6.7 Решение математической модели с материалом каблучной части обуви, модуль упругости которого Е= 2 МПа.

6.7.1 Решение для первой упрощенной модели.

6.7.2 Решение для второй упрощенной модели.

6.8 Решение математических моделей с материалом каблучной части обуви, модуль упругости которого Е= 5 МПа и Е= 10 МПа.

6.9 Силовые и временные характеристики процесса взаимодействия элементов системы тело человека -пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви - жесткая опора (пошаговый расчет).

6.10 Влияние демпфирующих свойств материала каблука на величину силового воздействия на пяточную часть стопы в фазе переднего толчка

В спектре показателей опорной комфортности обуви, вопрос амортизации силовых воздействий на опорно-двигательный аппарат человека играет существенную роль, так как этот показатель связан с повышенной утомляемостью, может вызвать дискомфорт и болезненные ощущения. Недостаточная амортизация квазиударных нагрузок на тело человека со стороны жесткой опорной поверхности при ходьбе может вызвать заболевания, связанные с нарушением функции опорно-двигательного аппарата.

Поэтому создание конструкции обуви, защищающей тело человека от многоцикловых ударных воздействий со стороны жесткой опорной поверхности, является насущной проблемой современной цивилизации.

Целью данной работы является:

Разработка методики проектирования свойств и параметров материалов каблучной части низа обуви, обеспечивающей необходимый уровень амортизации при ходьбе в фазе переднего толчка с применением математической модели взаимодействия тело человека - пяточная часть стопы — материал каблучной части низа обуви — жесткая опора.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- выбор критерия оптимизации и определение численных параметров критерия жесткости опорной поверхности; экспериментальные исследования, определяющие переменный характер жесткости материала каблука, нелинейно зависящий от времени взаимодействия каблука и опоры в фазе переднего толчка;

- разработка динамической модели тело человека - пяточная часть стопы - материал каблучной части низа обуви - жесткая опора;

- разработка математической модели системы;

- разработка методики проектирования свойств и параметров материала каблучной части обуви в зависимости от массы тела человека

В работе для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики, их результаты сравнивались и сопоставлялись с известными теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Изучение характеристик материалов включало исследования физико-механических свойств.

В качестве объекта исследования использованы материалы для каблучной части низа обуви: пористая резина марки «ВШ»; облегченная пористая резина «новопора»; непористая резина «стиронип»; пенополиуретан; термоэластопласт; кожнаборный каблук.

Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением математической статистики. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, MathCAD, компьютеризированные системы «Диа След» и «EMED».

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основании результатов исследования деформационных параметров усредненного грунта, впервые получены критериальные показатели жесткости опорной поверхности, необходимые для определения оптимальной жесткости материала каблучной части обуви.

2. Установлено, что жесткость материала каблучной части является величиной переменной, нелинейно зависящей от времени контакта каблука и опоры.

3. Разработаны динамическая модель взаимодействия тело человека — пяточная часть стопы - материал каблучной части низа обуви — жесткая опора, выполнено моделирование основных элементов динамической модели.

4. Составлено математическое описание динамической модели взаимодействия, позволяющее определить показатель жесткости материала каблука в соответствии с массой тела человека.

5. Установлено, что жесткость материала каблучной части обуви существенно влияет на силовое воздействие, оказываемое на опорнодвигательный аппарат человека, в то время как демпфирующие свойства материала не оказывают существенного влияния на передаваемое усилие. Практическая ценность работы:

1. Установлена зависимость значения усилий, передаваемых на стопу человека при переднем толчке от модуля упругости материала каблука.

2. Определено влияние демпфирующих свойств каблучных материалов на величину силового воздействия на пяточную часть стопы.

3.Разработана методика проектирования свойств и параметра жесткости материалов каблучной части обуви в соответствии с массой тела человека для обеспечения оптимальных условий функционирования системы тело человека — пяточная часть стопы - материал каблучной части низа обуви - жесткая опора в фазе переднего толчка.

4.Разработанная методика проектирования внедрена на ФГУП «Московская фабрика ортопедической обуви»

5. Даны рекомендации по подбору материалов каблучной части обуви с различным модулем упругости в соответствии с массой тела человека

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные исследования деформационных параметров опорного основания, позволяющие определить критериальные показатели жесткости материалов каблучной части обуви.

2. Экспериментальные исследования деформационных характеристик материалов каблучной части обуви для определения переменного характера жесткости материалов в зависимости от времени контакта каблука и опоры.

3. Динамическая модель взаимодействия тело человека — пяточная часть стопы — материал каблучной части низа обуви — жесткая опора;

4. Математическая модель взаимодействия тело человека - пяточная часть стопы - материал каблучной части низа обуви - жесткая опора в фазе переднего толчка;

5. Методика расчета математической модели.

ВЫВОДЫ ПО ПЯТОЙ ГЛАВЕ

1. Получена зависимость силовой реакции опоры F(t), действующей на каблучную часть обуви в фазе переднего толчка, отдельно от общей реакции опоры.

Показано, что пик нагрузки пяточной части отстает от первого суммарного пика нагрузки на 0,005 с.

2. Определена зависимость угла поворота стопы (угла наклона нижней плоскости каблука) относительно опорной поверхности.

3. Определена зависимость силовой реакции опоры F(a), действующей на каблучную часть обуви, в функции угла наклона нижней плоскости каблука к опоре.

4. Построены характеристики коэффициента жесткости каблучной части обуви от времени и определено ее аналитическое выражение в виде функции полинома методом MathCAD.

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ АМОРТИЗАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА - ПЯТОЧНАЯ ЧАСТЬ СТОПЫ - КАБЛУЧНАЯ ЧАСТЬ НИЗА ОБУВИ - ЖЕСТКАЯ ОПОРА

6.1. Постановка задачи и область исследования

Целью данного исследования является изучение амортизационных свойств обуви и выявление оптимального материала для изготовления здоровьесберегающей обуви. Постановка цели обусловлена целым рядом существенных причин.

Как описывалось ранее [1], человеческая стопа, формировавшаяся многие тысячелетия, до наших дней дошла практически в том же виде, к которому привел ее эволюционный процесс в период, когда человек ходил по неутоптанному грунту босиком. Сегодня же человек ходит, главным образом, по жестким основаниям, таким как асфальт, бетон и тому подобным покрытиям. При взаимодействии стопы человека с жестким основанием существенно возросла нагрузка на организм. Особенно опасным, с точки зрения опорного нагружения, для человеческого организма является, момент первичного контакта человека с опорой, так называемый «момент переднего толчка».

Особое внимание к моменту первого контакта стопы переносимой ноги с опорой объясняется теми неблагоприятными факторами, которые порождаются при ходьбе в этой фазе движения.

Во-первых, этот контакт завершает одноопорный период движения (этап, в котором опора осуществляется только на одну ногу) и характеризуется торможением массы тела после баллистического переноса ноги к новой опоре, что вызывает резкое возрастание опорной нагрузки в зоне контакта [76], [77], [78], [79].

Во-вторых, именно в этот момент начального контакта с опорой перенесенная нога практически остается без своих амортизирующих возможностей, присущих ей при других периодах работы стопы, так как:

• контакт с опорой происходит только в пяточной зоне, вследствие чего упругие свойства свода стопы не могут быть задействованы;

• опорные звенья ноги - пяточная часть, голень и бедро находятся практически на одной линии, из-за чего не используются амортизирующие возможности голеностопного, коленного и тазобедренного суставов и связок.

Вследствие этих причин, возникающая реакция опоры практически полностью передается на позвоночник и другие, жизненно важные органы человека. Этот период можно характеризовать как квазиударное нагружение тела человека и как наиболее критическую по нагрузке фазу при ходьбе. Все это вызывает необходимость постановки задачи приведения передаваемой нагрузки на опорно-двигательный аппарат человека к оптимальному уровню.

За период развития общества, между опорой и ступней человека возникла «прослойка» (обувь), которая защищает стопу от воздействия внешней агрессивной среды. Таким образом, мы получаем систему: тело человека — пяточная часть стопы- каблучная часть низа обуви - жесткая опора. Для того, чтобы снизить патогенное воздействие на человека опорных нагрузок, следует привести параметры элементов системы к оптимальным значениям. Так как, по объективным причинам, отрегулировать параметры стопы и опоры не представляется возможным, единственным регулируемым параметром системы является обувь. Следовательно для получения здоровьесберегающей системы, необходимо создать обувь с такими параметрами, которые соответствовали бы приведению системы к условиям, приближенным к естественным, когда человек ходил по неутоптанному грунту необутой стопой, так как в этих условиях формировалась стопа и продолжала функционировать, по крайней мере, два миллиона лет.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, а именно:

• построение динамической модели системы тело человека — пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви — жесткая опора;

• определение системообразующих параметров модели;

• составление математической модели системы тело человека — стопа — каблучная часть низа обуви - жесткая опора;

• решение дифференциального уравнения (математической модели);

• анализ полученных результатов и составление на их основе выводов и рекомендаций.

6.2. Разработка модели. Составление дифференциального уравнения 6.2.1. Определение элементов динамической модели

Разработка динамической модели для системы тело человека - пяточная часть стопы - каблучная часть низа обуви - жесткая опора, прежде всего, требует представления массы человека. Для задач перемещения общего центра масс, в процессе ходьбы, достаточно применить одномассовую модель, заменяющую многомассовую, расположенную на многозвенном механизме с невесомыми звеньями, моделирующую тело человека. В нашем же случае, представление массы человека одномассовой моделью не достаточно точно, так как при взаимодействии элементов системы между собой могут сказываться упруго-вязкие характеристики материалов, из которых состоят эти элементы. Динамическая модель должна учитывать упругие и демпфирующие свойства элементов системы, так как они влияют на перераспределение энергии в системе.

Виды энергии системы:

• кинетическая - энергия движущейся массы;

• потенциальная - энергия, накапливающаяся в упругом элементе;

• диссипативная — потерянная в системе.

Для человека это упруго-вязкие характеристики тканевого слоя стопы, для обуви это упруго-вязкие характеристики каблука и стельки.

Для моделирования упругих и вязких характеристик материалов предлагаются различные модели. Их выбор определяется конкретными условиями. Для упругих материалов деформация происходит практически мгновенно, поэтому скорости нагружения и деформации не учитываются, а сила упругости будет: Fy=cx, где С - коэффициент жесткости материала, X - величина деформации материала.

В вязко-текучем материале напряжение и скорость деформации взаимосвязаны, усилия демпфирования зависят от скорости деформации:

Fd=bv, где Ъ - коэффициент демпфирования, v - скорость деформации материала.

Вязкоопругий материал занимает промежуточное положение, поэтому усилие деформации такого материала определяется суммированием усилий.

Математическое описание усилий упругости и демпфирования осуществляем в линейной области, когда коэффициенты С и Ъ постоянны.

Для моделирования упруго-вязких свойств материалов широко применяется модель Фохта (Кельвина-Фохта-Майера), в которой упругий и демпфирующий элементы располагаются параллельно (рисунок 4.1а). в этом случае усилие деформации F определяется, как сумма F=Fy+Fd.

Данная модель дает достаточно точное описание динамических процессов и является простой и удобной. Однако, она плохо описывает начальный момент движения, когда в период времени i=0, скорость v Ф 0. Чем больше скорость в момент начала деформации, тем резче нарастает усилие, что не соответствует реальному процессу. С целью устранения этого недостатка, используется модель Максвелла (рисунок 4.16). В модели упругие и деформирующие элементы расположены последовательно. Такая модель более точно описывает начальный момент движения, но ее недостатком является значительное усложнение решения. Дальнейшее уточнение модели производится за счет добавления новых упругих и деформирующих элементов, как, например, Пойтинга-Томпсона (рисунок 49 в), для некоторых материалов такое усложнение модели позволяет увеличить точность расчетов. С

777777777 я

777777777 т с

777777777Т А К а) б) в)

Рисунок 49 - Динамические модели системы

Таким образом, для составления модели на основе системы тело человека - стопа — каблучная часть низа обуви - жесткая опора, необходимо смоделировать:

• массу человека;

• пяточную часть стопы;

• каблук;

• жесткую опору.

Как видно из вышеприведенных данных, при моделировании массы необходимо учитывать, что тело человека имеет вязко-упругие элементы и следует использовать приведенную массу тпр Пяточная часть стопы состоит из твердой костной ткани и мягких тканей (кожа, клетчатка). Пятка имеет два параметра, которые можно представить вязкоупругой моделью Фохта с параллельно расположенными коэффициентом жесткости Сп и коэффициентом демпфирования Ъп. При моделировании пятки необходимо учитывать то, что при достижении определенной нагрузки мягкие ткани пяточной части стопы перестают деформироваться. Этот параметр можно выразить на модели в виде жесткого упора (ж.у.) с определенным зазором Z, при выборке которого жесткий упор (ж.у.) вступает в действие.

Каблук имеет два параметра для моделирования — упругие и демпфирующие свойства, которые выражаются через модель Фохта. Опора моделируется абсолютно жесткой.

6.2.2 Приведенная масса тела человека

При ударном нагружении не вся кинетическая энергия расходуется на работу торможения общего центра масс. Часть энергии расходуется на изменение формы вязко-упругой массы мягких частей тела. Учитывая, что недеформируемая часть тела (скелет) составляет около 13% от общей массы (по данным морфологических исследований), приведенная масса определяется, как: тпр—0,13т + 0,87тк' п — кпт, где к'п - коэффициент приведения; кп = 0,13 + 0,8 к'п - общий коэффициент приведения

Коэффициент приведения к 'п показывает, какую часть массы упруго-вязкой системы следует присоединить к основной колеблющейся массе, чтобы корректно представить инерционность системы. Величина коэффициента приведения зависит от специфики системы, ее формы, и, в малой степени, от принятого закона распределения массы. Объясняется это явление тем, что в момент контакта с опорой, не вся масса тела тормозится сразу, как в абсолютно твердом теле, а часть ее продолжает движение, приводя к изменению формы тела. Это означает, что не вся кинетическая энергия движущегося тела гасится в точке контакта с опорой при резком торможении, часть ее расходуется внутри тела на изменение формы. Так как мягкие ткани тела человека вязко-упругие, то эта энергия рассеивается внутри тела на работу преодоления соответствующего сопротивления их перемещению. Поэтому в момент контакта с опорой следует учитывать Только ту часть энергии, которая не расходуется внутри тормозящейся массы тела. Для этого массу вязко-упругого тела можно условно заменить жесткой массой, но уменьшенной на определенную величину так, чтобы кинетическая энергия абсолютно твердого тела в момент удара равнялась кинетической энергии вязко-упругого тела.

Рассмотрим движение упругого тела (рисунок 50). Перед контактом с жесткой опорой все сечения этого тела движутся с одинаковой скоростью У0.

Рисунок 50 - Схема нагружения движущегося упругого тела постоянного сечения в момент контакта с жесткой опорой.

В момент удара нижнее сечение останавливается (скорость равна нулю), а верхнее сечение все еще продолжает двигаться со скоростью У0. Если принять гипотезу, что эпюра перемещений сечений тела в динамическом контакте с опорой подобна эпюре перемещений сечений тела при статическом нагружении, то, соответственно скорости их перемещения будут изменяться от Уо (верхняя плоскость тела) до нуля (плоскость контакта тела с опорой).

На расстоянии 1 от опоры (рисунок 50) скорость сечения будет из подобия треугольников

II I

I 10 10

Масса выделенного слоя: тсл= Яр , где 5 = £ х 1 х ¿// - объем слоя; р - плотность материала тела; 1 -принятый третий размер выделенного слоя. Тогда кинетическая энергия упругого тела (всех его слоев) будет:

Из последнего выражения видно, что приведенная масса тпр=т/3

Таким образом, масса упругого тела заменяется эквивалентной массой твердого тела, равной его трети.

Учитывая, что костные составляющие тела человека не являются, строго говоря, абсолютно жесткими звеньями, то для расчета приведенной массы значение коэффициента принимаем не 1/3, а 1/4 для компенсации их упругости. Определим приведенную массу для человека со среднестатистической массой 70 килограммов. тпр= 0,13т+0,87 ~ т , 4 где тпр - масса приведенная; т - масса человека.

О 87 т„р~0,\Ъх 70+-—-х 70 = 9,1 + 15,23 = 24,33 кг

6.2.3 Упругие элементы динамической модели

6.2.3.1 Жесткость пяточной части стопы

Первый контакт переносимой ноги с опорой происходит задней зоной пяточной части стопы. Между пяточной частью стопы и опорой располагаются кожа с клетчаткой, подошвенный апоневроз и приводящие - отводящие мышцы [80], [81]. Подошвенный апоневроз является сухожильно-мышечным образованием, отходящим от пяточной кости мощным стволом. Схематизируя свойства реальных слоев тканей пятки, представляя их сплошной и однородной средой с коэффициентом жесткости Сп, коэффициентом демпфирования Ъп и соответствующей геометрией, формируем феноменологическую модель промежуточных слоев пятки.

В начальный момент, до деформации, толщина пятки равна к (рисунок 51). При контакте с опорой мягкая часть пятки стопы деформируется, образуя площадку А. С увеличением опорного усилия, толщина слоя к уменьшается, а диаметр площадки контакта увеличивается. Давление Р на ткани пятки, в силу сферической формы пятки, распределяется неравномерно. В центре зоны, где деформация больше, давление возрастает, а к периферии зоны контакта оно уменьшается. Кроме того, на эти параметры влияют и характеристики опоры. При жесткой опоре (асфальт, бетон) деформацией опоры можно пренебречь и все упруго-вязкие характеристики в зоне контакта пятки с опорой определяются только упруго-вязкими характеристиками тканей пятки.

I II III

Рисунок 51 - Взаимодействие стопы человека с опорой в момент начального контакта

Исходя из этого описания, как уже упоминалось ранее, пяточную часть стопы можно представить моделью Фохта.

Рассмотрим жесткость пяточной части стопы. Свойства пяточной части стопы наименее изучены и во многом зависят от конкретного человека. Поэтому определение точного показателя жесткости пяточной части не представляется возможным. Ввиду этого, в работе определяется средний показатель искомой величины, определяемый с помощью графиков зависимости деформации от нагрузки (рисунок 52), аналогично сделанным в предыдущих исследованиях [3].

Рисунок 52 - График зависимости деформации мягких тканей пяточной части стопы S от нагрузки F.

В первой зоне происходит значительная деформация пяточной части стопы (от 0 до 4,5 мм) под действием относительно малого усилия (50 Н) (рисунок 51 II), что позволяет пренебречь упругим и демпфирующим противодействием. Этот промежуток отнесем к баллистическому движению тела человека. Во второй и третьей зоне происходит деформация мягких тканей пятки от 4,5 до 7,5 мм при нарастании усилия на 180Н (рисунок 51 III). Эти зоны примем за основной период деформации и построим усредненный график зависимости деформации от усилия, начиная с нулевой точки (рисунок 53).

Рисунок 53 - Усредненный график зависимости деформации пяточной части стопы от нагрузки.

Тогда жесткость пяточной части будет:

Сп= = = бОН/мм о э

В четвертой зоне деформация пяточной части стопы практически не происходит, хотя усилие возрастает значительно. Это позволяет считать, что с начала четвертого периода жесткость пяточной части стопы становится абсолютной С—> оо.

На основании изложенного делаем вывод, что диапазон деформации пяточной части стопы ограничен 0-3 мм, далее деформация не происходит, и жесткость считаем бесконечной (таблица 14).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Условия локомоций человека, обеспечивающих оптимальное нагружение ОДА

Ходьба человека в обуви по твердым поверхностям, какими обычно являются асфальт, бетон, кафель и др., сопровождается, как правило, ощущением дискомфорта, связанным с тем, что при ходьбе, в фазе переднего толчка, силовая реакция, близкая по модулю к я^ от жесткой опоры, практически без амортизации, передается через стопу, кости голени и бедра, на позвоночный столб и другие жизненноважные органы человека, что может вызвать болезненные ощущения и привести к различным патологическим изменениям в опорно-двигательном аппарате человека.

В последние десятилетия зарегистрирован рост заболеваний ОДА, сопровождающийся нарушением двигательной активности, такие как остеохондроз, радикулит, статические деформации стоп, патологические изменения в суставах нижних конечностей, особенно у людей, чья профессиональная деятельность связана с длительным пребыванием на ногах. Кроме того, зарегистрирован рост заболеваний ОДА среди детей дошкольного возраста. Поэтому снижение негативного влияния жесткой опоры на стопу и организм человека в целом является важной задачей для разработчиков обуви, решение которой невозможно без исследований процесса ходьбы, особенно наиболее опасной его фазы - переднего толчка.

Определение модуля упругости и жесткости грунтов

Формирование стопы человека происходило на протяжении многих тысячелетий в конкретных условиях, когда органы передвижения соприкасались с внешней средой - человек опирался ногами непосредственно на грунт с его неровностями и относительной мягкостью (податливостью). Такие характеристики грунта определяли анатомические особенности нижних конечностей как органа передвижения человека, и прежде всего формировали особенности конструкции стопы [1]. Сформировавшаяся в результате эволюционного развития стопа, обеспечивала сбалансированную работу всех звеньев опорно-двигательного аппарата.

Современные условия существования человека значительно отличаются от прежних, естественных. Между стопой и опорным грунтом возникли промежуточные элементы - конструктивные детали низа обуви и покрытие грунта - дорожные покрытия, т.е. относительно жесткая подошва и плоское твердое опорное основание.

В настоящее время конструкция стопы человека практически не изменилась, вследствие чего возникает необходимость создания низа обуви, обеспечивающего естественный уровень амортизации, имеющий место при контакте необутой стопы с усредненным грунтом.

В данной работе проведены исследования физико-механических свойств грунта, в частности, определен характер его деформируемости, являющийся важным показателем при разработке амортизирующего низа обуви. Для определения деформационных характеристик грунтов проводились испытания образцов монолитов в компрессионном приборе одометре. На основании данных, полученных в результате эксперимента, определены модули общей линейной деформации и мощности эквивалентного слоя усредненного > грунта, являющиеся исходными параметрами для определения жесткости каблучной части обуви, обеспечивающими естественный уровень амортизации тела человека. для суглинков Ео = 5,49 МПа, к же. = 0,17 м

Получен коэффициент жесткости суглинка площадью равной пяточной части стопы и найденной мощностью эквивалентного слоя: С; =Р! А1 ~ЕА /1 = 5,49 • 2800 /170 = 90,6 Н/мм;

Получено значение жесткости усредненного грунта:

Сср = 114,7 Н/мм

К этому значению жесткости необходимо стремиться при создании конструкции и выборе материалов каблучной части обуви, обеспечивающих естественный уровень амортизации, соответствующий контакту необутой стопы с усредненным грунтом [1]. Приведенная масса тела человека

В данной работе составлена динамическая модель системы тело человека - стопа — каблучная часть низа обуви - жесткая опора, позволяющая смоделировать:

• массу человека;

• пяточную часть стопы;

• каблук;

• жесткую опору.

При моделировании массы необходимо учитывать, что тело человека имеет вязко-упругие элементы и следует использовать приведенную массу тпр. Учитывая, что недеформируемая часть тела (скелет) составляет около 13% от общей массы (по данным морфологических исследований), приведенная масса определяется, как: тпр—0,13т + 0,87 тк' п = кпт, где к'п - коэффициент приведения; кп = 0,13 + 0,8 к'„- общий коэффициент приведения

Произведенные расчеты показали, что приведенная масса т„р=т/3

Таким образом, масса упругого тела заменяется эквивалентной массой твердого тела, равной его трети.

Учитывая, что костные составляющие тела человека не являются, строго говоря, абсолютно жесткими звеньями, то для расчета приведенной массы значение коэффициента было принято не 1/3, а 1/4 для компенсации их упругости. Приведенная масса для человека со среднестатистической массой 70 килограммов. тпр- 0,13т+0,87 ~ т , где тпр - масса приведенная; т - масса человека.

О 87 тпр = 0,13 х 70 + х 70 = 9,1 + 15,23 = 24,33 кг

Жесткость пяточной части стопы

Учитывая, что свойства пяточной части стопы во многом зависят от конкретного человека, определение точного показателя жесткости пяточной части не представляется возможным. В работе рассчитывается средний показатель искомой величины, определяемый с помощью графиков зависимости деформации от нагрузки, аналогично сделанным в предыдущих исследованиях [3].

На начальном этапе происходит значительная деформация пяточной части стопы (от 0 до 4,5 мм) под действием относительно малого усилия (50 Н), что позволяет пренебречь упругим и демпфирующим противодействием. Этот промежуток можно отнести к баллистическому движению тела человека. На втором и третьем этапе происходит деформация мягких тканей пятки от 4,5 до 7,5 мм при нарастании усилия на 180Н. Эти этапы примем за основной период деформации.

Жесткость пяточной части будет:

F 180 ,Лтт/

Сп= = = бОН/мм

Л о

Далее, при значительном нарастании усилия, деформация пяточной части стопы практически не происходит. Это позволяет считать, что жесткость пяточной части стопы становится абсолютной С —» оо.

На основании изложенного делаем вывод, что диапазон деформации пяточной части стопы ограничен 0-3 мм, далее деформация не происходит, и жесткость считаем бесконечной.

Определение демпфирующих элементов динамической модели

Определение коэффициента демпфирования основывается на экспериментальных данных по величине потерь энергии при затухании колебаний за один цикл.

Отношение энергии, потерянной в материале при его деформации за один цикл Д\\<г, к общей затрате энергии называется коэффициентом поглощения который является одним из показателей демпфирующей способности материала. = Д \У

Другой характеристикой демпфирующих свойств материала является логарифмический декремент затухания 8, который оценивает темп затухания за один цикл

1 а, 5 = 1п —— 1

Также демпфирующая способность материала определяется через постоянную времени демпфирования: Ть = — , где £ - коэффициент объемной Е нормальной вязкости, определяемый экспериментально для соответствующих материалов.

Для определения демпфирующих свойств материалов в этой работе использован логарифмический декремент. При помощи расчетных формул получена основа для расчета показателей логарифмического декремента, а далее выведен необходимый коэффициент демпфирования. Такие расчеты произведены как для пяточной части стопы, так и для каблучной части низа обуви.

Определение нагрузок, действующих на каблучную часть обуви при переднем толчке

Для построения динамической модели-триады тело человека - обувь -опора, необходимо определить усилие, передаваемое на пяточную часть обуви от опоры и далее на тело человека.

Определение двигательно-силовых характеристик объекта проводилось на компьютеризированной системе «ЕМЕО». Анализ и обработка экспериментальных данных определена величина и характер изменения максимального давления и усилия, передаваемого на каблучную часть низа обуви при ходьбе в фазе переднего толчка при изменении времени взаимодействия каблука и опоры. Полученные в ходе измерений данные контакта каблука и опоры без носочно-пучковой части представлены графически в виде зависимости максимального давления на каблучную часть от времени взаимодействия каблука и опоры, а также площади контакта каблука и опоры от времени. Результаты исследования представлены в виде графика, показывающего изменение нагрузки действующей на нижнюю поверхность каблучной части обуви со стороны опоры во время ходьбы.

По данным исследования, максимальная нагрузка, приходящаяся на каблучную часть низа обуви из резины «стиронип», составила Рпст = 543 Н, а нагрузка на каблучную часть из пористой резины ВШ - Епвш =319 Н, что имело место в момент времени ¿=0,12с, при общей нагрузке в этот момент соответственно 610 Н и 372 Н.

1. Александров С.П. Концепция проектирования динамической системы низа обуви // Новое в науке и производстве текстильной и легкой промышленности. Сборник научных трудов, М.- 2004.

2. Александров С.П., Куприянов А.П. Аспекты эргономической обуви // Журнал Кожевенно-обувная промышленность 2005 - № 2.

3. Москвин О .Я. Разработка методов расчета энергозатрат человека в обуви и амортизирующего низа обуви // кандидатская диссертация, М.: МГУДТ 2000.

4. Родионова Ю.В. Разработка конструкторско-технологических решений повышения опорной комфортности обуви // кандидатская диссертация, Санкт-Петербург.: С-ПГУТД 2000, 198 с.

5. Александров С.П., Паршина О.В. Исследование напряженно-деформированного состояния подошвенных мышц // Журнал Кожевенно-обувная промышленность 1989 - № 8.

6. Фукин В.А. Теоретические основы проектирования внутренней формы обуви // Учебное пособие.: МГУДТ 2000, 192с.

7. Конструкция ударопоглощающей системы для каблука обуви // Патент RU №2217028,2001.

8. Обувь с подошвой, содержащей амортизирующее устройство // Патент US №5794361, 1996.

9. Амортизирующая подошва // Патент RU № 2009651, 1994.

10. Обувь с устройством для рекуперации энергии // Патент WO №3022087, 2002.11 .Подпружиненная спортивная обувь // Патент JP № 3377211, 1994.

11. Амортизирующий механизм для обуви // Патент US № 6553692, 1998.

12. Регулируемое амортизирующее устройство для обуви // Патент US № 5797198, 1996.

13. Амортизирующая обувь // Патент ЕР № 845224, 1996.

14. Амортизирующая стелька для спортивной обуви // Патент Ш №2113151, 1984.16.0бувь с упругой подошвой // Патент Ш № 1477233, 1986.

15. Амортизирующий каблук // Патент 1Ш № 2050807, 1993.

16. Пневматическая подошва // Патент \\Ю № 9824338, 1997.19.0бувная подошва // Патент WO № 228216, 2000.

17. Ударопоглощающее устройство для обуви или обувной стельки // Патент Ш № 5787609, 1996.

18. Амортизирующая обувь для однорядных роликовых коньков // Патент 118 №6189241,2000.

19. Обувная подошва // Патент БЕ № 19924256, 1999.

20. Под ошва и амортизирующий вкладыш для спортивной обуви // Патент Ш № 6338207, 2000.

21. Пневмопружинная обувь «Скороход 2» // Патент ГШ № 2077857, 1995.

22. Амортизирующий каблук с пневмоциллиндром и упругожестким блоком // Патент 1Ш № 2308211, 2007

23. Амортизирующий каблук с пневмоциллиндром и тарельчатой пружиной // Патент ЬШ № 2310356, 2007.27.0бувь и вставка для обуви // Патент БШ № 2085096, 1991.

24. Амортизирующий элемент // Патент Ш № 6205684, 1999.

25. Узел низа обуви с амортизационным средством // Патент Ш № 1588372, 1987.

26. Амортизирующий каблук // Патент БШ № 2217027, 2001.

27. Скрипалев В.А. Сто вращений // Журнал Физкультура и спорт 1988.

28. Буланова И.В. Морфофункциональные основы плоскостопия, средства и методы его профилактики // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук, М. -1984, 32 с.

29. Александров С.П., Паршин О.В. Проектирование низа обуви, обеспечивающего оптимальные условия функционирования свода стопы // Журнал Кожевенно-обувная промышленность 1995 - № 5.

30. Александров С.П., Паршина О.В. Методы выявления закономерности распределения давления по опорной поверхности стопы // Технология легкой промышленности. Известия вузов 1989 - № 2.

31. Бриш П., Селуянов В.Н. Влияние материала и конструкции спортивной обуви на ход усилий при ходьбе // Материалы IX обувного международного симпозиума — Брно 1988, 346 с.

32. Главачек П., Бриш П., Томан Е. Измерение сорбции энергии по ДИН 4843 // Материалы IX обувного международного симпозиума Брно -1988,356 с.

33. Лукьянова А.Н. Исследование условий приформовываемости деталей низа обуви // кандидатская диссертация — М.: МГУДТ — 2004.

34. Аруин А.С., Зациорский В.М., Корецкий А.В., Потемкин Б.А. Испытание демпфирующих свойств обуви вибрационным методом // Журнал Кожевенно-обувная промышленность 1986 - № 4.

35. Tolachier M. La Capacité"сГ absorption d'energie des semelages // Techicuir -1983 №7.

36. Shoch Absorbing Shoes. Tested at New University Laboratory in Copenhagen. - American shoemaking - 1984.

37. Паршина О.В. Разработка элементов теории и средств обеспечения опорной комфортности системы низа обуви // кандидатская диссертация М.: МТИЛП - 1989.

38. Александров С.П., Паршина О.В., Волкова Е.А. Конструктивное обеспечение опорной комфортности обуви // Журнал Кожевенно-обувная промышленность 1989 - № 12.

39. Винокуров В.А. Теория динамических свойств кроссовок // Журнал Обувь. Производство качество - рынок - 2005 - № 1.

40. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты // Учебник для ВУЗов по спец. «Строительство» М. - 1987, с.30-38.

41. Далматов Б.И, Бронин В.Н., Карлов В.Д., Мангушев P.A., Сахаров И.И., Сотников С.Н., Углицкий В.М., Фадеев А.Б. Основы геотехники в строительстве // Учебник для ВУЗов по спец. «Строительство» СПб.: СПбГА-СУ - 2000, 34 с.

42. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грутоведения и механики грунтов // Учебное пособие для автомобильно дорожных спец. ВУЗов. - М.: Высш. шк. - 1986, с.29 -31.

43. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

44. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

45. ГОСТ 20522-96. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний.

46. ГОСТ 12248-95. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

47. Черкасова Л.И., Шрамкова В.Н., Юдина И.М. Лабораторные работы по дисциплине Механика грунтов // Методические указания для студентов, обучающихся по направлению «Строительство». М.: МГСУ- 2003.

48. СНиП 3.02.01.83. Основания и фундаменты // М.: Стройиздат 1983.

49. Цытович H.A. Механика грунтов. Краткий курс // М.: высш. школа -1983.

50. СНиП 2.02.03.85. Свайные фундаменты // М.:Стройиздат 1985.

51. Под ред. Долматова Б.И. Механика грунтов. Основы геотехники в строительстве // СПб.: СПбГА СУ - 2000, 204 с.

52. СНиП 2.02.01.83. Основания зданий и сооружений // М.: Стройиздат -1986.

53. Белгородский B.C., Жихарев А.П., Фукин В.А. Усовершенствование способа измерения плантограмм стоп // Журнал Кожевенно-обувная промышленность 2002- № 2.

54. Александров С.П., Ярдухина С.П. Обувь с принудительной вентиляцией // Международный сборник научных трудов. Метрология, стандартизация и сертификация изделий сервиса: теория и практика, г.Шахты 2007.

55. Белгородский B.C. Разработка методов и средств повышения комфортности обуви // кандидатская диссертация М.: МГУДТ - 2001, 218 с.

56. Брауне В., Фишер О. Ходьба человека// т.т. I — IV 1904.

57. Бернштейн H.A. Исследование по биодинамике ходьбы и бега. Вопросы динамики мостов // НКПС 1927.

58. Бернштейн H.A. Исследование по биодинамике локомоций // М.-1935.

59. Рабинович И.М. Динамическое воздействие толпы на мосты. Вопросы динамики мостов // НКПС 1927.

60. Платунов K.M., Бахтиаров И.Х. Работа подошвы в обуви // Сборник трудов ЦНИКП, т.П, вып.1: Гизлегпром 1935.

61. Родионова Ю.В. Разработка конструкторско-технологических решений повышения опорной комфортности обуви // кандидатская диссертация — Санкт-Петербург.: С-ПГУТД- 2000, 198 с.

62. Петрунина М.М. Амортизационные свойства обуви // Сборник трудов ЦНИКП, №29- 1959.

63. Emed-system // operating manual 1991.

64. Мицкевич В.А., Арсеньев А.О. Методическое руководство по работе с системой компьютерного анализа стопы PAD PROFESSIONAL.

65. Комплекс аппаратно-программный для регистрации, отображения и обработки информации о динамике распределения давления между стопой и опорной поверхностью «ДиаСлед».

66. Parotec system // instruction manual 1994.

67. Авилов A.A. и др. Жесткость подошвы, как фактор утомления при ходьбе // Сборник трудов ЦНИКЗ 1951- №3.

68. Пьер-Мари Гаже, Бернар Вебер. Регуляция и нарушения равновесия тела человека. Постурология // Издательский дом СПбМАПО 2008, 316 с.

69. ГОСТ 12632-79 Пластины и детали резиновые пористые для низа обуви.

70. ГОСТ 10124-76 Пластины и детали резиновые непористые для низа обуви. Технические условия.

71. ГОСТ 1010-78 Чепрак-получепрак для низа обуви растительного дубления.

72. Э.Накано Введение в робототехнику // Учебное пособие под ред. А.М.Филатова.- М.: Изд-во Мир 1988.

73. Формальский A.M. Перемещение антропоморфных механизмов // М.: Наука 1982.

74. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика // Учебник для ВУЗов. -М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС 2004, 672 с.

75. Кейер А.Н., Рожков A.B. Руководство по протезированию и ортезированию // Санкт-Петербург: НИИ протезирования им. проф. Альбрехта Г. А. 1999, 624 с.

76. Под ред. Б.А.Никитюка и В.П.Чтецова Морфология человека // Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ - 1990 - 344 с.

77. Сапин М.Р., Билич Г.Л. Анатомия человека // Учебник для студентов биол. спец. ВУЗов. М.: высш. шк. - 1989, 544 с.

78. Лепетов В.А. Расчеты конструирования резинотехнических изделий и Форм // Л.: Изд-во«Химия» 1972 - 312 с.

79. Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины // Л.: Изд-во «Химия» 1968.

80. Фарбер Б.С., Витензон A.C., Морейнис И.Ш. Теоретические основы построения протезов нижних конечностей и коррекции движения // Книга 1. Под ред. д.т.н., проф. Фабрера Б.С.- М.: ЦНИИПП, 1994 646с.

81. Журавлев В.Ф. Основы теоретической механики.: Физматлит, 2008— 304с.