潜水运动力学分析与潜水服设计要点

吴忻舟，杜劲松



潜水运动力学分析与潜水服设计要点

吴忻舟1, 2，杜劲松1, 2

(1. 东华大学 服装艺术设计学院，上海 200051；2. 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051）

分析三种潜水服的基本特点及设计要点，并以潜水裤为例，通过对人体下肢动作、潜水环境以及潜水服材料进行分析，结合潜水运动力学，为潜水服制作打下基础。

潜水服；运动力学；保暖性；合体性

随着社会发展和生活水平的不断提高，人们越来越追求除物质之外的娱乐休闲运动，我国休闲娱乐市场的持续多元化发展，使潜水运动越来越受到消费者的青睐。人们对潜水设备设施的要求也逐渐增强，针对潜水设备的研究也逐渐增多。潜水设备，用于防止潜水时体温散失过快，造成失温，同时也能保护潜水员免受礁石或有害动物植物的伤害．而潜水服是潜水用品的一种，它是潜水作业的重要装备，广泛应用于军事及民用潜水。根据功能和目的性的不同，潜水服可分为干式、半干式和湿式三种．本文将对三种潜水服，进行分析介绍。

一、潜水服的特点分析

（一）潜水服基本特点

潜水服除了可以保护身体不被礁石割伤，以及水母海葵等生物性的伤害，还具备功能性。三种潜水服功能和目的性不同。如图１所示：

（a）干式潜水服        （b）湿式潜水服         （c）半干式潜水服

干式潜水服完全与水隔绝，尤其适合水温较低的潜水作业，它通过添加空气层而保暖，穿着干式潜水服时，身体完全与水隔绝，依水温情况，可以在里面添加毛衣加强保温。干式潜水服的样式多为一件式，即帽子、衣服、裤子和靴子连成一体的潜水服，且须配备特别的防水拉链和其他配件，如干式潜水充气排气的装置，防水性拉链，手腕和颈部的收紧圈（使用者可根据实际情况调节松紧程度）等等，使之密封性能良好。这些装备均可让潜水员保持干燥而得到良好的绝缘。潜水后干式潜水衣要浸泡清水及避免阳光曝晒，尽可能存放在通风而阴凉的地方，拉链要经常润滑，不可长期折叠以防止造成泡沫合成橡胶无法恢复的皱摺。干式潜水服较湿式潜水衣价格高出许多，是休闲潜水保温最好的潜水衣，且潜水员必须接受培训，如学习如何控制及使用充气排气装置，才可穿着干式潜水衣进行水下活动，但是由于这些装置较重且操作不易，潜水员在水下活动时要需要消耗更多的体力和精力，而且后续保养维护繁琐，据各大潜水论坛上用户体验，大部分用户不太倾向购买干式潜水服，且称干式潜水服的使用寿命都不太持久。

半干式潜水服通过颈部、腕部、踝部的橡胶箍密封，使躯体保持干燥提供保暖，基本特点与干式潜水服相同，仅脚、手、头或直接暴露于水中或采取佩戴湿式头套、手套等措施进行保暖[1]，主要应用于潜水旅游，渔业捕捞，水下施工等方面。

湿式潜水服用户体验面最广，且广泛应用于休闲潜水。湿式潜水服依赖潜水服与潜水员皮肤之间保持的不流动水和衣服的厚度保暖。这点是与干式潜水服最大的区别。因此湿式潜水服不适合在很冷的水中潜水，也不适合在污水中潜水。

（二）潜水服功能性特点

（1）保温性

三种潜水服在某些方面具有相同的功能性，首先三种潜水服都必须具备一定的保温性能。由于水下寒冷环境，资料显示海水表面的平均温度在－1.7°－27°之间[2]，有研究表明，在室温25℃时，人体感到舒适，但是在水温25℃时，人会感到凉[3]。即便水温25℃时，不穿潜水服的受试者，能在水中浸泡很少超过１小时[4]。为了人体健康，水温在27°以上可不穿潜水服；低于20°穿湿式潜水服；水温在10度以下则需要穿干式潜水服。因此潜水服必须具有一定的保温性能。一般来说潜水服的保温效果与材料的厚薄成正比。除此之外潜水服的材料不同也能影响潜水服的保温作用。一般来说，同种材料，厚度相同，保暖性一般相同，传统潜水面料由泡沫合成橡胶的材质制成，一般厚度可从3mm到10mm，但是根据实际情况的不同，潜水人员一般在夏天穿3mm厚的潜水服，冬天则穿5mm厚的潜水服[5]。但是，袁俊舫、顾靖华、顾心清在《二种湿式潜水服材料压力下厚度及保暖性能对照试验》中提到：传统的湿式潜水服材料为闭孔泡沫氯丁橡胶，这种材料存在一些缺点，如随着潜水深度的增加，泡沫氯丁橡胶气泡被压缩，厚度变薄，潜水服保暖性大大降低，贴身紧度变松，进而破坏了身体与服装之间的保暖水层[6]。对于这种情况，国际潜水界十分重视新材料的研究，研制一系列制作潜水服的新材料。例如新型层压复合织物，采用四层层压复合方式，由于这种层压织物各组分受压力影响很小，而且内部不包含闭合的气囊，在理论上不存在压力下厚度降低的问题．为了验证新材料的性能，顾清华等人对新旧湿式潜水服材料进行了压力下的厚度及空气中保暖性的对照试验，得出新型层压织物在水下的保暖性能优于闭孔泡沫氯丁橡胶，为改进我国现有湿式潜水服的性能提供了可行的方法。除此之外，《可自动调温的潜水服》一文中提到美国潜水员的湿式潜水服可根据周围环境和作业要求，提高其热保护性能，这种新型潜水服面料采用“灵巧皮肤”技术功能，不仅提高一定的防寒能力，预计可以大幅度降低外层氯丁橡胶的厚度，减少服装重量，提高运动性，使其保温性和运动性同时增强[7]。

（2）合体性

干式潜水服对合体性的要求并没有湿式潜水服严格，湿式潜水服要求服装和人体尽可能贴体，这是由它的保暖原理决定的。湿式潜水服的保暖原理是：当人体与潜水服间水层不流动时，人体和湿式潜水服间的水层能在人体周围形成温水浴环境，使体表热量散失最少[8]，从而使湿式潜水服达到保暖的效果。这与其他两种保暖原理不同，陶恒忻在《潜水医学》中以及Fuka zawa TH,Kawamura H ,Tanmra T在 《Water vapor transfer through mierospores membranes and polyester textiles at combination of temperature and pressure that simulated elevated altitudes》中也有相关说明。因此，研究认为除了潜水服材料的厚度和种类会影响他的保温性，潜水服与人体的间隙同样影响潜水服的保温性。若湿式潜水服贴体程度合适，当穿着湿式潜水服时，身体表面和潜水服之间会进水，当冷水进入人体时，体温会慢慢地将冷水加热到与体温相等的温水，身体穿着潜水服与外层的冷水隔绝，保证进入的少量水在潜水服与皮肤之间呈不流动状态以保持体温，潜水衣与身体之间的海水和外界交换越少，潜水衣的保温效果就越好[9]；若太紧身，则会让你的身体产生压迫感，形成血液循环不顺畅、呼吸困难；若整体或者局部间隙偏大，则潜水服不但不能达到防寒的效果，冷水在衣服内自由的进出，因而将被身体加热过的温水因水的对流而带走，降低保温效果，潜水时还会兜水，影响动作。

（3）运动性

除了潜水裤的保温性和合体性，潜水裤的运动性也是十分重要的。湿式潜水服较干式潜水服不用配备排气呼气装置，因此着装轻便，运动灵活舒适，但若穿着泡沫氯丁橡胶制作的湿式潜水服，当潜水至深处时，外部水压会压缩泡沫氯丁橡胶的微孔，使其厚度变薄，此时运动性和保暖性均不如干式潜水服。

潜水服的运动性也与潜水面料有关，如顾靖华等人提出：当使用传统材料时，潜水越深，需要泡沫氯丁橡胶厚度越大，限制了潜水员的水下活动能力；潜水服越厚，浮力越大，做成潜水服的适体性越差，着装也越困难[6]。为了减轻穿着湿式潜水服时对潜水员活动能力的限制，有些湿式潜水服不同的部位由厚度不同的氯丁橡胶制成，四肢部位采用比躯干部位薄得多的材料，仅在较为重要的部位采用厚的材料，这样可以使潜水员最大限度的保持自由运动的能力。并且，为了提高潜水服的运动性，研究新型材料已经成为趋势。如英国佛朗根斯公司生产的“Isotherm plus ”湿式潜水服采用层压复合材料制成，第一层是柔软的6.5mm氯丁橡胶，第二层采用金属基长毛绒纤维，厚度变薄，运动性增强。除此之外，潜水服制作工艺的特殊性与款式设计也影响其运动性。如潜水裤在结构上的分割线设计，使之外观更具流线型美感，运动性更强；如PUR.SUITX3型干式服，其肘部设计成稍弯曲状态，使手臂易于活动，为满足较高或专业潜水员的需要，潜水服后部较长，前部较短等[10]。

为了使三种潜水服的比较更加明朗，现将三种潜水服的特点比较如下表1所示。

表1 三种潜水服特点比较

由于潜水运动的特殊性，潜水服的设计与结构是非常重要的，需从服装人体工学的角度对人体结构，以及对人体潜水动力学进行分析。

二、潜水运动力学分析

功能性服装如瑜伽服、游泳服、跑步运动服等等，在进行服装设计时，应充分了解该运动的特殊性，结合运动力学进行分析考虑。

如李岳进在《蛙泳腿部动作的力学分析》中运用力学原理对蛙泳腿部动作进行力学分析，提出了合理的蛙泳腿部动作方法，为提高蛙泳的速度以及游泳运动服的设计提供了理论依据[11]。

马素想在《服装结构与宽松量对乒乓球服舒适性影响的研究》中对乒乓球运动人体肢体动作进行观察和分析。分析乒乓球运动员在做出发球、接球、攻球、搓球等动作，全身上下尤其是肩部、手臂、腕部以及手指等肌肉的变化、身体动作幅度及变形最大的部位，以上动作分析皆为乒乓球服的设计打下基础[12]。

潜水服作为功能性服装的一种，结构设计也应结合潜水运动力学，充分考虑潜水动作以及潜水运动的特殊性。潜水过程主要分为入水，下潜，水中移动，浮起，上岸五个过程。分析在此过程中潜水员的运动动作，姿势，是研究潜水服结构的重要基础。本文以人体下肢为例，分析潜水运动时人体下肢的变化，为潜水裤结构的设计提供参考。

（一）人体下肢的结构特点

了解人体下肢基本特点是研究潜水裤运动性能的前提条件。

人体下肢是支持人体站立时的重要部位。它不仅具有联系上半身的运动功能，而且本身还具有宽广的运动范围。下肢的骨关节、膝关节的构造和动作，是影响裤装结构设计舒适性的重要因素，在人体运动过程中，关节的转动带动皮肤的伸展，从而产生运动松量，因此，人体下肢的骨关节和膝关节等部位是潜水裤结构设计的重点研究对象。足关节是由小腿骨和足骨所构成。足关节的运动一般不会对裤装产生牵引，不是裤装结构设计中考虑的重点。

由于人体下肢骨骼、肌肉、脂肪分布的不同，下肢运动时导致运动后人体体形发生变化也不相同，为了保证运动过程中的潜水裤的贴体性，潜水裤的松量设计也因人而异。因此，研究运动导致人体体形发生的变化对潜水裤结构松量的设计是十分重要的。

（二）下肢潜水动作分析

肢体动作分析是服装结构设计的基础，只有从人体工效学的角度出发，才能使人体发挥全部的运动机能，达到运动最优状态。

有关潜水运动下肢动作的文献几乎很少，因此，本文决定选取7个代表动作，从动作幅度，拉伸部位等方面加以分析。

通过大量查阅资料和问卷调研了解，潜水运动下肢常见动作归纳如表2所示。

表2 潜水运动下体常见动作

通过表2动作示意图可以看出，7个动作均有一定程度伸展，只是幅度不同，为了确保动作的灵活性，使之不收牵绊，臀围、腰围、大腿围以及裆长、内长等数据都应准确合体，过紧动作舒展不开，过松动作有所羁绊。1号动作身体舒展，各部位并无太大拉伸，2号和5号动作相对幅度较小。3号和6号这两个动作是，人体膝盖部运动角度都大于90°，人体体表发生了较大的伸展，同时，在做3号和6号动作时，由于3号动作膝盖呈大于90°弯曲状，6号动作上身后仰幅度较大，由此可见裆部也受到了力的作用，影响潜水。由此可以看出，膝盖处与裆部是潜水时潜水裤受牵制的重要部位。卢云翔在《湿式潜水裤结构设计方法的研究》中通过大量调研和SPSS分析得出，2号动作是潜水运动中最常见的，7号动作最不常见。其中，排在前三位的动作为1号、2号和4号动作；排在后三位的动作为3号、6号和7号动作，由此，在湿式潜水裤动态松量设计时应重点考虑使用频率高的前三个动作，适量考虑使用频率较低的排序后三的动作，以保证潜水裤在满足基本运动的前提下合体、舒适[13]。

根据潜水员潜水时下肢运动动作分析，结合运动导致的皮肤变形，运动人体工学，进行松量设计，从而使湿式潜水裤舒适合体。

三、潜水服设计要点

（一）材料选择

潜水服一般由海绵和基布两部分组成，制造潜水服用的海绵一般选用氯丁橡胶(CR)，基布的材料，主要是尼龙纤维或莱卡布。只要厚度相同，两种布料所制成的潜水衣保暖效果都相同。莱卡面料颜色选择性多，且耀眼靓丽，在水中潜水时易引人注目，尼龙面料价格低廉。潜水服的厚度不同，可以适合不同地区、纬度、季节的水温。潜水衣主要作用为保暖，有不同的厚度和长短袖款式，配合不同的潜水环境。一般最薄的由0.5mm到较厚的10mm左右。在热带或亚热带潜水，较常用的为1至3mm。在较凉的水温需要较厚的5mm或以上的湿衣。

注意事项：一般来说，湿式潜水服越薄保温效果越差，越厚保温效果越好，但是太厚的潜水服会阻碍身体行动的灵活性以及增加浮力，由于潜水运动的特殊性，不同部位根据运动剧烈程度的大小也会采用不同厚度的材料进行拼接。若为干式潜水服，则应选择完全防水的服饰配件。

（二）款式设计

根据水下作业的要求，潜水服分为连体式和分体式，连体式密封性能更好；

根据水下温度环境不同，款式可为长袖、短袖，长裤、短裤；

根据设计的多样性，款式也可有背心款、夹克款、外套式、连帽式等等；其中连帽式多应用于干式潜水服设计；

按照门襟的位置，拉链可以分为前中直开拉链、前中斜开拉链、前中横开拉链、后中直开拉链以及“U型”拉链设计等。

由于面料具有双面性，被用在款式设计中有利于发挥创意特性。如多样化表面纹理：经过压纹的产品可增加外观多样性，赋予面料不同的特性，面料里外层颜色也可不同，通过不同颜色的撞击，突出潜水运动的特性。为了设计更具有艺术性，也可将刺绣和印花技术应用其中，不仅漂亮精致还可以增加潜水服表面摩擦力，止滑耐磨。

注意事项：干式潜水服一定为连体连帽式，且潜水服任何款式的设计都应以潜水员的基本功能性诉求为基础进行设计。

（三）功能性设计

潜水服应具有延展性，整体结构上一般不采用省道，多数使用分割手法。作为功能分割线，由于潜水运动的特点，膝关节在潜水过程中活动频率高，与潜水裤的摩擦接触较多，因此，在对应的裤装部位应该进行分割，以减少屈膝状态下裤子对人体运动的牵制，减轻人体负担[14]，也可增加膝盖的耐磨性；作为装饰分割线，潜水服的分割线多按照人体曲线顺势分割，视觉上体现出对称美和曲线美。

注意事项：潜水服应易于穿脱，这就要求在手腕和颈部，脚口等部位多为拉链或者收紧圈设计。潜水服裁片一般通过多次刷胶、盲缝车缝的方式将其拼接，且需保证裁片与裁片的拼缝处的平整与牢固，在脚口、摇头等部位进行包边处理，保证其舒适平滑。

四、结语

基于以上分析，不难看出潜水裤的保温性、合体性和运动性直接影响潜水员的水下健康及运动的正常进行。潜水服作为功能性服装的一种，其结构纸样以及工艺要求都将以此性能作为基础，结合潜水运动力学考虑运动所需最小松量，再进行款式设计，最后综合进行样板设计。

[1] 顾靖华，时贵玉．层压织物在潜水服上的应用[J]．上海纺织科技，2005，33(7)：36-37．

[2] 绉慧．新型服装材料的发展趋势--以潜水服为例分析[J]．商，Business．2013，(09)：227．

[3] Bennett PB．Webb P： In： The Physiology and Medicine of Diving and Compressed Air Work (2 nd) [M]．London： Bailliere Tindall 8 Cassell，1975．285．

[4] Behnke AR et al． Am J Phys[Z]. 1941，131：627．

[5] http：//baike.Baidu.com/view/1658510.htm?fr=aladdin# reference- [1]-1658510-wrap[EB/OL]．

[6] 袁俊舫，顾靖华，顾心清． 二种湿式潜水服材料压力下厚度及保暖性能对照试验[J]．中华航海医学与高气压医学杂志，2008，15（4）．

[7] 王刚．可自动调温的潜水服[J]．中国个体防护装备，2002，（6）：33．

[8] 顾靖华，倪萍．潜水服的特点及发展趋势[J]．中国个体防护装备．2006，(2)：45-47．

[9] http：//baike.baidu.com/view/1658510.htm?fr=aladdin# reference- [1]-1658510-wrap[EB/OL]．

[10] 顾靖华，倪萍．潜水服的特点及发展趋势[J]．中国个体防护装备，2006，(2)：45-47

[11] 李岳进．蛙泳腿部动作的力学分析[J]．体育函授通讯，2000，（03）：26-27．

[12] 马素想．服装结构与宽松量对乒乓球服舒适性影响的研究[D]．北京：北京服装学院，2012．

[13] 卢云翔．湿式潜水裤结构设计方法的研究[D]. 上海：东华大学，2014．

Analysis of Motion Mechanics and Design Points of Wet Diving Pants

WU Xin-zhou1, 2, DU Jin-song1, 2

(1. Fashion Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education, Shanghai 200051, China)

The basic characteristics and design points of three kinds of diving suits are analyzed. Taking the diving pants as an example, the human lower limb movement, the diving environment and the wet diving suit material are analyzed, which lay the foundation for the production of wet diving suit.

wet diving suit; motion mechanics; warm performance; fit performance

TS941.26

A

2095－414X(2015)05－0029－05

吴忻舟（1991-），女，硕士研究生，研究方向：服装生产工程和服装数字化.