基于鞋底的人体工学设计

张西珠 杨亚文

（太原工业学院，山西太原 030008）

鞋是人类日常生活的必备品，不同人群对鞋的穿着需求和要求不同，在设计时不仅要考虑其美观性，更要考虑其舒适以及安全性。随着人们消费能力的提高和消费理念的改变，在关注美观的同时更加关注鞋底的舒适性，特别是对其安全性的设计要求更高；安全方面主要体现在防滑性能的优劣方面。据不完全统计，我国因滑跌至伤亡事件每年约500万件，因此而引发的各类纠纷及案件约7万件；每年因为鞋底导致意外受伤需入院治疗的人数，占比因其他疾病入院治疗人数的35%甚至更多。据文献介绍：美国因为鞋底导致滑倒而引发的事故占全美工伤事故统计率的17%，同时占公共场所事故统计率的18%，而占比家庭事故统计率的20%；根据美国安全工程协会分析，不同因素导致的滑倒引发的事故是导致死亡的第二大因素。由此可见，如何优化鞋底的设计结构和提高其防滑性能，有效预防和减少滑跌事故的发生，基于鞋底的人体工学研究和设计具有一定的必要性。

1 鞋底导致事故率的统计

鞋底的人机结合面包括：与脚直接接触部分即鞋内底和与地面接触部分即鞋外底，本论文仅研究鞋底与地面接触的部分—鞋外底的防滑性能，防滑指标的高低直接影响其穿着的舒适性及安全性。鞋底的防滑指标的高低通常指鞋外底对不同地面的抓着程度以及防滑性能，而防滑性能又是衡量鞋底功能的重要指标之一；在鞋底的分析和设计中运用人机工程学理论开展研究十分重要（人机工程学是20世纪中期发展起来的交叉科学，运用人体测量学、解剖学、生理卫生、系统科学理论、社会学、管理学及技术科学和工程技术等学科的理论和知识，主要研究系统中人、机及其所处的工作环境中特别是人、机与环境结合面之间的关系，通过恰当的设计，使人机系统获得高工效和安全），将其运用在鞋底的人机学分析和设计中，使鞋与人及环境更加和谐和匹配，更符合人们的心理和身体需要。而影响防滑指标的主要因素主要是内部环境和外部环境两部分，内部环境如：鞋底本身的材质、形状、花纹等；外部环境中地面因素的影响。

1.1 防滑性能

人在步行和运动时，鞋外底与地面之间的人机结合面将产生不同的摩擦力，本文研究的摩擦力包括水平方向的摩擦力和垂直方向的摩擦力两部分，二者之比即为摩擦系数。鞋外底的防滑指标通常是通过摩擦系数的数值来表征，摩擦系数的数值越大，鞋底的防滑指标相对越高，而防滑性能就越好。根据美国的测试数据分析：当摩擦系数μ＜0.4时，非常危险；0.5≤μ≤0.6时，基本安全；μ＞0.6时，非常安全。对其防滑性能的人体工学进行分析，人机结合面对鞋外底在防滑性能的影响，主要包括人体静态与动态测量两大方面，人体在脚下打滑之前，无防范意识或者薄弱、认知程度低，在滑动时人体工学的参数会随着环境发生变化，人体无法及时采取防范措施，而导致滑事故的发生。

1.2 样式和材质

鞋的样式和种类很多，从种类方面分类如：旅游鞋、凉鞋、板鞋、野外鞋、足球鞋、篮球鞋、高跟鞋、时装鞋等。旅游鞋的特点是轻便、柔软、弹性好、耐磨、减震、防滑，抓地性和稳定性较；布胶鞋的耐磨止滑较好，穿着舒适且宽松；凉鞋的鞋底采用各种块状、呈立体的花纹，以增加对特种路面的摩擦阻力；野外鞋要求鞋底较厚且轻，外底采用高密度的、硬度适中、耐磨防滑性能好的橡胶材料，鞋底纹路可以设计为点状或颗粒状，以提高其摩擦阻力和抓地力，增强人们身处野外时的安全系数、稳定性以及保护性；足球鞋篮球鞋都要求有较好的稳定性、防滑性、耐磨性；高跟鞋和时装鞋要求美观，穿着时要舒适，有良好的稳定性和防滑性。

随着科技的进步，鞋底的材质也再不断变化和发展。原来的鞋底大多采用天然或合成材料，包括合成橡胶、木材和天然橡胶（NR）等；现在则多用人工合成材料，主要为NR、PVC、PU、TR和EVA。据统计橡胶材料约占30%、PVC占28%、TPR占15%、EVA和PU等占19%。在控制其他因素不变的前提下，通过实验测得鞋底的摩擦系数，其平均值大小依次为：橡胶>TPR>PVC>PU>EVA，可在部分鞋类外底的防滑指标中查询，抗滑性能试验表明，各种不同的路面材料和湿度，都会不同程度地影响鞋底的防滑性能，而对TPR鞋底的影响为最大。

1.3 花纹

花纹或者纹路的形状直接关系到鞋外底的防滑效果，是鞋外底的重要结构设计之一，其直接与地面接触，通常的防滑效果良好的纹路形状或结构，包括波浪纹、点状纹、菱形纹等几何图案形状的纹路以及特殊纹路等，其深度的设计是衡量鞋外底防滑性能的关键。特殊纹路则是用于特殊环境中的、且有特殊用途的，如军用方面。研究发现，在粗糙度方面，菱形纹的防滑性能优于点状纹的防滑性能；在光滑面方面，则正好相反；而波浪纹的防滑性能主要取决于纹路的排列疏密，同时，纹路的深浅度与摩擦系数的大小相关。已有研究表明，在光滑的路面上，纵向纹路有较好的防滑性能，但在粗糙的路面上，性能要差一些，很少单独使用纵向等单一的纹路。

1.4 路面

引起滑倒的因素除了鞋子本身，另一个重要因素就是环境，即与鞋直接接触的路面。目前城市道路铺装形式有：刚性铺装、柔性铺装、薄层彩色防滑路面等。混凝土铺装形式，与钢筋粘接牢固、使用寿命久、抗滑性好、成本低、耐磨性强；防滑面砖铺装形式，与钢筋粘接牢固、使用寿命长、耐磨、成本低，但是防滑性能不好，容易局部脱落；橡胶铺装形式，重量小、成本低、颜色多样，但是容易磨损、脱落、防滑效果一般；塑胶铺装形式耐磨、防滑、美观，但是易磨损、老化；木质地板铺装形式，易褪色，雨天防滑性差；薄层彩色防滑铺装形式，厚薄适中、重量轻、防滑性能好、色彩丰富；沥青铺装形式，耐磨损、防滑性好，但是成本高、温度要求高。总之，路面的铺装形式、材质不同对鞋外底的影响也不相同；假设底纹的结构设计一样，鞋底的材质为橡胶底（轮胎底）、牛津底、塑胶底时，对指定路面来说其防滑性能虽然不同，但是橡胶底（轮胎底）、牛津底的防滑性能优于塑胶底。

2 技术方案

2.1 鞋底的防滑结构方案

（1）根据上述相关叙述，影响鞋子防滑性能的因素中，应该综合考虑材料的选择、鞋底的结构和鞋底花纹的设计，研究它们三者的最佳结合点，使其防滑性能的人机匹配性最佳。针对鞋底材质设计，分别要求测出其不同材质、在不同环境中地面的动摩擦系数并进行比较，综合各种情况选取防滑性能最好的材料。通过查阅相关资料可以利用新型合成材料提高防滑性能。目前鞋底材质中橡胶防滑性能最好。

（2）针对鞋底的花纹设计，要考虑花纹的深度、沟槽宽度以及花纹的方向，测量方向分别为水平方向、45度方向和竖直方向，综合考虑使设计的底纹其防滑性能达到最好。

（3）针对鞋底的结构设计，要求通过大量试验，测试不同场合、不同环境下、不同样式鞋的防滑性能，综合对比，设计出有针对性的鞋底结构。

2.2 防滑性能测试方案

由于鞋底的防滑性能与鞋底的材质、花纹、环境地面摩擦有关系，因此，为测定不同材质、鞋底花纹，在不同的环境中的防滑性能，选取橡胶、聚氨酯底（PU）、仿革底（PVC）、TPR底四种材质，2种花纹鞋底24双作为测试样品，分别测出其对指定地面的摩擦系数大小并进行比较和分析。

2.3 防滑测试方法

统计数据表明，目前防滑测试方法以及检测设备较多。所有的测试方法都是通过测量摩擦力与垂直载荷来计算摩擦系数的。第一种防滑性能测试原理是把被测量试样置于仪器的平面玻璃板指定位置，以甘油作为润滑剂，加载至额定载荷，通过横向牵引力使得试样做水平运动，测量其动摩擦力的数值并且计算其动摩擦系数的数值；第二种是将被测试样的待测面水平置于毛玻璃的指定位置，加载并以一定的速度水平拉动，直至测出其最大拉力数值为止，同时计算出静态摩擦系数的大小；第三种是将被测试样置于平面上，施加额定的法向力，水平移动，后续测量和计算同第二种。本次试验需要模拟不同种类的地面（除材质、花纹、地面种类不同，保证其他因素相同）同时采用动摩擦法更能模拟人的真实状况。实验原理为模拟人穿鞋接触各种模拟地面时，测量人脚水平方向所受的滑动摩擦力，计算各种模拟地面与鞋底的摩擦系数。

试验仪器与材料：润滑剂、模拟地面、压力、拉力传感器、记录仪。

实验步骤：在鞋底上涂上润滑油，将其水平放在模拟地面上，使其保持水平、平稳的速度行走固定距离，利用传感器保持一定的力，连续测量并记录平均值。

3 结论

摩擦系数、摩擦力与垂直载荷比值，可以从三个方面进行比较：一是按照同种花纹、地面，不同材质；二是按照同种花纹、材质，不同地面；三是按照同种材质、地面，不同花纹，分别进行比较得出结论。为了防止发生滑倒跌伤安全事故，采用安全人机技术方案，保证在设计防滑性能鞋底时安全、经济和高效，人机匹配性最佳，分别从影响防滑性能的鞋底的材质、花纹、环境地面等方面综合考虑，使各方面因素相互配合达到最佳结合点，获得更好的设计，更好的安全。