防濺水鞋底設計研究

蒙淑蘭

（溫州大學，浙江 溫州 325000）

前言

人體工程學是講究“以人為本”，其主要研究人與物、人與環境以及物與環境之間的關系，追求人——機——環境三者之間的和諧，以達到舒適性的目的[1]。在進行人體工程學研究時要遵循物理的原則、生理和心理兼顧原則、考慮環境的原則。其中考慮環境原則中強調，人——機關系并不是單獨存在的，它存在于具體的環境中，可單獨地研究人、機械、環境，再把它們綜合起來研究，因為它們是存在于“人—機—環境”的相互依存關系中，絕不可分開討論。此項研究以人為本，從人體工程學的角度綜合考慮人體的舒適感、鞋子與環境的關系，結合使用分析法、觀察法、實驗法的研究方法的來進行。

1 發展現狀

圖1 防水鞋套

鞋子是服務于腳部的必需品，它使人的腳部免于直接于地面接觸起到保護作用。但是在下雨天時，由于人因工程學和行走步態的原因，人在每次邁步前進時水會由于慣性會順著鞋尖向上甩起落到鞋面上。所以當我們在有積水的路面上行走時，鞋頭或鞋跟出總會被積水濺濕，導致鞋幫面或褲腿變臟，并且水從鞋面或褲腿浸入與皮膚接觸時，會使人感到很不舒適。現在市場上為了應對這一問題現象的主要產品有雨靴和防水鞋套，雖說同雨靴相比，防水鞋套會更加方便攜帶，可以即穿即用，不需要換成特殊的鞋子，但因為種種原因還是限制了使用人群，尤其是女性。

無論是雨靴還是防水鞋套，它們都是我們在下雨天走在泥濘路上時能夠起到很好的保護作用的產品，這些產品主要是通過在鞋子外面添加保護套或者把平時所穿的鞋子換下成雨靴，來避免泥水對鞋子的造成的影響和人體的不舒適感，對鞋子而言起到防濺的效果。這兩種產品有一個共同的特點就是外觀造型的不足，功能性很強但是缺乏時尚性，所以一般人在平坦的道路環境上行走時很少會選擇穿雨靴或者鞋套。

然而，隨著現代的發展便捷休閑生活方式被越來越多的人接受，運動休閑鞋在人們心目中的地位也在不斷提高，在出行時往往會選擇自己喜歡的、舒適感比較強的運動休閑鞋。根據發展趨勢，為了滿足大多數人需求，這項研究也主要以運動休閑鞋為主進行設計。

2 腳部運動形態分析

在控制實驗對象身高、體重等其他外界條件均不改變的時候，僅改變步長長度的行走過程中，步態特征不是一成不變的，會隨步長的改變而改變，在拇指區、足跖區、足跟區的變化尤為明顯[2]。這說明在實驗中如果僅僅只研究一種步態特征是行不通的，要根據大眾普遍存在的現象來進行分析。

3 雨天走路鞋尖被濺濕的原因分析

經觀察發現當人在有雨水的路上行走時導致鞋尖被濺起的水浸濕的原因有很多，其中包括以下幾種：

（1）雨天人在有水的路上行走時容易踩到水坑；

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

（3）人體在行走時的步態是呈前進的動作模式，水是由于力的作用呈向上運動的動作模式，當人在進行下一步前進動作時就會踢到在由上向下運動的水滴；

通過觀察法得出的實驗結果不難總結出，雨天走路鞋尖被濺濕的原因跟當時的路面環境、鞋底與地面的接觸面積、人體的行走動作有很大的關聯。雖然每次濺起的水不多，但是經過長時間行走的積累水也會滲透到鞋里，使人的腳部感到不適。

圖2 行走步態與水滴的運動軌跡

4 行走姿勢對水滴運動軌跡的影響分析

下雨天當我們走在積水路段時，經常能夠注意到許多人為了避免被路面上的積水或者泥土濺到會很注意走路的方式，比如踮起腳尖或者腳后跟、放慢腳步，盡管這樣也很難避免問題的存在。相反，有些人不需要關注這些細節，行走姿勢表面上看起來與常人無異，鞋子也不會被浸濕。不難得出，不同的行走姿勢對水滴運動的軌跡以及最后的結果有很大的影響。常見的行走姿勢如圖3。

圖3 人體行走姿勢圖人體行走姿勢GIF 動圖下載

結合實際不同角度來分析，能夠得出以下規律：

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

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

（3）當人在走路時腳繞地面一點運動時，鞋底與地面之間的接觸面越小，水滴從鞋底向上的加速度也就越小[3]。因此甩在鞋幫面上的水滴就越少。

（4）當人在走路時腳繞地面一點運動的接觸面越大時，產生的力的作用也就越大。當水滴的向下的速度和前進速度的不能相抵消時，那么鞋底上的水滴就會順著慣性的方向甩到鞋幫面上。水與鞋底的界面上是有表面張力的。

5 實驗方案研究

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

方案2：設計鞋底花紋空隙，減少接觸面積使之形成一個可以起到導水作用的紋路，將擋水底紋設置成可伸縮或收起的裝置。當導水能力和舒適性都有所提高后，測試是否能有效提高鞋底的排水性能。

方案3：在鞋底前端設計一個整體的擋水凹槽，通過這個凹槽的形狀來阻斷甩起的積水。這也是最簡單直接的方法，但是這樣做可能會影響鞋子的翹度，需要測試穿著這雙鞋子的舒適性。

以方案1 在鞋底上設置可以擋水的橫向阻擋裝置為例。

上文中提到的雨天走路鞋尖被濺濕的原因分析、行走姿勢對水滴運動軌跡的影響分析以及最終總結出的規律，均是根據實際實驗得出的結果，實驗的大致過程如圖4。穿著一雙干燥的鞋子在雨水天氣正常出門行走，當人走在積水比較少的道路上時很難看到有濺起的水滴，但是鞋尖幫面上仍然會有被水濺濕或者會有污泥的痕跡；當人走在大概6～10 毫米深的積水路面時，很容易就能觀察被濺起的水滴且非常的明顯，鞋幫面很快就會被濺濕浸，直到滲透到鞋里使人體感到不舒適。為了防止在有少量積水的路面上行走時被更多的積水濺濕，通過實驗最終得出的防濺水鞋底設計圖如圖5。

圖4 實驗過程

圖5 防濺水鞋底設計圖稿

根據人體運動規律最適合設置擋水裝置的位置在鞋子的前翹，而鞋子的前翹高度受到鞋底厚度、鞋幫厚度、放余量數量的影響。鞋底材料越厚，前翹高度也就會更高。一般來說，前翹就是指做鞋子的鞋楦的前翹是高度和角度，設置此擋水槽要根據每雙鞋的楦型、翹度、材料以及放余量來確定它的大小和位置來確定。

圖6

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

圖7 基本設計模型

經實驗測試無設計擋水底紋與有設計擋水底紋的鞋子，在積水6mm 以內行走5min 的效果如圖8，圖9。

圖8 無設計擋水底紋效果

圖9 有設計擋水底紋效果

設計原理：基于人體工程學原理，經過行走步態與水滴的運動軌跡分析與實驗，最終設計出的鞋底主要的部分就是在鞋底前翹上面的三條有層次、有弧度的擋水橫紋、鞋底面的反向擋水紋路（即鞋底跟處減少水往后濺起，鞋底前端處的紋路可以起到逐步減少濺水的作用）、細微的擋水紋路。這三個部分可以依次減少水滴濺起的量，量比較大的水滴由最主要的、有弧度的擋水橫紋來完成，以此來減少鞋幫面濺水量。最后，當人們雨天走在有積水的路面上時，穿著使用這款鞋底的鞋子能夠對被鞋子帶起來的水起到阻擋作用，防止泥水濺起浸濕鞋幫面和褲腿，給人帶來不適感。

結論

從人體工程學的角度來研究人與鞋子與環境之間的關系，結合利用物理學科的方法知識來分析人們在雨天走路時鞋尖被濺濕的原因、行走姿勢對水滴運動軌跡的影響對于防濺水鞋底的設計有著非常重要的意義。現如今，從人體工程學的角度來研究這類便捷的防水鞋底的人還不是特別多，隨著社會的發展人們會越來越注重自身的舒適感，此類以人為本，以“人”為出發點來考慮的鞋類產品設計應該得到更多的關注。在設計時我們應該充分考慮到人們的需求和鞋子本身的舒適感，不斷克服環境對人體的影響。