基于压力舒适性的骑行裤优化设计

张同会,冀艳波,魏福红

(西安工程大学 服装与艺术设计学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着“绿色出行”观念以及国内摩拜单车、小黄车等公共自行车的相继出现,越来越多的人加入到自行车运动中,人们对骑行装备的需求也越来越大,这种需求带动了骑行装备的发展.以骑行服为例,从2010年到2013年,国内的骑行服市场总额从1 000万元增长到1亿多元[1]．

骑行服作为紧身类的功能性服装,其功能性及穿着舒适性成为骑行服设计的重点,同时骑行服是一种典型的压力服装,在骑行过程中对身体具有防护作用.研究表明,合理的服装压力对处于运动状态的人体具有积极的作用,比如减缓身体运动过程中的酸痛感[2-4]以及减少空气阻力等[5-6],而功能性紧身服装结构是由人体静态尺寸和运动特征变化共同决定的.因此，本文以骑行裤为研究对象，从人体骨骼关节、肌肉和体表皮肤变化3个方面分析骑行运动特征,针对下肢不同部位进行客观压力测试和主观压感评价,从而提出骑行裤设计方案,为骑行服装的设计生产提供参考．

1 骑行运动特征

1.1骑行姿势

骑行运动是人和自行车互为一体的运动项目,骑行者借助于踏蹬带动曲柄,曲柄带动链条从而推动自行车前进,产生相对移动的运动方式．不当的骑行姿势会对人体产生负荷,使后背、颈部、膝盖及手腕等身体部位产生酸痛感,而正确的骑行姿势则可节省体力，防止身体受到伤害,起到锻炼身体的效果,且膝关节和髋关节力的大小受骑行姿势的影响[7]．正确的骑行姿势是骑行者保持头部稍前倾,收缩小腹,立骨盆,以便腰部弓屈,使上半身大致呈“弓”字型,降低身体重心,双臂微张微弯,双手稳而轻地握把,臀部稳坐在车座上,这样可以使人体肌肉、骨骼放松,达到人体和自行车合二为一的状态．

1.2 骑行运动的人体特征

1.2.1 人体骨骼关节 骑行运动是借助于人体脚蹬带动自行车齿轮转动,以此推进自行车前行的单一动作循环的过程．在此过程中,躯干的支撑性脊柱和上肢起到支撑人体及控制骑行方向的作用,相较于上肢,人体下肢的活动量较大,下肢骨骼通过关节连接,借助髋关节、膝关节与踝关节提供前行的动力．

1.2.2 人体肌肉特征 骑行运动不仅需要借助于关节,还需肌肉群的作用,按照正常骑行姿势,双腿做上下往复运动,全身大范围的肌肉都会参与到其中．研究表明，肌肉对于运动加速具有重要作用,而臀大肌、腹肌、股直肌、股二头肌、股内侧肌和股外侧肌是骑行运动中较为活跃的肌肉,通过以上肌肉的收缩实现腿部的发力[8-9]．因此,在紧身类运动服装的设计中,常常通过施加压力于肌肉,提高其运动功能性．

1.2.3 人体体表皮肤变化 当人体处于运动状态时, 人体骨骼和关节带动肌肉的收缩与膨胀, 而肌肉的收缩与膨胀引起人体体表皮肤发生伸缩[10]．因此,除了关节、肌肉以外,还需要考虑人体体表皮肤的伸缩量．

人体在骑行过程中不仅会引起下肢骨骼关节与肌肉的变化,同时还会导致皮肤在纵横方向上发生不同程度的皮肤伸缩变化．臀大肌、股直肌、股二头肌、股内侧肌和股外侧肌是骑行过程中较为活跃的肌肉,因此,骑行状态下的皮肤伸缩变化主要集中在臀部、大腿外侧和膝盖．就拉伸量而言,不同区域产生的皮肤伸缩量也是不同的,相较于膝盖部位的股外侧肌和股内侧肌,大腿部位的前股直肌和后股二头肌变形量较大,变形量高达50%,且大腿后股二头肌的皮肤变形量大于大腿前股直肌变形量;臀部区域的体表皮肤整体呈拉伸变形,拉伸率为58%;膝盖部位始终是一个变化率较大的区域[11-13]．皮肤的变形量是紧身服装松量设置的依据,通过分析骑行状态下下肢皮肤变形特征,并结合面料弹性等物理性能参数选择最佳的骑行服面料,同时对骑行服分割区域具体松量设计提供理论依据．

2 实 验

2.1实验样品

参考文献[14]的调研结果,选用市场上常见的骑行裤品牌,且号型均为M的女性骑行长裤作为实验样裤,实验样裤参数见表1．

表1实验样裤参数

Table 1 Parameter of experimental pants

2.2 实验对象与仪器

邀请10名爱好骑行运动,身高165±2 cm,年龄22～25岁,且下肢体型相近的女大学生为实验对象．使用Novel-Pliance-X-32压力测量系统(德国)进行相关人体尺寸测量，下肢部位尺寸均值见表2.实验前,将实验注意事项告知被测试者,并在其自愿的前提下进行测试．

表 2 10名实验对象人体尺寸均值

2.3 实验过程

2.3.1 测试点确定 女性腰臀部及以下部位是本文研究的主要对象,首先进行大量的预实验,并结合下肢骑行运动姿势以及下肢运动肌肉活动,综合考虑人体体表曲率,最终选择14个压力值变化相对明显的点作为测试点,具体部位及其压力测试点如图1所示．

图 1 压力测试点 图 2 骑行动作分解示意图 Fig.1 Pressure test points Fig.2 Cycling action decomposition

2.3.2 压力测量 为了减少实验误差,需事先在被测人体下肢作好基准线标记．具体步骤:在正式实验前,根据受试者身高调整自行车座椅高度使骑行姿势符合标准,即骑行者的脚尖恰好触碰地面;测量时,将压力传感器置于服装和人体皮肤之间用胶带固定,测试时间为1 min,每个测试点测试3次,其平均值作为该点的最终服装压力值;考虑到该仪器仅可测量静态压力,因此以右脚为基准,将一个骑行周期平均分解为8个动作(45°/次),依次进行测试，如图2所示,每条骑行裤之间的测试时间间隔10 min以上．由于实验条件的限制以及测试的难度,本研究每次只测试5个测试点,因此,每个实验阶段,都需要分3次完成．

表 3 主观压感评价的心理标尺量度

采用Hollies五级区间标尺进行主观评价实验,将主观压感舒适级数分为5级,主观压感数值见表3.

考虑到人体对压感刺激的敏感性,在进行主观实验时,不再采取客观压力测试点作为主观评价部位,而选择前腰部、后腰部、腹部、臀部、大腿前部、大腿后部、膝盖、膝窝、小腿前、小腿肚、脚踝等11个部位进行主观评价．

3 结果与讨论

3.1 客观实验结果分析

经过反复的客观压力测试,得到2种骑行裤对女体下肢产生的客观服装压力测试数据如图3所示．

(a) 1#样裤 (b) 2#样裤图 3 骑行裤的客观压力测试值Fig.3 The objective pressure value of cycling pants

从静态站立压力与动态压力对比分析可知.14个测试点在骑行姿势下的压力值均大于静态站立时的压力值.14个测试点从静态站立到骑行状态过程中,除了脚踝部位(L7)外,其余部位在骑行状态下的压力值约为静态站立压力值的2倍,因为相较于静态站立状态,当人体处于骑行状态时,人体上半身向前倾斜,大腿部、膝盖及小腿部不断进行单一循环往复运动,造成人体下肢各部位发生不同程度的皮肤拉伸,从而压迫压力传感器,使得骑行状态下的压力值比静态站立下的压力值大．但从静态站立到骑行状态,脚踝部位压力值变化波动很小,因为脚踝部位的动作幅度较小,虽然下肢不停地进行往复骑行运动,但脚踝部位仅仅做小幅度的背伸运动．研究表明，在较低压力下(低于4.65 kPa),外加压力加快下肢皮肤血流速度,在此压力范围内,压力越大,下肢血液循环越好[15]．本次实验中所测得最大压力数据为3.35 kPa,因此,根据压力测试结果,目前市场上骑行裤松量仍需要进一步适当减少．

从骑行周期中的压力变化规律分析可知，各个部位在骑行周期中的压力值变化基本保持一致,最大压力值位于0°～45°,且在0°～180°范围内压力值逐渐减少,180°～360°范围内压力值逐渐增加．相较于脚踝,腰臀部、大腿部以及小腿部的变化趋势较为显著,因为腰臀部肌肉(腹肌、臀大肌)、大腿部肌肉(股直肌、股二头肌、股外侧肌、股内侧肌)和小腿部肌肉(腓肠肌)是骑行运动中肌肉活跃,建议在后续的骑行裤结构设计研究中,人体下肢的肌肉分布位置是提高骑行裤运动功能性的关键部位．

大腿部位的4个测试点的压力变化规律相近,相较于L1和L2,L3，L4的压力值较大,与骑行运动时皮肤拉伸变化主要集中于大腿后外侧有关．其中,L1和L2相比,L2的压力变化波动不大,测试结果与穿着骑行裤运动时,样裤和人体腿部皮肤不贴合,导致实际测量值偏小有关．

图 4 压力舒适性主观评价值Fig.4 Subjective evaluation value of pressure comfort

3.2 主观实验结果分析

为了反映骑行状态下人体穿着骑行裤时各部位的服装压力主观感受,对9个部位的压感舒适性主观评分进行分析,评价结果如图4所示.根据客观压力值并结合主观评价结果得出以下结论:

(1) 尽管腰部客观压力值较大,但大多数受试者感觉舒适,主观评价值均大于3．女性本身的生理构造有密切关系,人体腰部由于皮下脂肪含量较多,因此承受服装压力的能力较大．

(2) 膝盖、膝窝尽管客观压力值较小,但存在部分受试者感觉不舒适,这个结果在与实际客观压力测量时,样裤与膝盖处接触不够紧贴有关,因此传感器测试的压力值偏小．

(3) 腹部、臀部、大腿、小腿和脚踝的客观压力适中,因此有较多的受试者评价压力感觉较舒适，目前市场上的骑行裤松量较大,因此在骑行裤设计中,在保证人体舒适性的前提下,可以进一步增大压力,提高其功能性．

3.3 骑行裤设计方案

(1) 尺寸 根据压力测试结果,目前市场上的骑行裤松量较大,仅仅满足人体运动时的自由度需求,却忽略了骑行裤的功能性需求．因此,在骑行裤设计中,压力在舒适和安全的范围内,可以进一步适当减少臀部、大腿部、小腿部、脚踝部位的松量,同时也要注意腰部的松量不宜过小．但是在后续确定人体不同部位最合适的压力研究中,确定最合适的松量需要结合压力对骑行运动的作用．

(2) 结构 骑行裤作为功能性服装的一种,其主要作用是减缓人体在骑行运动过程中的酸痛感，提高运动效率等．应以消费者体型为基础,分割线位置应和人体肌肉区域保持一致,将骑行动作下的肌肉发力位置和骑行裤分割线位置及形状二者结合进行结构设计,如大腿部位的结构线设计,应依据股直肌、股二头肌的位置;膝盖部位的结构线应依据股外侧肌和股内侧肌的位置．

(3) 面料 应结合骑行动作下的皮肤变形量和面料横纵向弹性回复率等力学性能参数选择最佳骑行裤面料．一方面,可通过改变骑行裤的面料成分,调整压力大小,对于需要增加压力的部位采用氨纶含量较少的面料,而对于需要减少压力的部位采用氨纶含量较多或者弹性性能较好的组织结构；另一方面,根据骑行过程中人体不同部位皮肤受拉伸程度及方向确定骑行裤面料,大腿外侧与小腿内侧产生纵向拉伸的区域选用纵向拉伸性能较好的面料．

4 结 论

(1) 相较于标准站立姿势下的压力值,骑行周期的动态压力值是静态站立下压力值的2倍，且当右踏板位于0°～45°时,14个测试点的压力值最大.

(2) 目前市场上的骑行裤松量应进一步减少．但是在后续的骑行裤压力研究中,将骑行运动的人体和骑行动作下不同部位的压力变化规律二者结合,并依据不同部位的压力确定最合适的松量和结构设计,有助于进一步改善骑行裤的运动性能．

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