单个步行周期内袜底动态摩擦因数的实验研究

孙光武，李杰聪，陈晓娜，胡文锋

(1.上海工程技术大学 服装学院，上海 201620； 2.上海工程技术大学 纺织行业人体工效与功能服装重点实验室，上海 201620； 3.东华大学 纺织学院，上海 201620)

日常生活中，脚部一些部位被磨破是运动时经常发生的创伤，定量化研究织物摩擦是解决该问题的必要前置研究。国内外相关研究人员普遍关注于织物的结构与摩擦特性的关系，以及织物与皮肤间的摩擦研究。目前织物受到的压力[1]，纤维种类与织物结构[2]，织物含水率[3-4]等被认为是影响织物摩擦特性以及织物与皮肤间摩擦作用的重要影响因素。

纤维种类与织物结构对织物摩擦特性的影响非常复杂。HERRING等[1]发现穿着腈纶袜子比穿着棉袜更容易引发脚起水泡。何兰芝[5]认为羊毛的卷曲导致羊毛袜摩擦因数较高，增大了其与皮肤之间的摩擦力。刘萍[6]通过皮肤与机织物和针织物的摩擦实验，得出棉和长丝类机织物的摩擦性能受到纱线直径的影响，而纬平针织物的摩擦性能则受到纱线直径和纵密的影响。VAN等[2]认为机织物浮长线越长则摩擦因数越低。研究人员逐渐将纤维种类与织物结构的影响因素归结为对表面形貌的影响[7-9]，即组成织物的纱线、纤维、织物结构、纹理等影响了织物表面形貌，进而改变了表面粗糙度和摩擦特性，因此，越来越多的研究关注于织物表面形貌的调控[10]。

压力对织物摩擦特性的影响目前尚未见报导。有研究结果显示压力的增大导致织物间的摩擦力增大[3]； DERLER等[11]研究人体手指与织物的摩擦，结果显示皮肤摩擦因数随法向压力增大而降低；JEDDI等[12]的测量结果显示当织物受力增大时，织物摩擦因数仅有微小下降。

在BERTAUX等[13]指出几乎所有的研究都认为随着织物含水率的增加织物的摩擦因数逐渐增大，水对织物摩擦特性的影响也取决于织物本身的导湿能力，如合成纤维织物可以迅速将水导出织物外层从而保持内部相对干爽，所以合成纤维织物摩擦特性受到水的影响较小，而棉织物则表现相反。MORTON等[14]认为可能是由于水分导致织物表面的几何形状发生改变进而增多了织物与接触面的接触点。BERMAN等[15]则认为当水过多则会形成水膜，使得织物与接触面之间产生润滑减少了织物的黏附摩擦效应。

上述研究揭示了织物摩擦机制与规律。已有研究的大部分实验是采用小滑块在织物上滑动的方法研究织物摩擦特性，小部分实验是将滑块底部贴上织物在人体皮肤或人造皮肤上滑动，或是将人的手指、胳膊等部位贴着织物的测力台上滑动用于定量分析织物与人体皮肤的摩擦作用。然而这些实验属于静态实验，没有关注人体在日常运动时织物的动态摩擦问题。基于此，本文重点研究穿着袜子时在单个步行周期内，袜底与接触面的摩擦作用规律。为了模拟人体运动的排汗，将采用不同含水率的袜子进行测试，同时为了研究针织物结构对摩擦因数的影响，对采用不同纵密的袜子进行测试。本文研究属于运动生物力学与纺织工程的交叉领域，为人体运动时脚底摩擦作用提供实验基础，也为运动袜的结构调控提供新的思路。

1 实验部分

1.1 运动袜织造

采用GOAL 615 MP型袜机(圣东尼(上海)针织机器有限公司)在室温条件下织造袜子样品。袜子面纱为棉/锦纶70/30，底纱为棉/氨纶机械包覆纱，以氨纶为芯纱，以棉纱为包纱，成分为棉/氨纶92/8。袜子起口采用锦纶纱线编织，编织过程中采用针筒电动机控制袜子的结构，设置350、450、550、650 r/min 4种不同转速。袜子样品如图1所示。

图1 袜子样品

1.2 袜底结构参数测量

由于人在行走过程中，袜子与测力台主要是袜底部分的摩擦，实验将袜子样品底部剪下，测量袜底结构参数，主要包括：面密度、密度(纵横向)和厚度。将袜底剪成固定面积的小块，采用FA1004B型分析天平(杭州精兢检测仪器有限公司)称量，并计算面密度。袜底密度采用Y511B型密度镜(南通三思机电科技有限公司)依据FZ 70002—1991《针织物线圈密度测量法》测量。厚度采用YG141型织物厚度仪(常州市双固顿达机电科技有限公司)；依据GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》进行测量。以上各项测量均重复5次，并计算平均值。

1.3 袜子样品含水率测试

依据GB/T 9995—1997《纺织材料含水率和回潮率的测定 烘箱干燥法》，在室温环境条件下测试。首先将袜子样品放在Y802 A型烘箱(常州中纤仪器有限公司)的金属篮内，设定烘烤温度为(105±3) ℃，时间为1 h, 随后每隔10 min记录 1次样品质量，直至样品恒质量，以最终质量作为样品干质量。

将干燥好的样品浸泡在水中10 min后取出并悬挂，待样品上的浮水滴下后，将样品放入烘箱采用上述方法烘烤并称量，作为袜子湿质量。依据含水率计算公式：含水率=(湿质量-干质量)/湿质量×100%，计算袜子含水率。重复上述实验直至获得含水率为20%、40%、60%、80%的袜子样品的数据。

1.4 行走测试

由招募的女性大学生志愿者进行行走测试。为确保实验结果可信度高，志愿者需没有下肢神经肌肉骨骼损伤的病史，没有专业体育训练经历，并且足弓正常，左右脚大小无显著的差异。在进行实验前的24 h内没有从事过剧烈运动，且肌肉未出现疲劳等症状。具体实验步骤如下：

①启动NDI True Impulse型三维测力台(Northern Digital Inc.)，校准，预热，准备测试。

②志愿者稍事休息，并穿上袜子样品。

③测力台开始记录数据，志愿者放松身体，以自然状态在测力板上行走，行走实验过程见图2，迈右脚踏上测力台右侧测力板。

④志愿者迈左脚踏上测力台左侧测力板。

⑤志愿者迈右脚踏出测力台右侧测力板，左脚脚趾离开测力台后，测力台关闭数据记录。

⑥导出测力台测量结果，即3个方向的力-时间数据。

⑦重复上述步骤3次后，更换另一样品继续测试。

图2 行走实验过程

2 结果与讨论

2.1 袜底结构测量与分析

袜底结构参数测量结果见表1。

表1 袜底结构参数测量结果

可以发现,4种样品的横密差异不大，但纵密差异明显，且随针筒转速升高而明显下降。这主要是由于针筒转速越慢，织针的位移量就越小，导致弯纱深度越小，进而减小了线圈的圈高，所以沿袜子纵向单位长度内的线圈数量增大，反之，则线圈数量减少。由于弯纱深度仅减小了圈高，所以横向线圈密度并没有明显变化。

2.2 行走测试结果与分析

单个步行周期内三维测力台输出的沿Z、Y、X3个方向的分力-时间曲线图见图3。

图3 Z、Y、X方向分力-时间曲线图

图3中Z为方向沿测力台厚度方向，其正向指向测力台外部。X与Y方向为测力台所在平面内相互垂直的2个方向，实验志愿者沿Y的正方向行走，其右手为X的正方向。

Fz为垂直方向地面反作用力，Fy为行走方向的脚底受到的摩擦力，Fx为垂直于行走方向脚底受到的摩擦力。为了便于分析，时间进行了归一化处理。

在单个步行周期内，脚部健康的人左右脚曲线基本相似。图3(a)中，Fz曲线具有明显的双峰特点，并有6个极值点(图中箭头所示)。在实际行走过程中，当志愿者右脚迈出脚跟触及右侧测力板时，Fz值开始上升，直至脚跟完全与测力板接触，此时Fz达到第1个极大值，该力一般为体重的1.1倍左右。随后整个右脚以脚跟为轴心下放至完全与测力板接触，Fz达到第1个极小值，约为体重的0.7倍。接下来右脚发力，右脚跟逐渐离开测力板，Fz逐渐上升，当右脚趾离开测力板时，脚趾主动蹬离测力板，此时Fz达到第2个极大值。志愿者随后迈开左脚，重复右脚的动作，所以左脚Fz曲线与右脚类似。Fx与Fy关于时间轴基本对称，相关运动生物力学领域的步态分析见参考文献[16-18]。

沿X与Y方向的袜底摩擦因数依据库伦摩擦定律进行计算，即μx=|Fx/Fz|，μy=|Fy/Fz|，将计算结果求取平均值得到最终摩擦因数。

单个步行周期内袜子样品的摩擦因数与含水率关系见图4。

图4 单个步行周期内袜子摩擦因数与含水率关系

从图4可以看出，所有样品的摩擦因数随着含水率的增大而先增大后下降，主要是由于样品中的棉纤维是亲水纤维，在含水率较低时，织物中孔隙充斥的液体使得纤维纱线膨胀，导致织物与接触面之间的接触点增多，WILHELM等[19]认为摩擦力是由接触表面材料界面间接触点的分子力产生，增多的接触点导致摩擦力增大，进而摩擦因数增大。当液体含量进一步增大时，织物中的孔隙已经无法容纳更多液体，使得液体附在织物表面形成界面膜，该界面膜起到润滑作用，进而降低了摩擦因数。所以织物中液体含量的增加导致织物的摩擦机制由黏附摩擦向润滑机制转变[15]。早在1994年，NAIK等[20]就针对干湿态织物进行了摩擦研究，发现湿态织物的摩擦因数高于干态织物的摩擦因数，任忠海等[21]的实验研究也得到了类似的结果。然而本文实验的摩擦因数是人体在步行状态下测量的，与上述研究在静态条件下测量的结果相似，说明上述织物摩擦理论不仅适用于静态条件下织物的滑动摩擦，也同样适用于动态条件。

从图4还可以看出，X方向的摩擦因数总是小于Y方向的摩擦因数。在实验中，Y方向是人体行走方向，也是袜底的纵向，X方向是袜底的纵向，因此，人体在单个步行周期内，袜底与测力台的摩擦过程中，沿纵向的摩擦因数大于沿横向的摩擦因数。这与已有研究[21]静态条件下针织物的纵横向摩擦因数几乎没有差异的结论相悖。在静态摩擦实验中滑块被相同拉力拉动分别沿织物纵横向进行实验，所以纵横向摩擦因数完全受针织物结构影响，而在步行过程中，通过对比图3(b)和(c)，人体脚部沿Y方向受到的摩擦力大于沿X方向受到的摩擦力，导致了袜底沿纵向受到的摩擦力大于横向，这是动静态摩擦实验方式不同导致的结果差异。

从图4可以看出，4个样品的Y方向摩擦因数值差异较大，X方向的摩擦因数值差异较小。其中，样品4Y方向摩擦因数值最小，而样品1则最大。结合表1，发现随着纵密的减小，Y方向摩擦因数逐渐下降。刘萍[6]和RAMKUMAR等[22]的针织物静态摩擦实验结果也反映了纵密对摩擦因数的影响，其原因是线圈行距较稀疏，单个线圈在受到摩擦作用时可沿摩擦方向产生较大形变，进而减少线圈与接触面之间的接触点，导致摩擦力较小。反之，若线圈行距较为密集，单个线圈运动受限，线圈与接触面之间的接触点增多，导致摩擦力增大。THORNDIKE等[23]在机织物摩擦的研究中认为纱线形变导致抵消了一部分摩擦作用。所以，在针织物中线圈较大的形变量也可能抵消了较多的摩擦作用。

3 结束语

为了研究人体脚部大量出汗后袜底的摩擦规律，本文实验研究了在单个步行周期内穿着不同含水率袜子时的袜底摩擦因数变化规律。研究结果显示：随着袜子含水率增大，摩擦因数先增大后下降，这是由于随着含水率增大，纺织材料摩擦机制变化导致。此外，由于人体行走方向受到较大的地面作用力，人体行走方向的摩擦因数大于垂直于行走方向的摩擦因数。随着样品纵密的减小，其纵向摩擦因数也呈现逐渐减小的规律。

在本文的基础上，提出未来可聚焦以下研究内容：①在袜底含水率变化引起的摩擦机制变化方面需采用定量化的实验数据支撑，这涉及到纺织类黏弹材料的摩擦与润滑机制研究；②线圈形变导致袜底与测力板之间的接触点发生变化，这涉及到材料形变条件下的接触面积变化，也是微观摩擦领域的研究热点问题；③针织物的其他结构参数如纱线细度、织物组织等对动态和静态摩擦因数的影响也是亟待解决的结构—性能问题。本文研究结果可为人体在运动过程中袜底摩擦规律研究奠定实验基础，在纺织领域可为袜底结构的摩擦调控提供设计思路，在医学、生物力学领域还可拓展至下肢不平衡患者或是下肢残疾人群的脚底摩擦问题，为人体脚部磨损提供前置研究基础。