防溅水鞋底设计研究

蒙淑兰

（温州大学，浙江 温州 325000）

前言

人体工程学是讲究“以人为本”，其主要研究人与物、人与环境以及物与环境之间的关系，追求人——机——环境三者之间的和谐，以达到舒适性的目的[1]。在进行人体工程学研究时要遵循物理的原则、生理和心理兼顾原则、考虑环境的原则。其中考虑环境原则中强调，人——机关系并不是单独存在的，它存在于具体的环境中，可单独地研究人、机械、环境，再把它们综合起来研究，因为它们是存在于“人—机—环境”的相互依存关系中，绝不可分开讨论。此项研究以人为本，从人体工程学的角度综合考虑人体的舒适感、鞋子与环境的关系，结合使用分析法、观察法、实验法的研究方法的来进行。

1 发展现状

图1 防水鞋套

鞋子是服务于脚部的必需品，它使人的脚部免于直接于地面接触起到保护作用。但是在下雨天时，由于人因工程学和行走步态的原因，人在每次迈步前进时水会由于惯性会顺着鞋尖向上甩起落到鞋面上。所以当我们在有积水的路面上行走时，鞋头或鞋跟出总会被积水溅湿，导致鞋帮面或裤腿变脏，并且水从鞋面或裤腿浸入与皮肤接触时，会使人感到很不舒适。现在市场上为了应对这一问题现象的主要产品有雨靴和防水鞋套，虽说同雨靴相比，防水鞋套会更加方便携带，可以即穿即用，不需要换成特殊的鞋子，但因为种种原因还是限制了使用人群，尤其是女性。

无论是雨靴还是防水鞋套，它们都是我们在下雨天走在泥泞路上时能够起到很好的保护作用的产品，这些产品主要是通过在鞋子外面添加保护套或者把平时所穿的鞋子换下成雨靴，来避免泥水对鞋子的造成的影响和人体的不舒适感，对鞋子而言起到防溅的效果。这两种产品有一个共同的特点就是外观造型的不足，功能性很强但是缺乏时尚性，所以一般人在平坦的道路环境上行走时很少会选择穿雨靴或者鞋套。

然而，随着现代的发展便捷休闲生活方式被越来越多的人接受，运动休闲鞋在人们心目中的地位也在不断提高，在出行时往往会选择自己喜欢的、舒适感比较强的运动休闲鞋。根据发展趋势，为了满足大多数人需求，这项研究也主要以运动休闲鞋为主进行设计。

2 脚部运动形态分析

在控制实验对象身高、体重等其他外界条件均不改变的时候，仅改变步长长度的行走过程中，步态特征不是一成不变的，会随步长的改变而改变，在拇指区、足跖区、足跟区的变化尤为明显[2]。这说明在实验中如果仅仅只研究一种步态特征是行不通的，要根据大众普遍存在的现象来进行分析。

3 雨天走路鞋尖被溅湿的原因分析

经观察发现当人在有雨水的路上行走时导致鞋尖被溅起的水浸湿的原因有很多，其中包括以下几种：

（1）雨天人在有水的路上行走时容易踩到水坑；

（2）人体在进行向前迈步的动作时会使粘附于鞋底的水随着前进的步伐向鞋尖向上甩动，在脚部停止前进，向下踩的一瞬间，水会由于惯性洒落在斜面上；

（3）人体在行走时的步态是呈前进的动作模式，水是由于力的作用呈向上运动的动作模式，当人在进行下一步前进动作时就会踢到在由上向下运动的水滴；

通过观察法得出的实验结果不难总结出，雨天走路鞋尖被溅湿的原因跟当时的路面环境、鞋底与地面的接触面积、人体的行走动作有很大的关联。虽然每次溅起的水不多，但是经过长时间行走的积累水也会渗透到鞋里，使人的脚部感到不适。

图2 行走步态与水滴的运动轨迹

4 行走姿势对水滴运动轨迹的影响分析

下雨天当我们走在积水路段时，经常能够注意到许多人为了避免被路面上的积水或者泥土溅到会很注意走路的方式，比如踮起脚尖或者脚后跟、放慢脚步，尽管这样也很难避免问题的存在。相反，有些人不需要关注这些细节，行走姿势表面上看起来与常人无异，鞋子也不会被浸湿。不难得出，不同的行走姿势对水滴运动的轨迹以及最后的结果有很大的影响。常见的行走姿势如图3。

图3 人体行走姿势图人体行走姿势GIF 动图下载

结合实际不同角度来分析，能够得出以下规律：

（1）水的运动方向是随着人体走路的动作甩到鞋尖上去的，人体在每次脚落地时就会沾上水，由于交替走路的方式，后面的脚抬起时，脚尖对着地面，鞋底的水就会甩鞋的前端。

（2）当人体抬起的后腿向前迈时，脚随之慢慢平行于地面后会以向前踢出的动作运动。当落地时，脚的速度停止了，而由于惯性的原因集中在鞋前端的水会向斜上方甩出，其中一部分水滴由于鞋面与水的分子亲和作用被拉回来之后落在鞋尖上面。

（3）当人在走路时脚绕地面一点运动时，鞋底与地面之间的接触面越小，水滴从鞋底向上的加速度也就越小[3]。因此甩在鞋帮面上的水滴就越少。

（4）当人在走路时脚绕地面一点运动的接触面越大时，产生的力的作用也就越大。当水滴的向下的速度和前进速度的不能相抵消时，那么鞋底上的水滴就会顺着惯性的方向甩到鞋帮面上。水与鞋底的界面上是有表面张力的。

5 实验方案研究

方案1：在鞋底前端增加三条有弧度的横向防溅水阻挡装置以及减少鞋底前后脚掌处与地面的接触面积，测试是否可以有效的阻挡鞋底前端甩起的积水。同时测试横向底纹是否有利于横向排水，减少水滴向上飞溅起。

方案2：设计鞋底花纹空隙，减少接触面积使之形成一个可以起到导水作用的纹路，将挡水底纹设置成可伸缩或收起的装置。当导水能力和舒适性都有所提高后，测试是否能有效提高鞋底的排水性能。

方案3：在鞋底前端设计一个整体的挡水凹槽，通过这个凹槽的形状来阻断甩起的积水。这也是最简单直接的方法，但是这样做可能会影响鞋子的翘度，需要测试穿着这双鞋子的舒适性。

以方案1 在鞋底上设置可以挡水的横向阻挡装置为例。

上文中提到的雨天走路鞋尖被溅湿的原因分析、行走姿势对水滴运动轨迹的影响分析以及最终总结出的规律，均是根据实际实验得出的结果，实验的大致过程如图4。穿着一双干燥的鞋子在雨水天气正常出门行走，当人走在积水比较少的道路上时很难看到有溅起的水滴，但是鞋尖帮面上仍然会有被水溅湿或者会有污泥的痕迹；当人走在大概6～10 毫米深的积水路面时，很容易就能观察被溅起的水滴且非常的明显，鞋帮面很快就会被溅湿浸，直到渗透到鞋里使人体感到不舒适。为了防止在有少量积水的路面上行走时被更多的积水溅湿，通过实验最终得出的防溅水鞋底设计图如图5。

图4 实验过程

图5 防溅水鞋底设计图稿

根据人体运动规律最适合设置挡水装置的位置在鞋子的前翘，而鞋子的前翘高度受到鞋底厚度、鞋帮厚度、放余量数量的影响。鞋底材料越厚，前翘高度也就会更高。一般来说，前翘就是指做鞋子的鞋楦的前翘是高度和角度，设置此挡水槽要根据每双鞋的楦型、翘度、材料以及放余量来确定它的大小和位置来确定。

图6

根据效果图做出的基本模型如图7。接下来的是测试模型的挡水底纹是否有利于减少水滴飞溅到鞋面上。

图7 基本设计模型

经实验测试无设计挡水底纹与有设计挡水底纹的鞋子，在积水6mm 以内行走5min 的效果如图8，图9。

图8 无设计挡水底纹效果

图9 有设计挡水底纹效果

设计原理：基于人体工程学原理，经过行走步态与水滴的运动轨迹分析与实验，最终设计出的鞋底主要的部分就是在鞋底前翘上面的三条有层次、有弧度的挡水横纹、鞋底面的反向挡水纹路（即鞋底跟处减少水往后溅起，鞋底前端处的纹路可以起到逐步减少溅水的作用）、细微的挡水纹路。这三个部分可以依次减少水滴溅起的量，量比较大的水滴由最主要的、有弧度的挡水横纹来完成，以此来减少鞋帮面溅水量。最后，当人们雨天走在有积水的路面上时，穿着使用这款鞋底的鞋子能够对被鞋子带起来的水起到阻挡作用，防止泥水溅起浸湿鞋帮面和裤腿，给人带来不适感。

结论

从人体工程学的角度来研究人与鞋子与环境之间的关系，结合利用物理学科的方法知识来分析人们在雨天走路时鞋尖被溅湿的原因、行走姿势对水滴运动轨迹的影响对于防溅水鞋底的设计有着非常重要的意义。现如今，从人体工程学的角度来研究这类便捷的防水鞋底的人还不是特别多，随着社会的发展人们会越来越注重自身的舒适感，此类以人为本，以“人”为出发点来考虑的鞋类产品设计应该得到更多的关注。在设计时我们应该充分考虑到人们的需求和鞋子本身的舒适感，不断克服环境对人体的影响。