單個(gè)步行周期內(nèi)襪底動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

孫光武，李杰聰，陳曉娜，胡文鋒

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620； 2.上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織行業(yè)人體工效與功能服裝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620； 3.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

日常生活中，腳部一些部位被磨破是運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常發(fā)生的創(chuàng)傷，定量化研究織物摩擦是解決該問(wèn)題的必要前置研究。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員普遍關(guān)注于織物的結(jié)構(gòu)與摩擦特性的關(guān)系，以及織物與皮膚間的摩擦研究。目前織物受到的壓力[1]，纖維種類與織物結(jié)構(gòu)[2]，織物含水率[3-4]等被認(rèn)為是影響織物摩擦特性以及織物與皮膚間摩擦作用的重要影響因素。

纖維種類與織物結(jié)構(gòu)對(duì)織物摩擦特性的影響非常復(fù)雜。HERRING等[1]發(fā)現(xiàn)穿著腈綸襪子比穿著棉襪更容易引發(fā)腳起水泡。何蘭芝[5]認(rèn)為羊毛的卷曲導(dǎo)致羊毛襪摩擦因數(shù)較高，增大了其與皮膚之間的摩擦力。劉萍[6]通過(guò)皮膚與機(jī)織物和針織物的摩擦實(shí)驗(yàn)，得出棉和長(zhǎng)絲類機(jī)織物的摩擦性能受到紗線直徑的影響，而緯平針織物的摩擦性能則受到紗線直徑和縱密的影響。VAN等[2]認(rèn)為機(jī)織物浮長(zhǎng)線越長(zhǎng)則摩擦因數(shù)越低。研究人員逐漸將纖維種類與織物結(jié)構(gòu)的影響因素歸結(jié)為對(duì)表面形貌的影響[7-9]，即組成織物的紗線、纖維、織物結(jié)構(gòu)、紋理等影響了織物表面形貌，進(jìn)而改變了表面粗糙度和摩擦特性，因此，越來(lái)越多的研究關(guān)注于織物表面形貌的調(diào)控[10]。

壓力對(duì)織物摩擦特性的影響目前尚未見報(bào)導(dǎo)。有研究結(jié)果顯示壓力的增大導(dǎo)致織物間的摩擦力增大[3]； DERLER等[11]研究人體手指與織物的摩擦，結(jié)果顯示皮膚摩擦因數(shù)隨法向壓力增大而降低；JEDDI等[12]的測(cè)量結(jié)果顯示當(dāng)織物受力增大時(shí)，織物摩擦因數(shù)僅有微小下降。

在BERTAUX等[13]指出幾乎所有的研究都認(rèn)為隨著織物含水率的增加織物的摩擦因數(shù)逐漸增大，水對(duì)織物摩擦特性的影響也取決于織物本身的導(dǎo)濕能力，如合成纖維織物可以迅速將水導(dǎo)出織物外層從而保持內(nèi)部相對(duì)干爽，所以合成纖維織物摩擦特性受到水的影響較小，而棉織物則表現(xiàn)相反。MORTON等[14]認(rèn)為可能是由于水分導(dǎo)致織物表面的幾何形狀發(fā)生改變進(jìn)而增多了織物與接觸面的接觸點(diǎn)。BERMAN等[15]則認(rèn)為當(dāng)水過(guò)多則會(huì)形成水膜，使得織物與接觸面之間產(chǎn)生潤(rùn)滑減少了織物的黏附摩擦效應(yīng)。

上述研究揭示了織物摩擦機(jī)制與規(guī)律。已有研究的大部分實(shí)驗(yàn)是采用小滑塊在織物上滑動(dòng)的方法研究織物摩擦特性，小部分實(shí)驗(yàn)是將滑塊底部貼上織物在人體皮膚或人造皮膚上滑動(dòng)，或是將人的手指、胳膊等部位貼著織物的測(cè)力臺(tái)上滑動(dòng)用于定量分析織物與人體皮膚的摩擦作用。然而這些實(shí)驗(yàn)屬于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有關(guān)注人體在日常運(yùn)動(dòng)時(shí)織物的動(dòng)態(tài)摩擦問(wèn)題。基于此，本文重點(diǎn)研究穿著襪子時(shí)在單個(gè)步行周期內(nèi)，襪底與接觸面的摩擦作用規(guī)律。為了模擬人體運(yùn)動(dòng)的排汗，將采用不同含水率的襪子進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)為了研究針織物結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦因數(shù)的影響，對(duì)采用不同縱密的襪子進(jìn)行測(cè)試。本文研究屬于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)與紡織工程的交叉領(lǐng)域，為人體運(yùn)動(dòng)時(shí)腳底摩擦作用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為運(yùn)動(dòng)襪的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 運(yùn)動(dòng)襪織造

采用GOAL 615 MP型襪機(jī)(圣東尼(上海)針織機(jī)器有限公司)在室溫條件下織造襪子樣品。襪子面紗為棉/錦綸70/30，底紗為棉/氨綸機(jī)械包覆紗，以氨綸為芯紗，以棉紗為包紗，成分為棉/氨綸92/8。襪子起口采用錦綸紗線編織，編織過(guò)程中采用針筒電動(dòng)機(jī)控制襪子的結(jié)構(gòu)，設(shè)置350、450、550、650 r/min 4種不同轉(zhuǎn)速。襪子樣品如圖1所示。

圖1 襪子樣品

1.2 襪底結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量

由于人在行走過(guò)程中，襪子與測(cè)力臺(tái)主要是襪底部分的摩擦，實(shí)驗(yàn)將襪子樣品底部剪下，測(cè)量襪底結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括：面密度、密度(縱橫向)和厚度。將襪底剪成固定面積的小塊，采用FA1004B型分析天平(杭州精兢檢測(cè)儀器有限公司)稱量，并計(jì)算面密度。襪底密度采用Y511B型密度鏡(南通三思機(jī)電科技有限公司)依據(jù)FZ 70002—1991《針織物線圈密度測(cè)量法》測(cè)量。厚度采用YG141型織物厚度儀(常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司)；依據(jù)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)量。以上各項(xiàng)測(cè)量均重復(fù)5次，并計(jì)算平均值。

1.3 襪子樣品含水率測(cè)試

依據(jù)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測(cè)定 烘箱干燥法》，在室溫環(huán)境條件下測(cè)試。首先將襪子樣品放在Y802 A型烘箱(常州中纖儀器有限公司)的金屬籃內(nèi)，設(shè)定烘烤溫度為(105±3) ℃，時(shí)間為1 h, 隨后每隔10 min記錄 1次樣品質(zhì)量，直至樣品恒質(zhì)量，以最終質(zhì)量作為樣品干質(zhì)量。

將干燥好的樣品浸泡在水中10 min后取出并懸掛，待樣品上的浮水滴下后，將樣品放入烘箱采用上述方法烘烤并稱量，作為襪子濕質(zhì)量。依據(jù)含水率計(jì)算公式：含水率=(濕質(zhì)量-干質(zhì)量)/濕質(zhì)量×100%，計(jì)算襪子含水率。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)直至獲得含水率為20%、40%、60%、80%的襪子樣品的數(shù)據(jù)。

1.4 行走測(cè)試

由招募的女性大學(xué)生志愿者進(jìn)行行走測(cè)試。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度高，志愿者需沒(méi)有下肢神經(jīng)肌肉骨骼損傷的病史，沒(méi)有專業(yè)體育訓(xùn)練經(jīng)歷，并且足弓正常，左右腳大小無(wú)顯著的差異。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的24 h內(nèi)沒(méi)有從事過(guò)劇烈運(yùn)動(dòng)，且肌肉未出現(xiàn)疲勞等癥狀。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①啟動(dòng)NDI True Impulse型三維測(cè)力臺(tái)(Northern Digital Inc.)，校準(zhǔn)，預(yù)熱，準(zhǔn)備測(cè)試。

②志愿者稍事休息，并穿上襪子樣品。

③測(cè)力臺(tái)開始記錄數(shù)據(jù)，志愿者放松身體，以自然狀態(tài)在測(cè)力板上行走，行走實(shí)驗(yàn)過(guò)程見圖2，邁右腳踏上測(cè)力臺(tái)右側(cè)測(cè)力板。

④志愿者邁左腳踏上測(cè)力臺(tái)左側(cè)測(cè)力板。

⑤志愿者邁右腳踏出測(cè)力臺(tái)右側(cè)測(cè)力板，左腳腳趾離開測(cè)力臺(tái)后，測(cè)力臺(tái)關(guān)閉數(shù)據(jù)記錄。

⑥導(dǎo)出測(cè)力臺(tái)測(cè)量結(jié)果，即3個(gè)方向的力-時(shí)間數(shù)據(jù)。

⑦重復(fù)上述步驟3次后，更換另一樣品繼續(xù)測(cè)試。

圖2 行走實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2 結(jié)果與討論

2.1 襪底結(jié)構(gòu)測(cè)量與分析

襪底結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 襪底結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn),4種樣品的橫密差異不大，但縱密差異明顯，且隨針筒轉(zhuǎn)速升高而明顯下降。這主要是由于針筒轉(zhuǎn)速越慢，織針的位移量就越小，導(dǎo)致彎紗深度越小，進(jìn)而減小了線圈的圈高，所以沿襪子縱向單位長(zhǎng)度內(nèi)的線圈數(shù)量增大，反之，則線圈數(shù)量減少。由于彎紗深度僅減小了圈高，所以橫向線圈密度并沒(méi)有明顯變化。

2.2 行走測(cè)試結(jié)果與分析

單個(gè)步行周期內(nèi)三維測(cè)力臺(tái)輸出的沿Z、Y、X3個(gè)方向的分力-時(shí)間曲線圖見圖3。

圖3 Z、Y、X方向分力-時(shí)間曲線圖

圖3中Z為方向沿測(cè)力臺(tái)厚度方向，其正向指向測(cè)力臺(tái)外部。X與Y方向?yàn)闇y(cè)力臺(tái)所在平面內(nèi)相互垂直的2個(gè)方向，實(shí)驗(yàn)志愿者沿Y的正方向行走，其右手為X的正方向。

Fz為垂直方向地面反作用力，F(xiàn)y為行走方向的腳底受到的摩擦力，F(xiàn)x為垂直于行走方向腳底受到的摩擦力。為了便于分析，時(shí)間進(jìn)行了歸一化處理。

在單個(gè)步行周期內(nèi)，腳部健康的人左右腳曲線基本相似。圖3(a)中，F(xiàn)z曲線具有明顯的雙峰特點(diǎn)，并有6個(gè)極值點(diǎn)(圖中箭頭所示)。在實(shí)際行走過(guò)程中，當(dāng)志愿者右腳邁出腳跟觸及右側(cè)測(cè)力板時(shí)，F(xiàn)z值開始上升，直至腳跟完全與測(cè)力板接觸，此時(shí)Fz達(dá)到第1個(gè)極大值，該力一般為體重的1.1倍左右。隨后整個(gè)右腳以腳跟為軸心下放至完全與測(cè)力板接觸，F(xiàn)z達(dá)到第1個(gè)極小值，約為體重的0.7倍。接下來(lái)右腳發(fā)力，右腳跟逐漸離開測(cè)力板，F(xiàn)z逐漸上升，當(dāng)右腳趾離開測(cè)力板時(shí)，腳趾主動(dòng)蹬離測(cè)力板，此時(shí)Fz達(dá)到第2個(gè)極大值。志愿者隨后邁開左腳，重復(fù)右腳的動(dòng)作，所以左腳Fz曲線與右腳類似。Fx與Fy關(guān)于時(shí)間軸基本對(duì)稱，相關(guān)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)領(lǐng)域的步態(tài)分析見參考文獻(xiàn)[16-18]。

沿X與Y方向的襪底摩擦因數(shù)依據(jù)庫(kù)倫摩擦定律進(jìn)行計(jì)算，即μx=|Fx/Fz|，μy=|Fy/Fz|，將計(jì)算結(jié)果求取平均值得到最終摩擦因數(shù)。

單個(gè)步行周期內(nèi)襪子樣品的摩擦因數(shù)與含水率關(guān)系見圖4。

圖4 單個(gè)步行周期內(nèi)襪子摩擦因數(shù)與含水率關(guān)系

從圖4可以看出，所有樣品的摩擦因數(shù)隨著含水率的增大而先增大后下降，主要是由于樣品中的棉纖維是親水纖維，在含水率較低時(shí)，織物中孔隙充斥的液體使得纖維紗線膨脹，導(dǎo)致織物與接觸面之間的接觸點(diǎn)增多，WILHELM等[19]認(rèn)為摩擦力是由接觸表面材料界面間接觸點(diǎn)的分子力產(chǎn)生，增多的接觸點(diǎn)導(dǎo)致摩擦力增大，進(jìn)而摩擦因數(shù)增大。當(dāng)液體含量進(jìn)一步增大時(shí)，織物中的孔隙已經(jīng)無(wú)法容納更多液體，使得液體附在織物表面形成界面膜，該界面膜起到潤(rùn)滑作用，進(jìn)而降低了摩擦因數(shù)。所以織物中液體含量的增加導(dǎo)致織物的摩擦機(jī)制由黏附摩擦向潤(rùn)滑機(jī)制轉(zhuǎn)變[15]。早在1994年，NAIK等[20]就針對(duì)干濕態(tài)織物進(jìn)行了摩擦研究，發(fā)現(xiàn)濕態(tài)織物的摩擦因數(shù)高于干態(tài)織物的摩擦因數(shù)，任忠海等[21]的實(shí)驗(yàn)研究也得到了類似的結(jié)果。然而本文實(shí)驗(yàn)的摩擦因數(shù)是人體在步行狀態(tài)下測(cè)量的，與上述研究在靜態(tài)條件下測(cè)量的結(jié)果相似，說(shuō)明上述織物摩擦理論不僅適用于靜態(tài)條件下織物的滑動(dòng)摩擦，也同樣適用于動(dòng)態(tài)條件。

從圖4還可以看出，X方向的摩擦因數(shù)總是小于Y方向的摩擦因數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，Y方向是人體行走方向，也是襪底的縱向，X方向是襪底的縱向，因此，人體在單個(gè)步行周期內(nèi)，襪底與測(cè)力臺(tái)的摩擦過(guò)程中，沿縱向的摩擦因數(shù)大于沿橫向的摩擦因數(shù)。這與已有研究[21]靜態(tài)條件下針織物的縱橫向摩擦因數(shù)幾乎沒(méi)有差異的結(jié)論相悖。在靜態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn)中滑塊被相同拉力拉動(dòng)分別沿織物縱橫向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以縱橫向摩擦因數(shù)完全受針織物結(jié)構(gòu)影響，而在步行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)比圖3(b)和(c)，人體腳部沿Y方向受到的摩擦力大于沿X方向受到的摩擦力，導(dǎo)致了襪底沿縱向受到的摩擦力大于橫向，這是動(dòng)靜態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn)方式不同導(dǎo)致的結(jié)果差異。

從圖4可以看出，4個(gè)樣品的Y方向摩擦因數(shù)值差異較大，X方向的摩擦因數(shù)值差異較小。其中，樣品4Y方向摩擦因數(shù)值最小，而樣品1則最大。結(jié)合表1，發(fā)現(xiàn)隨著縱密的減小，Y方向摩擦因數(shù)逐漸下降。劉萍[6]和RAMKUMAR等[22]的針織物靜態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果也反映了縱密對(duì)摩擦因數(shù)的影響，其原因是線圈行距較稀疏，單個(gè)線圈在受到摩擦作用時(shí)可沿摩擦方向產(chǎn)生較大形變，進(jìn)而減少線圈與接觸面之間的接觸點(diǎn)，導(dǎo)致摩擦力較小。反之，若線圈行距較為密集，單個(gè)線圈運(yùn)動(dòng)受限，線圈與接觸面之間的接觸點(diǎn)增多，導(dǎo)致摩擦力增大。THORNDIKE等[23]在機(jī)織物摩擦的研究中認(rèn)為紗線形變導(dǎo)致抵消了一部分摩擦作用。所以，在針織物中線圈較大的形變量也可能抵消了較多的摩擦作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了研究人體腳部大量出汗后襪底的摩擦規(guī)律，本文實(shí)驗(yàn)研究了在單個(gè)步行周期內(nèi)穿著不同含水率襪子時(shí)的襪底摩擦因數(shù)變化規(guī)律。研究結(jié)果顯示：隨著襪子含水率增大，摩擦因數(shù)先增大后下降，這是由于隨著含水率增大，紡織材料摩擦機(jī)制變化導(dǎo)致。此外，由于人體行走方向受到較大的地面作用力，人體行走方向的摩擦因數(shù)大于垂直于行走方向的摩擦因數(shù)。隨著樣品縱密的減小，其縱向摩擦因數(shù)也呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。

在本文的基礎(chǔ)上，提出未來(lái)可聚焦以下研究?jī)?nèi)容：①在襪底含水率變化引起的摩擦機(jī)制變化方面需采用定量化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，這涉及到紡織類黏彈材料的摩擦與潤(rùn)滑機(jī)制研究；②線圈形變導(dǎo)致襪底與測(cè)力板之間的接觸點(diǎn)發(fā)生變化，這涉及到材料形變條件下的接觸面積變化，也是微觀摩擦領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題；③針織物的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如紗線細(xì)度、織物組織等對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦因數(shù)的影響也是亟待解決的結(jié)構(gòu)—性能問(wèn)題。本文研究結(jié)果可為人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中襪底摩擦規(guī)律研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在紡織領(lǐng)域可為襪底結(jié)構(gòu)的摩擦調(diào)控提供設(shè)計(jì)思路，在醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)領(lǐng)域還可拓展至下肢不平衡患者或是下肢殘疾人群的腳底摩擦問(wèn)題，為人體腳部磨損提供前置研究基礎(chǔ)。