8.4. Жорсткість і маса взуття

Процес носіння взуття вимагає додаткових зусиль м’язів для подолання опору при його згинанні. У закритому взутті додаткова робота стопи полягає в піднятті її тильною частиною верху взуття, а також переміщенні в цьому ж напрямку п’яткової частини взуття (рис. 8.1). Це зусилля відповідає силі, яка необхідна для подолання жорсткості матеріалів взуття і опору згину деталей низу взуття.

 

Рис. 8.1 – Напрямок дій сил, що згинають взуття: F – сила м’язів гомілки;

f – сили, що розтягують верх взуття і тиснуть на нього

Тому дуже важливо, щоб взуття різного призначення мало відповідний опір деформаціям, які визначають його силову взаємодію зі стопою. Побутове взуття повинно добре і швидко приформовуватись до стопи, мати невеликий опір згинанню та жорсткість, тобто бути гнучким, тоді як деякі типи спеціального взуття повинні мати достатньо жорстку конструкцію, щоб захищати стопу від травм. Гнучке взуття зручне при носінні, має невеликий опір згинанню і тому не вимагає великих витрат енергії на згинання взуття.

Цвєтков В.Н. на основі досліджень виділив три основні види опору взуття деформаціям або три види жорсткості:

1) згинальна жорсткість (гнучкість) характеризує опір взуття згинанню. Даний вид жорсткості проявляється, зокрема, при ходьбі та бігу і представляє собою сили тиску тильної поверхні стопи на верх взуття;

2) розпірна жорсткість характеризує опір поперечних перерізів взуття приблизно на ділянці плюсно-фалангового зчленування зміні його форми. Цей вид жорсткості проявляється при стоянні і русі людини та пов’язаний з силами тиску тильної і бокової поверхонь стопи на верх взуття;

3) опорна жорсткість характеризує опір взуття зміні його форми в напрямку збільшення контакту опорної поверхні стопи із взуттям під дією сил, направлених по нормалі до опорної поверхні. Опорна жорсткість проявляється як в статиці, так і в динаміці.

Згинальна жорсткість. Гнучкість взуття визначають відношенням зусилля при згинанні його на кут 25°, зафіксованого на шкалі навантажень при третьому згинанні, до ширини підошви в місці згинання. Гнучкість побутового взуття різного призначення коливається від 8 до 22 Н/м. За даними А.П. Макарової ходіння в жорсткому взутті викликає хронічне перевантаження м’язів стопи і гомілки, збільшує навантаження пальців стопи, що призводить до швидкого стомлення людини.

Гнучкість взуття залежить від багатьох чинників, серед яких найважливішими є конструкція шва, який скріплює верх і низ (метод кріплення), та властивості і товщина матеріалів низу.

При згинанні взуття відбувається розтягування підошви і стиснення устілки. Оскільки, за даними М.Г. Любича, опір стис­канню жорсткої шкіри майже в 10 разів перевищує її опір розтягуванню, то гнучкість взуття значною мірою буде залежати від наявності в ньому устілок, від властивостей матеріалу, з якого вони виготовлені. Тому зусилля згинання взуття на шкіряній підошві без устілок (виворітний, сандальний методи кріплення) у декілька разів менше, ніж зусилля згинання взуття з устілками. Наприклад, зусилля згинання дитячого взуття методу кріплення “Парко” з устілками складає 50-60 Н, а такого ж взуття без устілок – 20-25 Н. Підвищенню зусилля згинання сприяє збільшення величини умовного модуля пружності устілкової шкіри.

Реальними засобами зниження товщини і жорсткості устілок і разом з цим підвищення їх гнучкості є запровадження клейового способу затягування заготовки, яке дозволяє зменшити товщину і жорсткість устілок, застосування складених устілок, їх надсікання та перфорування.

Властивості шкіряної підошви менше впливають на гнучкість взуття, ніж устілки з аналогічного матеріалу. Так, наприклад (за даними Хоменкової Н.Г.), збільшення умовного модуля пружності устілкової шкіри приблизно на 50% призводить до підвищення зусилля при згинанні взуття майже на 40%, а при цих же показниках для шкіряної підошви лише на 18%. Аналогічний вплив має і збільшення товщини цих деталей.

На гнучкість взуття впливає також наявність таких деталей, як шкіряна підложка, платформа, простилка, властивості матеріалів, з яких вони виготовлені конструкції швів, що з’єднують верх з низом. Так, застосування платформи з жорсткого устілкового картону у взутті строчильно-клейового методу кріплення зводить на нівець його конструктивні переваги, оскільки набагато збільшує жорсткість.

Великий вплив на гнучкість взуття має конструкція шва, що з’єднує деталі верху з низом, оскільки від неї залежить вибір матеріалів, їх товщини і жорсткості, ступінь зрощення деталей низу в монолітну систему.

Низ взуття умовно можна представити у вигляді тришарової пластини, яка складена з матеріалів різних модулів пружності і товщин. Якщо пластини не скріплені між собою, то на поверхні їх дотику не виникають сили тертя і пластина згинається при самостійному згинанні кожного шару. У цьому випадку сила для згинання нескріпленої системи дорівнює сумі сил , необхідних для згинання окремих її шарів. Жорсткість системи, скріпленої по краях швами, як це має місце у взутті, дуже сильно змінюється. Ця зміна виражається відношенням сил Р для згинання скріпленої системи до сили, тобто Д=Р/.

На величину Д в основному впливають матеріали шарів системи і метод їх з’єднання. При шпилькових з’єднаннях (гвинтовому, цвяховому та ін.) жорсткість збільшується в 3-4 рази, рантовому – в 1,5-2,5 рази. Та слід зазначити, що при одних і тих самих деталях властивості і товщина матеріалів, з яких вони виготовлені, будуть мати більший вплив на жорсткість, ніж методи їх з’єднання.

У клейовому методі кріплення, наприклад, гнучкість взуття досягається за рахунок зменшення товщини деталей, зокрема устілки.

Гнучкість взуття змінюється в процесі його носіння. Зусилля на згинання ношеного взуття складає приблизно 40-60% від початкового.

Розпірна жорсткість. Цей вид жорсткості вивчений мало. Розпірна жорсткість – це здатність верху взуття розтягуватись у процесі його носіння, а значить приформовуватися до стопи внаслідок зміни форморозмірів верху взуття. Але в результаті слабкого опору верху взуття розпірним зусиллям воно може втратити форму. У протилежному випадку взуття ушкоджує стопу.

Для характеристики розпірної жорсткості взуття викорис­товують показник стійкості, який визначається методом кільця. Він полягає у визначенні прогину союзки h, мм, під дією сили 2 Н протягом 15 с послідовно в трьох точках союзки (рис. 8.2).

 

За даними Е.М. Островітянова, стійкість союзки з опойка товщиною 0,9 мм без підкладки в 2,5 рази менша, ніж стійкість союзки з юхти товщиною 2,2 мм. Підкладка і міжпідкладка збільшують стійкість взуття. Чим щільніші підкладка і міжпідкладка, тим стійкіша союзка. Дослідження деформації союзки взуття з верхом із текстильних матеріалів показали, що зі збільшенням жорсткості матеріалів зменшується її поперечна деформація при експлуатації взуття. Таким чином, збільшуючи жорсткість верху до певної межі, можна збільшити формостійкість взуття, зберігаючи зручність при носінні.

Опорна жорсткість. Опорна жорсткість взуття залежить від властивостей матеріалу низу. Цей вид жорсткості є не що інше, як опір матеріалів низу деформації стиснення, який характеризує властивість взуття розосереджувати тиск стопи на опорну поверхню.

Молебна Л.І. та інші дослідники пропонують опорну жорсткість взуття Д0 визначати відношенням навантаження Р на внутрішню поверхню матеріалів низу при ходьбі до абсолютної деформації стиснення А (А – вихідна товщина системи матеріалів низу):

Д0=Р/А.

Автори проводили дослідження впливу різних комбінацій матеріалів підошви і простилки на опорну жорсткість, в результаті яких було встановлено, що на загальну деформацію стиснення в основному впливає матеріал простилки.

При оцінюванні якості готового взуття опорна жорсткість, практично, не враховується. Однак цей показник комфортності взуття має велике значення, особливо для стопи дитини, яка формується і розвивається: зниження опорної жорсткості сприяє правильному формуванню стопи і збереженню її працездатності.

Маса взуття. На витрати енергії при русі людини впливає не тільки жорсткість взуття, але і його маса. Роботами російських і українських вчених показано, що на масу взуття впливають матеріали верху та низу, їх структура (пористість), метод кріплення низу, вид взуття, його призначення тощо. Маса деталей верху закритого взуття складає 15-30% від загальної маси взуття, а чобіт з юхти – до 40%. Найбільше на масу взуття впливає маса підошов, каблуків і устілок. Так, маса підошов складає від 15 до 40%, каблу-ків – від 8 до 30%, устілок – від 12 до 20% від загальної маси взуття.

Зменшити масу взуття можна шляхом зменшення товщини деталей з одночасним підвищенням їх зносостійкості, виключення проміжних деталей, застосування нових матеріалів низу, зокрема пористої структури тощо.

Найбільшу масу має взуття шпилькових методів кріплення, оскільки вимагає застосування деталей підвищених товщин, та й самі скріплювачі, виготовлені з металу, мають велику масу. Відносно невелику масу має взуття клейового методу кріплення. Найменшу масу має взуття без устілок. В процесі носінні маса взуття практично не змінюється, або змінюється несуттєво.

Таким чином, при створенні взуття різного призначення потрібно знати не лише особливості біомеханіки і фізіології стопи, але й фізико-механічні властивості матеріалів, що використовуються на деталі взуття, конструктивні характеристики способів їх з’єднання, вміти їх правильно підібрати, щоб забезпечити необхідні комфортні умови для функціонування стопи.