張錢(qián)潮,阮伊陽(yáng),鄒慧琳,呼格吉樂(lè)(湖州師范學(xué)院 理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,浙江 湖州 313000)
減負(fù)雙肩包的設(shè)計(jì)
張錢(qián)潮,阮伊陽(yáng),鄒慧琳,呼格吉樂(lè)
(湖州師范學(xué)院 理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,浙江 湖州 313000)
基于對(duì)普通背包結(jié)構(gòu)的深入研究,研制出了“減負(fù)雙肩包”的模型。此款雙肩包不僅能夠滿(mǎn)足背包者對(duì)背包的舒適度要求,最重要的是能夠起到減負(fù)的作用。本文詳細(xì)介紹了此款雙肩包的設(shè)計(jì)與制作。
重心減負(fù);動(dòng)態(tài)減負(fù);分壓減負(fù);降低能量損耗;緩沖減負(fù);舒適
給我們的背包“減負(fù)”一直是大眾關(guān)注的話題,你知道背包多重最合適嗎?美國(guó)《生活》雜志一篇文章指出,背包重量最好不要超過(guò)背包者體重的10%。美國(guó)物理治療協(xié)會(huì)通過(guò)對(duì)9個(gè)年級(jí)學(xué)生的研究表明,背包過(guò)重和背包方式錯(cuò)誤可能造成青少年背部損傷和肌肉疲勞。研究人員瑪莉·安·威爾馬思說(shuō),孩子背包過(guò)重將引起脊椎后凸、側(cè)凸、前傾或扭曲。同時(shí),肌肉可能因極度緊張而疲勞,脖子、肩膀和背部容易受到傷害。如果背包重量超過(guò)背包者體重的10%—15%,對(duì)身體的損害將成倍增加。其實(shí),不止是孩子,我們?nèi)魏稳说谋嘲夹枰獪p負(fù),都需要更適合我們?nèi)梭w工程學(xué)理論。
(1)背包的兩側(cè)束縛裝置:將包內(nèi)物體緊緊束縛于背包;
(2)背包底部束縛兼背負(fù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置:讓背包配合側(cè)翼束縛裝置進(jìn)一步束縛背包內(nèi)物體,且具有對(duì)此背包的背負(fù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用;
(3)胸帶可調(diào)節(jié)系統(tǒng):可根據(jù)不同的胸腔大小,進(jìn)行上下和長(zhǎng)短的調(diào)節(jié);
(4)腰帶可調(diào)節(jié)系統(tǒng):可根據(jù)個(gè)體需求進(jìn)行腰部的固定;
(5)肩帶的緩沖減負(fù)系統(tǒng):由三層彈性系數(shù)為1.35N/M彈性氨綸作為緩沖材料+可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的低延展索帶;
(7)包體內(nèi)緩沖減負(fù)系統(tǒng):由三層彈性系數(shù)為55.0N/M彈性氨綸作為緩沖材料;
(8)背負(fù)系統(tǒng):由樹(shù)脂網(wǎng),彈性鋼架,海綿填充物以及腰部束縛帶構(gòu)成。
4.1減少不必要的能量損耗
背包的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中,由于背負(fù)物以及背包都會(huì)有一定程度的耗能運(yùn)動(dòng)。主要有背負(fù)物重心在人體前后方向上的移動(dòng)引起了背負(fù)壓力的變化:另一方面是背包和內(nèi)部背負(fù)體都會(huì)有超重失重等損耗能量,增大負(fù)擔(dān)的情況(如:人在背著背包走出第一步時(shí)就存在了背包和背負(fù)體的超重現(xiàn)象)。所以我們通過(guò)背包的兩側(cè)束縛裝置,背包底部束縛兼背負(fù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行對(duì)包體內(nèi)背負(fù)體的五點(diǎn)固定,以控制背負(fù)物的重心穩(wěn)定且靠近人體。同時(shí),我們通過(guò)胸帶可調(diào)節(jié)系統(tǒng),腰帶可調(diào)節(jié)系統(tǒng),背包底部束縛兼背負(fù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置和背負(fù)系統(tǒng)來(lái)控制背包的重心穩(wěn)定與靠近人體。
緩沖減負(fù)系統(tǒng)主要分為兩塊,一方面是肩帶緩沖,另一方面是包體內(nèi)的緩沖層。在定性的角度上看,我們雙緩沖系統(tǒng)的設(shè)置,是因?yàn)槿魏挝矬w都具有慣性,而在背包在動(dòng)態(tài)情況下必定在不斷破壞它原本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此耗能且產(chǎn)生了増負(fù)現(xiàn)象。而雙系統(tǒng)緩沖減負(fù)系統(tǒng),讓兩個(gè)系統(tǒng)相互影響,使背包與背負(fù)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變減小,達(dá)到一種相對(duì)和諧。定量的角度上看,我們默認(rèn)背包里放5本課本,10本作業(yè)本,質(zhì)量約為3.5kg,重35N.在平均步頻為0.71秒/步的情況下,由于超重所增加的所需人體克服的力約為3.4N。在這樣的情況下,我們的包體內(nèi)的緩沖層離包體的無(wú)延展體層距離0.2m,克服靜態(tài)和超重的延伸約為0.2m,加之包體為軟底所以包體內(nèi)部的緩沖層,最大拉伸可以達(dá)到0.23m左右。肩帶出的緩沖裝置,因?yàn)橛袩o(wú)延展的可調(diào)節(jié)索帶,所以對(duì)于緩沖效果是可調(diào)控的。一般情況下,我們的背包對(duì)于超重的緩沖在豎直方向上距離約為±0m~0.4m。這樣的緩沖使用度較高也舒適度較好。
4.2減小壓強(qiáng),分散受力
由于背包的靜態(tài)所受重力大小不變,所以只能通過(guò)增大受力面積,增大受力點(diǎn)的方式達(dá)到減負(fù)效果。減負(fù)雙肩包采用了寬肩帶,胸帶,腰帶以及背負(fù)系統(tǒng)中的海綿軟墊來(lái)增大背包與身體的接觸面積起到分壓作用。
4.3舒適度
我們的背包在市場(chǎng)上高端背包所具有的軟墊支撐,防汗,S型背帶等基礎(chǔ)上,我們的肩帶緩沖裝置因?yàn)樗擒洸牧?,可變性,大大減少了肩帶對(duì)于頸部的壓迫和摩擦。與此同時(shí),我們的背負(fù)系統(tǒng),三條彈性鋼條的設(shè)置比市場(chǎng)的背包更具有塑性和保護(hù)脊柱的作用,讓背包者有一種更健康的姿態(tài)去背負(fù)。
項(xiàng)目:湖州師范學(xué)院理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目
指導(dǎo)老師:呼格吉樂(lè)
10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.233
張錢(qián)潮(1995-),男,浙江海寧人,學(xué)生。