張錢潮，阮伊陽，鄒慧琳，呼格吉樂（湖州師范學院 理學院物理實驗教學示范中心，浙江 湖州 313000）

減負雙肩包的設計

張錢潮，阮伊陽，鄒慧琳，呼格吉樂
（湖州師范學院 理學院物理實驗教學示范中心，浙江 湖州 313000）

基于對普通背包結(jié)構(gòu)的深入研究，研制出了“減負雙肩包”的模型。此款雙肩包不僅能夠滿足背包者對背包的舒適度要求，最重要的是能夠起到減負的作用。本文詳細介紹了此款雙肩包的設計與制作。

重心減負；動態(tài)減負；分壓減負；降低能量損耗；緩沖減負；舒適

1　引言

給我們的背包“減負”一直是大眾關注的話題，你知道背包多重最合適嗎？美國《生活》雜志一篇文章指出，背包重量最好不要超過背包者體重的10%。美國物理治療協(xié)會通過對9個年級學生的研究表明，背包過重和背包方式錯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，孩子背包過重將引起脊椎后凸、側(cè)凸、前傾或扭曲。同時，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。如果背包重量超過背包者體重的10%—15%，對身體的損害將成倍增加。其實，不止是孩子，我們?nèi)魏稳说谋嘲夹枰獪p負，都需要更適合我們?nèi)梭w工程學理論。

2　功能簡介

（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系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置：讓背包配合側(cè)翼束縛裝置進一步束縛背包內(nèi)物體，且具有對此背包的背負系統(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，進行上下和長短的調(diào)節(jié)；

（4）腰帶可調(diào)節(jié)系統(tǒng)：可根據(jù)個體需求進行腰部的固定；

（5）肩帶的緩沖減負系統(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)長度的低延展索帶；

（7）包體內(nèi)緩沖減負系統(tǒng)：由三層彈性系數(shù)為55.0N/M彈性氨綸作為緩沖材料；

（8）背負系統(tǒng)：由樹脂網(wǎng)，彈性鋼架，海綿填充物以及腰部束縛帶構(gòu)成。

3　減負背包主要結(jié)構(gòu)

4　減負雙肩包的物理原理

4.1減少不必要的能量損耗

背包的動態(tài)運動中，由于背負物以及背包都會有一定程度的耗能運動。主要有背負物重心在人體前后方向上的移動引起了背負壓力的變化：另一方面是背包和內(nèi)部背負體都會有超重失重等損耗能量，增大負擔的情況（如：人在背著背包走出第一步時就存在了背包和背負體的超重現(xiàn)象）。所以我們通過背包的兩側(cè)束縛裝置，背包底部束縛兼背負系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置進行對包體內(nèi)背負體的五點固定，以控制背負物的重心穩(wěn)定且靠近人體。同時，我們通過胸帶可調(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系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置和背負系統(tǒng)來控制背包的重心穩(wěn)定與靠近人體。

緩沖減負系統(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)的設置，是因為任何物體都具有慣性，而在背包在動態(tài)情況下必定在不斷破壞它原本的運動狀態(tài)，因此耗能且產(chǎn)生了増負現(xiàn)象。而雙系統(tǒng)緩沖減負系統(tǒng)，讓兩個系統(tǒng)相互影響，使背包與背負體的運動狀態(tài)改變減小，達到一種相對和諧。定量的角度上看，我們默認背包里放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，最大拉伸可以達到0.23m左右。肩帶出的緩沖裝置，因為有無延展的可調(diào)節(jié)索帶，所以對于緩沖效果是可調(diào)控的。一般情況下，我們的背包對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，分散受力

由于背包的靜態(tài)所受重力大小不變，所以只能通過增大受力面積，增大受力點的方式達到減負效果。減負雙肩包采用了寬肩帶，胸帶，腰帶以及背負系統(tǒng)中的海綿軟墊來增大背包與身體的接觸面積起到分壓作用。

4.3舒適度

我們的背包在市場上高端背包所具有的軟墊支撐，防汗，S型背帶等基礎上，我們的肩帶緩沖裝置因為它是軟材料，可變性，大大減少了肩帶對于頸部的壓迫和摩擦。與此同時，我們的背負系統(tǒng)，三條彈性鋼條的設置比市場的背包更具有塑性和保護脊柱的作用，讓背包者有一種更健康的姿態(tài)去背負。

項目：湖州師范學院理學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室開放項目

指導老師：呼格吉樂

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.233

張錢潮（1995-），男，浙江海寧人，學生。