孫光武，李杰聰，陳曉娜，胡文鋒

(1.上海工程技術大學 服裝學院，上海 201620； 2.上海工程技術大學 紡織行業(yè)人體工效與功能服裝重點實驗室，上海 201620； 3.東華大學 紡織學院，上海 201620)

日常生活中，腳部一些部位被磨破是運動時經常發(fā)生的創(chuàng)傷，定量化研究織物摩擦是解決該問題的必要前置研究。國內外相關研究人員普遍關注于織物的結構與摩擦特性的關系，以及織物與皮膚間的摩擦研究。目前織物受到的壓力[1]，纖維種類與織物結構[2]，織物含水率[3-4]等被認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。

纖維種類與織物結構對織物摩擦特性的影響非常復雜。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]認為羊毛的卷曲導致羊毛襪摩擦因數較高，增大了其與皮膚之間的摩擦力。劉萍[6]通過皮膚與機織物和針織物的摩擦實驗，得出棉和長絲類機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]認為機織物浮長線越長則摩擦因數越低。研究人員逐漸將纖維種類與織物結構的影響因素歸結為對表面形貌的影響[7-9]，即組成織物的紗線、纖維、織物結構、紋理等影響了織物表面形貌，進而改變了表面粗糙度和摩擦特性，因此，越來越多的研究關注于織物表面形貌的調控[10]。

壓力對織物摩擦特性的影響目前尚未見報導。有研究結果顯示壓力的增大導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，結果顯示皮膚摩擦因數隨法向壓力增大而降低；JEDDI等[12]的測量結果顯示當織物受力增大時，織物摩擦因數僅有微小下降。

在BERTAUX等[13]指出幾乎所有的研究都認為隨著織物含水率的增加織物的摩擦因數逐漸增大，水對織物摩擦特性的影響也取決于織物本身的導濕能力，如合成纖維織物可以迅速將水導出織物外層從而保持內部相對干爽，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]認為可能是由于水分導致織物表面的幾何形狀發(fā)生改變進而增多了織物與接觸面的接觸點。BERMAN等[15]則認為當水過多則會形成水膜，使得織物與接觸面之間產生潤滑減少了織物的黏附摩擦效應。

上述研究揭示了織物摩擦機制與規(guī)律。已有研究的大部分實驗是采用小滑塊在織物上滑動的方法研究織物摩擦特性，小部分實驗是將滑塊底部貼上織物在人體皮膚或人造皮膚上滑動，或是將人的手指、胳膊等部位貼著織物的測力臺上滑動用于定量分析織物與人體皮膚的摩擦作用。然而這些實驗屬于靜態(tài)實驗，沒有關注人體在日常運動時織物的動態(tài)摩擦問題。基于此，本文重點研究穿著襪子時在單個步行周期內，襪底與接觸面的摩擦作用規(guī)律。為了模擬人體運動的排汗，將采用不同含水率的襪子進行測試，同時為了研究針織物結構對摩擦因數的影響，對采用不同縱密的襪子進行測試。本文研究屬于運動生物力學與紡織工程的交叉領域，為人體運動時腳底摩擦作用提供實驗基礎，也為運動襪的結構調控提供新的思路。

1 實驗部分

1.1 運動襪織造

采用GOAL 615 MP型襪機(圣東尼(上海)針織機器有限公司)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，編織過程中采用針筒電動機控制襪子的結構，設置350、450、550、650 r/min 4種不同轉速。襪子樣品如圖1所示。

圖1 襪子樣品

1.2 襪底結構參數測量

由于人在行走過程中，襪子與測力臺主要是襪底部分的摩擦，實驗將襪子樣品底部剪下，測量襪底結構參數，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(杭州精兢檢測儀器有限公司)稱量，并計算面密度。襪底密度采用Y511B型密度鏡(南通三思機電科技有限公司)依據FZ 70002—1991《針織物線圈密度測量法》測量。厚度采用YG141型織物厚度儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司)；依據GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》進行測量。以上各項測量均重復5次，并計算平均值。

1.3 襪子樣品含水率測試

依據GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》，在室溫環(huán)境條件下測試。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，設定烘烤溫度為(105±3) ℃，時間為1 h, 隨后每隔10 min記錄 1次樣品質量，直至樣品恒質量，以最終質量作為樣品干質量。

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，作為襪子濕質量。依據含水率計算公式：含水率=(濕質量-干質量)/濕質量×100%，計算襪子含水率。重復上述實驗直至獲得含水率為20%、40%、60%、80%的襪子樣品的數據。

1.4 行走測試

由招募的女性大學生志愿者進行行走測試。為確保實驗結果可信度高，志愿者需沒有下肢神經肌肉骨骼損傷的病史，沒有專業(yè)體育訓練經歷，并且足弓正常，左右腳大小無顯著的差異。在進行實驗前的24 h內沒有從事過劇烈運動，且肌肉未出現(xiàn)疲勞等癥狀。具體實驗步驟如下：

①啟動NDI True Impulse型三維測力臺(Northern Digital Inc.)，校準，預熱，準備測試。

②志愿者稍事休息，并穿上襪子樣品。

③測力臺開始記錄數據，志愿者放松身體，以自然狀態(tài)在測力板上行走，行走實驗過程見圖2，邁右腳踏上測力臺右側測力板。

④志愿者邁左腳踏上測力臺左側測力板。

⑤志愿者邁右腳踏出測力臺右側測力板，左腳腳趾離開測力臺后，測力臺關閉數據記錄。

⑥導出測力臺測量結果，即3個方向的力-時間數據。

⑦重復上述步驟3次后，更換另一樣品繼續(xù)測試。

圖2 行走實驗過程

2 結果與討論

2.1 襪底結構測量與分析

襪底結構參數測量結果見表1。

表1 襪底結構參數測量結果

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

2.2 行走測試結果與分析

單個步行周期內三維測力臺輸出的沿Z、Y、X3個方向的分力-時間曲線圖見圖3。

圖3 Z、Y、X方向分力-時間曲線圖

圖3中Z為方向沿測力臺厚度方向，其正向指向測力臺外部。X與Y方向為測力臺所在平面內相互垂直的2個方向，實驗志愿者沿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，時間進行了歸一化處理。

在單個步行周期內，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，并有6個極值點(圖中箭頭所示)。在實際行走過程中，當志愿者右腳邁出腳跟觸及右側測力板時，F(xiàn)z值開始上升，直至腳跟完全與測力板接觸，此時Fz達到第1個極大值，該力一般為體重的1.1倍左右。隨后整個右腳以腳跟為軸心下放至完全與測力板接觸，F(xiàn)z達到第1個極小值，約為體重的0.7倍。接下來右腳發(fā)力，右腳跟逐漸離開測力板，F(xiàn)z逐漸上升，當右腳趾離開測力板時，腳趾主動蹬離測力板，此時Fz達到第2個極大值。志愿者隨后邁開左腳，重復右腳的動作，所以左腳Fz曲線與右腳類似。Fx與Fy關于時間軸基本對稱，相關運動生物力學領域的步態(tài)分析見參考文獻[16-18]。

沿X與Y方向的襪底摩擦因數依據庫倫摩擦定律進行計算，即μx=|Fx/Fz|，μy=|Fy/Fz|，將計算結果求取平均值得到最終摩擦因數。

單個步行周期內襪子樣品的摩擦因數與含水率關系見圖4。

圖4 單個步行周期內襪子摩擦因數與含水率關系

從圖4可以看出，所有樣品的摩擦因數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，織物中孔隙充斥的液體使得纖維紗線膨脹，導致織物與接觸面之間的接觸點增多，WILHELM等[19]認為摩擦力是由接觸表面材料界面間接觸點的分子力產生，增多的接觸點導致摩擦力增大，進而摩擦因數增大。當液體含量進一步增大時，織物中的孔隙已經無法容納更多液體，使得液體附在織物表面形成界面膜，該界面膜起到潤滑作用，進而降低了摩擦因數。所以織物中液體含量的增加導致織物的摩擦機制由黏附摩擦向潤滑機制轉變[15]。早在1994年，NAIK等[20]就針對干濕態(tài)織物進行了摩擦研究，發(fā)現(xiàn)濕態(tài)織物的摩擦因數高于干態(tài)織物的摩擦因數，任忠海等[21]的實驗研究也得到了類似的結果。然而本文實驗的摩擦因數是人體在步行狀態(tài)下測量的，與上述研究在靜態(tài)條件下測量的結果相似，說明上述織物摩擦理論不僅適用于靜態(tài)條件下織物的滑動摩擦，也同樣適用于動態(tài)條件。

從圖4還可以看出，X方向的摩擦因數總是小于Y方向的摩擦因數。在實驗中，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，人體在單個步行周期內，襪底與測力臺的摩擦過程中，沿縱向的摩擦因數大于沿橫向的摩擦因數。這與已有研究[21]靜態(tài)條件下針織物的縱橫向摩擦因數幾乎沒有差異的結論相悖。在靜態(tài)摩擦實驗中滑塊被相同拉力拉動分別沿織物縱橫向進行實驗，所以縱橫向摩擦因數完全受針織物結構影響，而在步行過程中，通過對比圖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，導致了襪底沿縱向受到的摩擦力大于橫向，這是動靜態(tài)摩擦實驗方式不同導致的結果差異。

從圖4可以看出，4個樣品的Y方向摩擦因數值差異較大，X方向的摩擦因數值差異較小。其中，樣品4Y方向摩擦因數值最小，而樣品1則最大。結合表1，發(fā)現(xiàn)隨著縱密的減小，Y方向摩擦因數逐漸下降。劉萍[6]和RAMKUMAR等[22]的針織物靜態(tài)摩擦實驗結果也反映了縱密對摩擦因數的影響，其原因是線圈行距較稀疏，單個線圈在受到摩擦作用時可沿摩擦方向產生較大形變，進而減少線圈與接觸面之間的接觸點，導致摩擦力較小。反之，若線圈行距較為密集，單個線圈運動受限，線圈與接觸面之間的接觸點增多，導致摩擦力增大。THORNDIKE等[23]在機織物摩擦的研究中認為紗線形變導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 結束語

為了研究人體腳部大量出汗后襪底的摩擦規(guī)律，本文實驗研究了在單個步行周期內穿著不同含水率襪子時的襪底摩擦因數變化規(guī)律。研究結果顯示：隨著襪子含水率增大，摩擦因數先增大后下降，這是由于隨著含水率增大，紡織材料摩擦機制變化導致。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大于垂直于行走方向的摩擦因數。隨著樣品縱密的減小，其縱向摩擦因數也呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。

在本文的基礎上，提出未來可聚焦以下研究內容：①在襪底含水率變化引起的摩擦機制變化方面需采用定量化的實驗數據支撐，這涉及到紡織類黏彈材料的摩擦與潤滑機制研究；②線圈形變導致襪底與測力板之間的接觸點發(fā)生變化，這涉及到材料形變條件下的接觸面積變化，也是微觀摩擦領域的研究熱點問題；③針織物的其他結構參數如紗線細度、織物組織等對動態(tài)和靜態(tài)摩擦因數的影響也是亟待解決的結構—性能問題。本文研究結果可為人體在運動過程中襪底摩擦規(guī)律研究奠定實驗基礎，在紡織領域可為襪底結構的摩擦調控提供設計思路，在醫(yī)學、生物力學領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題，為人體腳部磨損提供前置研究基礎。