Wykorzystanie sztucznej stopy jako modelu stopy człowieka w

Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
Wykorzystanie sztucznej stopy jako modelu stopy człowieka w badaniach obuwia
The microclimate changes in the footwear with inner knitwear inserts
Zbigniew Olejniczak*, Bogusław Woźniak
Instytut Przemysłu Skórzanego w Łodzi, Zakład Obuwia i Morfofizjologii Stopy,
ul. Zgierska 73, 91 – 462 Łódź, * e-mail: [email protected]
Streszczenie
Badano własności biofizycznych obuwia z wykorzystaniem termicznego modelu sztucznej stopy z funkcją ruchu
i wydzielania wilgoci. Badanie na manekinie stopy eliminuje pracochłonne badania z udziałem ludzi za względu na
występowanie indywidualnych różnic dotyczących reakcji fizjologicznych, co wymaga wielokrotnego cyklu badań.
W obuwiu tym stosowano skarpetki dzianinowe wykonane w różnych wariantach: o jednowarstwowej strukturze
i jednorodne surowcowo, zróżnicowane surowcowo oraz dwuwarstwowe dzianiny z warstwą konduktywnodyfuzyjną usytuowanej bliżej stopy - zadaniem tej warstwy było odprowadzanie i transport wilgoci od ciała, oraz
warstwą sorpcyjną utrzymującej wilgoć z dala od ciała.
Opracowano następujące procedury pomiarowe oceny komfortu użytkowania: 1) ocena zdolności odprowadzania
określonej masy wilgoci ze skarpetki jako stałego elementu użytkowania układu stopa-obuwie przy stałej wartości
dostarczanej mocy do poszczególnych stref stopy (W=const) i bez wydzielania wilgoci z modelu sztucznej stopy;
2) ocena zdolności odprowadzania określonej masy wilgoci wydzielanej w jednostce czasu z poszczególnych stref
modelu sztucznej stopy przy stałej wartości dostarczanej mocy do poszczególnych stref stopy (W=const).
Summary
Studies of biophysical properties of footwear were made on thermal model of artificial foot equipped with the
function of movement and secrete of humidity. Experiments conducted on the artificial foot let eliminate laborious
sets of experiments carried out with real people, where the differences in individual physiological reactions caused
necessity of frequent repetition of the whole cycle of experiments. Knitwear socks, used in this kind of footwear
were prepared in several types: as one-layer structure and with one kind of raw, from different raw and as two layer
knitwear with first layer of the knitwear closer to foot of conductive diffusion properties, while the second layer,
having sorption properties, situated farther from the foot and keeping humidity far from the body.
Here are the measuring procedures that have been elaborated to assess comfort of footwear usage: 1) assessment of
ability to remove certain amount of humidity from the sock treated as the permanent part of the set foot-footwear ,
while the constant amount of energy is being supplied to the different parts of the artificial foot ( W=const ) and
without secreting of humidity from the artificial foot; 2) assessment of ability to remove certain amount of
humidity, secreted in the unit of time, from different parts of the artificial foot while the constant amount of energy
is being supplied to the different parts of the artificial foot ( W=const).
Słowa kluczowe: obuwie, dzianiny, mikroklimat, wilgotność, temperatura, sztuczna stopa
Key words: footwear, shoes, knitted fabrics, microclimate, humidity, temperature, artificial foot
1. Wstęp
Z obuwiem, jako artykułem powszechnego użytku
mamy do czynienia przez całe życie. Jest to jeden
z podstawowych artykułów, bez którego trudno
wyobrazić sobie nasze Zycie. Jest to jeden
z podstawowych elementów ubioru człowieka. Obuwie
towarzyszy nam od początków rozwoju cywilizacji.
Początkowo jedynym zadaniem obuwia była ochronę
stóp i ułatwienie poruszania się w zróżnicowanym
terenie. Z czasem wymagania zmieniły się. Coraz
ważniejsza stała się funkcja wyróżniania właściciela,
a więc czynniki związane z modą. Obecnie nastąpiła
bardzo wielka specjalizacja obuwia. Mamy więc m.in.:
obuwie sportowe, do użytku w pracy, trekkingowe
i rekreacyjne, specjalne, powszechnego użytku.
Dodatkowym czynnikiem różnicującym współczesne
obuwie są materiały użyte do jego konstrukcji. Do
niedawna dominowała skóra naturalna. Rozwój chemii
i inżynierii materiałowej doprowadził do opracowania
wielu materiałów syntetycznych, zastępujących i
Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
uzupełniających ją z mniejszym lub większym
powodzeniem. Dla komfortu użytkowania, ocenianego
poprzez mikroklimat wnętrza bardzo duże znaczenia ma
rodzaj materiałów użytych na podszewkę cholewki.
Obecnie bardzo często stosowane są w tym celu
różnego rodzaju materiały tekstylne, włókniny
i dzianiny.
2. Badania
mikroklimatu
otoczenia
stopy
w obuwiu
Ocena jakości obuwia i jego wpływ na nasze
samopoczucie stanowi istotny problem badawczy [1-3].
W Instytucie Przemysłu Skórzanego tematyka ta jest
jedną z ważniejszych. Ocena poszczególnych
parametrów określających właściwości biofizyczne
materiałów na podstawie nieobligatoryjnej normy
stosowanej do oceny obuwia i materiałów obuwniczych
PN EN ISO 20344:2007 'Środki ochrony indywidualnej
– Metody badań obuwia' nie zapewnia syntetycznej
oceny własności biofizycznych obuwia. Według
wymagań tej normy dla wierzchu, podszewki
i języka obowiązkowym badaniem jest określenie
absorpcji, przepuszczalności i współczynnika pary
wodnej (a dla niektórych rodzajów obuwia bada się
absorpcję wody i przepuszczalność wody), natomiast
dla podpodeszwy i wyściółki określa się absorpcję
i desorpcję wody. Ważnym kierunkiem prac w tym
obszarze jest opracowanie nowych metod badawczych
i związanych z nimi procedur pomiarowych [4-7].
Badania obuwia na
człowieku, choć gwarantują
najbardziej zbliżone do rzeczywistości warunki
pomiaru, są bardzo kosztowne, pracochłonne
i obarczone niską powtarzalnością z uwagi na
występowanie indywidualnych różnic dotyczących
reakcji fizjologicznych, co wymaga stosowania
wielokrotnych serii pomiarowych z udziałem wielu
osób. Ponadto badania w ekstremalnych warunkach np.
przy dużych obciążeniach fizycznych w warunkach
niejednorodności środowiska termicznego zarówno
w ujemnych jak i dodatnich temperaturach środowiska
zewnętrznego wymagają nadzoru medycznego. Dlatego
też najnowszym kierunkiem badawczym jest
opracowanie modelu stopy człowieka, możliwie
dokładnie odwzorowującego cechy fizjologiczne stopy.
Obiecującym kierunkiem dla oceny własności
biofizycznych obuwia są badania z wykorzystaniem
sztucznego modelu stopy zapewniające jednoczesną
rejestracją parametrów sterujących i wynikowych
związanych z mikroklimatem w obuwiu [8-11].
Ogólnie podzielić można ten rodzaj narzędzi
badawczych na trzy grupy. Pierwsza generacja to
manekiny stojące , nie poruszające się i bez możliwości
symulacji procesu pocenia. Druga to manekiny mające
funkcję - poruszające się, ale bez możliwości pocenia.
Trzecia generacja to manekiny zarówno poruszające się
jak i pocące się - mające możliwość wydzielania na
swojej powierzchni wilgoci.
2. Nowa metoda badawcza opracowana w Instytucie
Przemysłu Skórzanego w Łodzi
W ramach współpracy z Politechniką Łódzką
zaprojektowano i wytworzono (firma ATT w Łodzi)
model sztucznej stopy z funkcją ruchu i wydzielania
wilgoci (rysunek 1 i 2). W odróżnieniu od znanych
manekinów stopy najistotniejszą cechą proponowanego
rozwiązania jest możliwość pełnego sterowania
w sposób ciągły emisją wilgoci w zakresie wartości
fizjologicznych. Ponad 600 miniaturowych emiterów
wilgoci usytuowanych w zewnętrznej polimerowej
powłoce modelu sztucznej stopy imitującej skórę jest
sterowanych grupowo w sześciu niezależnych strefach
wydzielania wilgoci. Tworzy to nową jakość
w budowie modelu sztucznej stopy i działaniu funkcji
wydzielania wilgoci. Należy podkreślić, że opisywane
w literaturze modele sztucznej stopy nie gwarantują
takich możliwości. Stosowane powszechnie elementy
pocące w postaci porowatych spieków nie zapewniają
kontrolowanego wydzielania wilgoci w zakresie
wartości fizjologicznych.
Rysunek 1. Widok modelu sztucznej stopy.
Aby uzyskać wiarygodne informacji o komforcie
fizjologicznym,
stanowisko wyposażono w sześć
punktów pomiaru temperatury i wilgotności względnej
(T/RH), umieszczonych w środku stref stałej emisji
wilgoci (rysunek 3).
37
Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
3. Stosowane procedury badawcze
W prowadzonych badaniach stosowano dwie procedury
badawcze:
I - ocena zdolności obuwia do odprowadzania
określonej masy wilgoci ze skarpetki jako stałego
elementu użytkowania układu stopa-obuwie przy stałej
wartości dostarczanej mocy do poszczególnych stref
stopy (W=const) i bez funkcji wydzielania wilgoci z
modelu sztucznej stopy.
II - ocena zdolności obuwia do odprowadzania
określonej masy wilgoci wydzielanej w jednostce czasu
z poszczególnych stref modelu sztucznej stopy przy
stałej wartości dostarczanej mocy do poszczególnych
stref stopy (W=const).
Rysunek 2. Ruch modelu stopy.
4. Obiekty badań
Do badań wytypowano trzy warianty
obuwia
skórzanego:
− trzewik do użytku w pracy (rysunek 4a),
− trzewik welurowy do użytku w pracy (rysunek
4b),
− trzewik militarny (rysunek 4c).
a)
b)
c)
Rysunek 4. Trzewiki zastosowane do badań: a)
roboczy, b) welurowy, c) militarny.
Rysunek 3. Usytuowanie czujników temperatury
i wilgotności względnej w strefach emisji wilgoci
Symulacja nacisku stopy ma na celu odtworzenie
zjawiska wymiany powietrza między butem
i otoczeniem. System akwizycji danych wraz
z komputerem i oprogramowaniem umożliwia
sterowanie i rejestrację w funkcji czasu i położenia na
powierzchni stopy następujących parametrów:
− Temperatury
− Ilości wilgoci na jednostkę powierzchni i czasu
(ml/cm2*h)
− Całkowitej ilości wilgoci emitowanego przez
symulator.
− Wilgotności względnej i temperatury w pięciu
punktach stopy
2
− Mocy na jednostkę powierzchni W/cm
− Mocy i energii doprowadzonej do symulatora
Wymiana ciepła i wilgoci z otoczeniem tych typach
obuwia odbywa się głównie poprzez cholewkę. Trzewik
do użytku w pracy jest typową powszechnie stosowaną
konstrukcja obuwia. Wykończenie wodoodporne (bukat
bydlęcy wodoodporny), zastosowanej skóry licowej
daje korzystne podwyższenie odporności na warunki
atmosferyczne, ale pogarsza walory higieniczne
obuwia. Wykonanie tego samego modelu z ze skóry
welurowej
(bukat welurowy) ma stworzyć
korzystniejsze warunki higieniczne dla stopy podczas
użytkowania. Obuwie militarne jest alternatywnym
wzorem obuwia również wykonanym z bukatu
welurowego
przeznaczonym
do
długotrwałej
eksploatacji w warunkach polowych.
5. Wyniki badań
Analizę porównawczą poszczególnych typów obuwia
dokonano na podstawie zmian wartości wilgotności
względnej w mikroklimacie w warstwie położonej
bezpośrednio przy skórze wykorzystując model
sztucznej stopy.
Na kolejnych rysunkach (rysunki 5–9) przedstawiono
wyniki badań (wg I procedury badawczej) zmian
38
Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
wartości wilgotności względnej w mikroklimacie
przyskórnym dla trzech przyjętych do badań wariantów
obuwia. Badania dokonano w warunkach statycznych
i dynamicznych tzn. bez ruchu stopy i z funkcją ruchu.
Niezmiennym
elementem w poszczególnych
wariantach badań była skarpetka wykonana z przędzy
bawełnianej z 20% udziałem jedwabiu poliestrowego
(wariant CO). Na rysunkach widoczne są różnice zmian
wilgotności względnej w mikroklimacie obuwia
wykonanego z różnych skór i o różnym przeznaczeniu
w warunkach bez ruchu stopy i podczas jej ruchu.
a)
Roboczy
Welur
Military
90
wilgotność względna RH [%]
80
70
60
50
40
30
0
50
100
150
200
250
czas t [min]
b)
Roboczy
Welur
Military
85
wilgotność względna RH [%]
80
75
70
65
60
55
50
45
40
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
czas t [min]
Rysunek 5. Porównanie wartości zmian wilgotności względnej w mikroklimacie na modelu sztucznej stopy
w dole stopy dla skarpetki jednowarstwowej z przędzy bawełnianej CO: a) brak ruchu stopy, b) ruch stopy.
Seria 1- trzewik do użytku w pracy, Seria 2- trzewik welurowy, Seria 3- trzewik militarny.
39
Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
a)
Roboczy
Welur
Military
80
wilgotność względna RH [%]
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
0
50
100
150
200
250
czas t [min]
b)
Roboczy
Welur
Military
85
wilgotność względna RH [%]
80
75
70
65
60
55
50
45
40
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
czas t [min]
Rysunek 6. Uśrednione wartości zmian wilgotności względnej w mikroklimacie na modelu sztucznej stopy
ze wszystkich stref dla skarpetki jednowarstwowej z przędzy bawełnianej CO: a) brak ruchu stopy, b) ruch
stopy;
Seria 1- trzewik do użytku w pracy, Seria 2- trzewik welurowy, Seria 3- trzewik militarny
40
Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
a)
Serie1
b)
seria 1
Serie2
90
90
80
wilgotność względna RH [%]
80
70
60
50
40
70
60
50
40
30
czas t [min]
175
158
140
123
105
87,5
70
52,5
200
35
100
0
30
0
17,5
wilgotność względna RH [%]
seria 2
czas t [m in]
Rysunek 7. Porównanie wartości zmian wilgotności względnej w mikroklimacie na modelu sztucznej stopy
dla trzewika roboczego i skarpetki jednowarstwowej z przędzy bawełnianej CO a) w dole stopy, b) dla całej
stopy
Seria 1- brak ruchu, Seria 2- podczas ruchu stopy
a)
b)
Serie1
Serie2
seria 1
85
80
80
75
wilgotność wzgledna RH [%]
70
65
60
55
50
45
70
65
60
55
50
45
192
czas t [min]
168
40
144
200
120
czas t [m in]
150
96
100
72
50
48
0
24
40
0
wilgotność względna RH [%]
75
seria 2
Rysunek 8. Porównanie wartości zmian wilgotności względnej w mikroklimacie na modelu sztucznej stopy
dla trzewika welurowego i skarpetki jednowarstwowej z przędzy bawełnianej CO: a) w dole stopy, b) dla
całej stopy; Seria 1- brak ruchu, Seria 2- podczas ruchu stopy
41
Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
a)
Serie1
b)
Serie2
seria 1
seria 2
85
80
80
75
75
wilgotność wzgledna RH [%]
wilgotność względna RH [%]
85
70
65
60
55
50
70
65
60
55
50
45
45
200
czas t [m in]
92
69
46
184
150
161
100
138
50
115
0
23
0
40
40
czas t [m in]
Rysunek 9. Porównanie wartości zmian wilgotności względnej w mikroklimacie na modelu sztucznej stopy
dla trzewika militarnego i skarpetki jednowarstwowej z przędzy bawełnianej CO: a) w dole stopy, b) dla
całej stopy; Seria 1- brak ruchu, Seria 2- podczas ruchu stopy.
Dla wariantu badań z funkcją ruchu symulującą
chodzenie (serie 2), wartości wilgotności względnej
w mikroklimacie są większe niż w przypadku badań
z wyłączoną funkcją ruchu. Transport wilgoci od
skarpetki w kierunku cholewki jest zakłócony. Podczas
docisku stopy do podpodeszwy, zgromadzona wilgoć
w warstwie zewnętrznej dzianiny przemieszcza się
poprzez warstwę wewnętrzną w kierunku stopy, co
skutkuje utrzymywaniem się wyższych wartości
wilgotności względnej w stosunkowo długim przedziale
czasu. Przy braku ruchu stopy tzn. w warunkach
statycznych,
transport
wilgoci
odbywa
się
jednokierunkowo od skarpetek do cholewki a następnie
odprowadzana jest do otoczenia. Z tego względu
wartości
wilgotności
względnej
w
warstwie
„przyskórnej” osiągają mniejsze wartości, gdyż brak
jest przemieszczania zwrotnego wilgoci w kierunku
stopy.
6. Podsumowanie
Na podstawie analizy uzyskanych rezultatów
stwierdzono że:
1. Podczas badań z udziałem obuwia wydłuża się czas
odprowadzania wilgoci w porównaniu do badań bez
jego udziału, przy czym dla
wariantu badań
z funkcją ruchu symulującą chodzenie, wartości
wilgotności
względnej
w
mikroklimacie
przyskórnym są większe niż w przypadku badań
z wyłączoną funkcją ruchu. Podczas docisku stopy
do podpodeszwy, zgromadzona wilgoć w warstwie
zewnętrznej dzianiny przemieszcza się poprzez
warstwę wewnętrzną w kierunku stopy, co skutkuje
utrzymywaniem się wyższych wartości wilgotności
względnej w stosunkowo długim przedziale czasu.
Natomiast w przypadku badań statycznych, wartości
wilgotności względnej w warstwie „przyskórnej”
osiągają mniejsze wartości, gdyż brak jest
przemieszczania zwrotnego wilgoci w kierunku
stopy.
2. Testowane warianty obuwia wykonane są ze skóry,
która od dawna uważana jest za najlepszy surowiec
do wytwarzania wysoko jakościowego obuwia
(w szczególności z zastosowaniem na elementy
cholewki). Badane trzewiki wykonane były z dobrej
jakości
skóry
naturalnej
(wg
kryteriów
obuwniczych) z dwóch inaczej wytworzonych
rodzajów skór oraz w przypadku skóry welurowej
nieco zmodyfikowana została konstrukcja obuwia
militarnego.
Obuwie to
zostało ocenione
42
Technologia i Jakość Wyrobów 59, 2014
wskaźnikowo, jako nie posiadające cech dających
użytkownikowi dyskomfort
7. Literatura
1. Tailby: „Building in comfort”, World S.
Footwear XI/XII 1998 Vol.12 nr 6, s. 15.
2. A. Wilford: „Footwear comfort”, World
Footwear III/IV 2000 Vol.13 No 5, s. 37.
3. S. Tailby: „Comfort footwear”,
World
Footwear III/IV 1997 Vol.11 nr 2, s. 16.
4. A. Wiltord: „Footwear Comfort – back to basic,
World Footwear IX/X 1999 Vol.12 nr 5, s.
37-42.
5. F. Langmaier: „Hygiena a komfort obuté
nohy”, Kozarstvi 1990 R. 40 nr 12 s.345349.
6. C. Nachiappan: „Komfort - das Schlagwort in
Schuhindustrie” Schuhtechnik Int. 1994 R.
88 nr 1/2 s.19.
7. Holmer I:. „Thermal manikins in research and
standards”, materiały z Third International
Meeting on Thermal Manikin Testing 3IMM
Sztokcholm, Szwecja, X 1999 s. 1-8.
8. A. Marszałek: „Zastosowanie manekinów
termicznych do badania komfortu cieplnego
człowieka”, Bezpieczeństwo Pracy, s.26-29, nr
10, 2002.
9. M. Konarska I in.: “Comparative Evaluation of
Clothing Thermal Insulation Measured on
a Thermal Manikin and on Volunteers”,
FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe April
/ June 2007, Vol. 15, No. 2 (61).
10. K. Sołtyński: „Współczesny manekin termiczny
jego
konstrukcja
i
zastosowanie:
BEZPIECZEŃSTWO
PRACY
nauka
i praktyka” 1/2000, str. 16-20.
11. I. B. Mekjavić: Static and Dynamic Evaluation
of Biophysical Properties of Footwear,
materiały z The Jozef Stefan Institute Sweating
Thermal Foot Manikin System, Lubjana 2007.
56