從力學角度-看高跟鞋的危害課件.pptx

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1、從力學角度看高跟鞋的危害摘要高跟鞋從發(fā)明以來流行了四百年依然備受青睞，優(yōu)勢突出。但是事實證明長期穿高跟鞋將會導致一系列疾病的產(chǎn)生。本文簡單介紹人體骨骼的特性，并由此展開對穿高跟鞋后足部以及膝蓋所受的作用力、力矩以及足上的應力分布的分析，從力學角度得出穿高跟鞋在理論上對人體的健康危害。背景·高跟鞋流行400年時尚時尚，總因時代而有別?？筛吒?6世紀面世以來，就一直流行了400年，至今為止，高跟鞋的地位猶如往昔。女士穿上高跟鞋，挺胸收腹，身姿挺拔，亭亭玉立，楚楚動人。然而與高跟鞋共舞，必將付出沉“痛”的代價。長期穿高跟鞋會給小腿及足部帶來慢性損傷以及會影響全身多個器官及臟器的功能。人

2、體骨骼系統(tǒng)概述骨骼系統(tǒng)是支撐軀體的框架，它可以保護內臟器官，并且為肌肉提供附著部位，同時骨與骨之間通過各種連接使身體各部位可以靈活地屈、仰、彎、轉。一個人全身共有206塊骨，活動越是靈敏的部位，骨塊越多。例如，1只手就有27塊骨，1只腳就有26塊骨。骨是一種非均勻的、各向異性的復合材料，其力學性能比一般工程材料復雜，我們在處理問題時要對其進行合理地簡化。骨的力學性能雖然骨是各向異性、非均勻的復合材料，但是骨的拉伸、壓縮、剪切、扭轉、疲勞壽命、斷裂韌性等與我們學過的其它工程材料基本相同。需要指出的是，在多數(shù)情況下，人體多數(shù)骨骼都處于受壓狀態(tài)。大量壓縮實驗都表明骨的受壓能力遠遠大于受拉能

3、力，這也是人類長期適應自然的結果。下面的討論中將涉及兩類力學性能：骨的疲勞性能，骨的斷裂韌性。足的簡介足具有獨特的性能，在需要的時候能使26塊骨變成單一的固定單位，使足成為剛體，也能在需要的時候像赤腳爬坡那樣變得十分柔軟靈活。正常狀態(tài)下，人在行走時，足的活動處于剛體和靈活易彎這兩個極端狀態(tài)之間。踝關節(jié)的簡介踝關節(jié)基本上是個單向關節(jié)，距骨主要在矢狀面上沿一橫軸活動，此軸自冠狀面向后偏離。此活動使足能背屈和跖屈。足部受力情況（站立相中）人在站立時，踝關節(jié)的受力情況可用右圖表示，其中W是人體重，A是跟腱力，J是關節(jié)反力。αJ0Aw足部受力情況（站立相中）人體在正常站立時，我們假設腳跟與腳尖

4、在同一水平面上；為簡化起見，假設人的重心及重力作用點為前腳掌著地處。由實驗數(shù)據(jù)得出，W作用點與A作用點距離踝關節(jié)的距離之比為4：1，現(xiàn)在分設為4a和a，腳掌與腳跟間夾角設為β。如右圖所示。實際中由于a與β在小范圍內變化不明顯，且其對結果影響不大，所以在下面的討論中假定它們?yōu)槎ㄖ?。足部受力情況（站立相中）穿高跟鞋時，令鞋跟高度為h，即腳跟相對于腳尖的高度為h。令α是跟腱力A和豎直方向的夾角，θ是關節(jié)反力J和豎直方向的夾角。由后面的分析可以得出α總是大于θ的。將這些量標于圖3中，從而分析θ角度與鞋跟高度h的關系。由上式很容易分析得出，0<θ<π/2時，θ是h的增函數(shù)。足部受力情況（站立相

5、中）分析關節(jié)反力J與θ的關系可得由圖可以看出，J在正常的θ范圍內，將隨著θ的增大而增大足部受力情況（站立相中）分析跟腱力A與θ的關系同時由上式可得由于，可得，作出A對θ的關系曲線如右圖?？芍?，A是θ的增函數(shù)隨著鞋跟高度增加，跟腱力A將變大。足部受力情況（站立相中）分析鞋跟受壓力N與θ的關系鞋跟受到腳跟在豎直方向上的正壓力。其大小等于A在豎直方向上的分力足部受力情況（站立相中）由的曲線可知腳跟處承受正壓力N先隨h增大而增加，在時有一極值。此后隨h繼續(xù)增大，N反而減小。足部受力情況（站立相中）定性分析膝關節(jié)處彎矩M與h的關系對膝關節(jié)處進行彎矩分析。因為關節(jié)反力J與跟腱力A均通過腳踝處關節(jié)

6、，因而膝蓋處彎矩只與重力極其作用點有關系。設重力對膝關節(jié)處力臂為s。所以，膝蓋處彎矩M＝Ws。當鞋跟高度h增加時，將會導致重心前移，因而s將增大，從而導致膝關節(jié)處彎矩M增大。由于無法具體知道s的數(shù)值，所以我們只能定性地分析得到M是h的增函數(shù)的結論。足部受力情況（站立相中）分析腳部應力與鞋跟高度的關系隨著鞋跟高度的增加，腳掌著地面積減少，其所受正壓力恒等于人自身重力W。由應力定義，，很容易得出應力將隨著鞋跟高度增加而迅速增大。下圖是是實驗人員通過光彈實驗，分析和計算得出的在不同跟高的情況下(分別為0.0cm，3.8cm，7.5cm，9.0cm)，足上的應力分布。從分析來看，隨鞋跟高度的

7、增加，跖趾部以及足弓部應力集中呈明顯增加趨勢。足部受力情況（站立相中）分析腳部應力與鞋跟高度的關系足部受力情況（站立相中）綜合以上對力、力矩以及應力的分析，我們可以看出隨著鞋跟高度h的增加，首先跟腱力A與豎直方向夾角α以及關節(jié)反力J與豎直方向夾角θ都將增大，繼而得出A與J也是隨之增大的。膝蓋處彎矩M也是鞋跟高度h的增函數(shù)。同時由試驗數(shù)據(jù)可以得出，足趾以及足弓處應力分布隨著鞋跟高度的增加呈明顯集中的趨勢。因而長期穿高跟鞋，將會加重腳的負荷，并由此導致各種生理