从力学角度-看高跟鞋的危害ppt课件.pptx
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1、 高跟鞋从发明以来流行了四百年依然备受青高跟鞋从发明以来流行了四百年依然备受青睐,优势突出。但是事实证明长期穿高跟鞋将睐,优势突出。但是事实证明长期穿高跟鞋将会导致一系列疾病的产生。本文简单介绍人体会导致一系列疾病的产生。本文简单介绍人体骨骼的特性,并由此展开对穿高跟鞋后足部以骨骼的特性,并由此展开对穿高跟鞋后足部以及膝盖所受的作用力、力矩以及足上的应力分及膝盖所受的作用力、力矩以及足上的应力分布的分析,从力学角度得出穿高跟鞋在理论上布的分析,从力学角度得出穿高跟鞋在理论上对人体的健康危害。对人体的健康危害。 时尚时尚,总因时代而有别。可高跟鞋时尚时尚,总因时代而有别。可高跟鞋自自16世纪面世
2、以来,就一直流行了世纪面世以来,就一直流行了400年,年,至今为止,高跟鞋的地位犹如往昔。女至今为止,高跟鞋的地位犹如往昔。女士穿上高跟鞋,挺胸收腹,身姿挺拔,士穿上高跟鞋,挺胸收腹,身姿挺拔,亭亭玉立,楚楚动人。亭亭玉立,楚楚动人。 然而与高跟鞋共舞,必将付出沉然而与高跟鞋共舞,必将付出沉“痛痛”的代价。长期穿高跟鞋会给小腿及足部的代价。长期穿高跟鞋会给小腿及足部带来慢性损伤以及会影响全身多个器官带来慢性损伤以及会影响全身多个器官及脏器的功能。及脏器的功能。 骨骼系统是支撑躯体的框架,它可以保护骨骼系统是支撑躯体的框架,它可以保护内脏器官,并且为肌肉提供附着部位,同内脏器官,并且为肌肉提供附
3、着部位,同时骨与骨之间通过各种连接使身体各部位时骨与骨之间通过各种连接使身体各部位可以灵活地屈、仰、弯、转。一个人全身可以灵活地屈、仰、弯、转。一个人全身共有共有206块骨,活动越是灵敏的部位,骨块块骨,活动越是灵敏的部位,骨块越多。例如,越多。例如,1只手就有只手就有27块骨,块骨,1只脚就只脚就有有26块骨。块骨。 骨是一种非均匀的、各向异性的复合材料,骨是一种非均匀的、各向异性的复合材料,其力学性能比一般工程材料复杂,我们在其力学性能比一般工程材料复杂,我们在处理问题时要对其进行合理地简化。处理问题时要对其进行合理地简化。 虽然骨是各向异性、非均匀的复合材料,但是虽然骨是各向异性、非均匀
4、的复合材料,但是骨的拉伸、压缩、剪切、扭转、疲劳寿命、断骨的拉伸、压缩、剪切、扭转、疲劳寿命、断裂韧性等与我们学过的其它工程材料基本相同。裂韧性等与我们学过的其它工程材料基本相同。 需要指出的是,在多数情况下,人体多数骨骼需要指出的是,在多数情况下,人体多数骨骼都处于受压状态。大量压缩实验都表明骨的受都处于受压状态。大量压缩实验都表明骨的受压能力远远大于受拉能力,这也是人类长期适压能力远远大于受拉能力,这也是人类长期适应自然的结果。应自然的结果。 下面的讨论中将涉及两类力学性能:骨的疲劳下面的讨论中将涉及两类力学性能:骨的疲劳性能,骨的断裂韧性。性能,骨的断裂韧性。 足具有独特的性能,在需要的
5、时候能使足具有独特的性能,在需要的时候能使26块骨变成单一的固定单位,使足成为块骨变成单一的固定单位,使足成为刚体,也能在需要的时候像赤脚爬坡那刚体,也能在需要的时候像赤脚爬坡那样变得十分柔软灵活。正常状态下,人样变得十分柔软灵活。正常状态下,人在行走时,足的活动处于刚体和灵活易在行走时,足的活动处于刚体和灵活易弯这两个极端状态之间。弯这两个极端状态之间。 踝关节基本上是个踝关节基本上是个单向关节,距骨主单向关节,距骨主要在矢状面上沿一要在矢状面上沿一横轴活动,此轴自横轴活动,此轴自冠状面向后偏离。冠状面向后偏离。此活动使足能背屈此活动使足能背屈和跖屈。和跖屈。 人在站立时,人在站立时,踝关节
6、的受力踝关节的受力情况可用右图情况可用右图表示,其中表示,其中W是人体重,是人体重,A是是跟腱力,跟腱力,J是关是关节反力。节反力。 J0Aw4 cosasinaxy 人体在正常站立时,我们假设脚跟与脚尖在同一水平人体在正常站立时,我们假设脚跟与脚尖在同一水平面上;为简化起见,假设人的重心及重力作用点为前脚面上;为简化起见,假设人的重心及重力作用点为前脚掌着地处。由实验数据掌着地处。由实验数据得出,得出,W作作 用点与用点与A作作用点距离踝关节的距离用点距离踝关节的距离 之比为之比为4:1,现在分设,现在分设为为4a和和a,脚掌与脚跟间,脚掌与脚跟间夹角设为夹角设为。如右图所示。如右图所示。实
7、际中由于实际中由于a与与在小范在小范围内变化不明显,且其对结果影响不大,所以在围内变化不明显,且其对结果影响不大,所以在下面的讨论中假定它们为定值。下面的讨论中假定它们为定值。 穿高跟鞋时,令鞋跟高度为穿高跟鞋时,令鞋跟高度为h,即脚跟相对于脚尖的高度为即脚跟相对于脚尖的高度为h。令令是跟腱力是跟腱力A和竖直方向的和竖直方向的夹角,夹角,是关节反力是关节反力J和竖直和竖直方向的夹角。由后面的分析可方向的夹角。由后面的分析可以得出以得出总是大于总是大于的。将这的。将这些量标于图些量标于图3中,从而分析中,从而分析角度与鞋跟高度角度与鞋跟高度h的关系。的关系。由上式很容易分析得出,由上式很容易分析
8、得出,0/2时,时,是是h的增函数。的增函数。 24242222sin2 (4 cos )68sin32sincos4sinaaaa h分析关节反力分析关节反力J与与的关系的关系可得可得由图可以看出,由图可以看出,J在正常的在正常的范围范围 内,将随着内,将随着的增大而的增大而增大增大 sinsin0JAFxcoscos0JAWFy/2cossincos()sinWWJctgtg 分析跟腱力分析跟腱力A与与的关系的关系同时由上式可得同时由上式可得由于由于 ,可得,可得 ,作出作出A对对的关系曲的关系曲线如右图。线如右图。可知,可知,A是是的增函的增函数随着鞋跟高度增加,数随着鞋跟高度增加,跟腱
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