从力学角度-看高跟鞋的危害课件.pptx

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1、从力学角度看高跟鞋的危害摘要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对人体的健康危害。背景·高跟鞋流行400年时尚时尚，总因时代而有别。可高跟鞋自16世纪面世以来，就一直流行了400年，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，亭亭玉立，楚楚动人。然而与高跟鞋共舞，必将付出沉“痛”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及脏器的功能。人

2、体骨骼系统概述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。一个人全身共有206块骨，活动越是灵敏的部位，骨块越多。例如，1只手就有27块骨，1只脚就有26块骨。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，我们在处理问题时要对其进行合理地简化。骨的力学性能虽然骨是各向异性、非均匀的复合材料，但是骨的拉伸、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。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压能力远远大于受拉能

3、力，这也是人类长期适应自然的结果。下面的讨论中将涉及两类力学性能：骨的疲劳性能，骨的断裂韧性。足的简介足具有独特的性能，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。踝关节的简介踝关节基本上是个单向关节，距骨主要在矢状面上沿一横轴活动，此轴自冠状面向后偏离。此活动使足能背屈和跖屈。足部受力情况（站立相中）人在站立时，踝关节的受力情况可用右图表示，其中W是人体重，A是跟腱力，J是关节反力。αJ0Aw足部受力情况（站立相中）人体在正常站立时，我们假设脚跟与脚尖

4、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掌着地处。由实验数据得出，W作用点与A作用点距离踝关节的距离之比为4：1，现在分设为4a和a，脚掌与脚跟间夹角设为β。如右图所示。实际中由于a与β在小范围内变化不明显，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。足部受力情况（站立相中）穿高跟鞋时，令鞋跟高度为h，即脚跟相对于脚尖的高度为h。令α是跟腱力A和竖直方向的夹角，θ是关节反力J和竖直方向的夹角。由后面的分析可以得出α总是大于θ的。将这些量标于图3中，从而分析θ角度与鞋跟高度h的关系。由上式很容易分析得出，0<θ<π/2时，θ是h的增函数。足部受力情况（站立相

5、中）分析关节反力J与θ的关系可得由图可以看出，J在正常的θ范围内，将随着θ的增大而增大足部受力情况（站立相中）分析跟腱力A与θ的关系同时由上式可得由于，可得，作出A对θ的关系曲线如右图。可知，A是θ的增函数随着鞋跟高度增加，跟腱力A将变大。足部受力情况（站立相中）分析鞋跟受压力N与θ的关系鞋跟受到脚跟在竖直方向上的正压力。其大小等于A在竖直方向上的分力足部受力情况（站立相中）由的曲线可知脚跟处承受正压力N先随h增大而增加，在时有一极值。此后随h继续增大，N反而减小。足部受力情况（站立相中）定性分析膝关节处弯矩M与h的关系对膝关节处进行弯矩分析。因为关节反力J与跟腱力A均通过脚踝处关节

6、，因而膝盖处弯矩只与重力极其作用点有关系。设重力对膝关节处力臂为s。所以，膝盖处弯矩M＝Ws。当鞋跟高度h增加时，将会导致重心前移，因而s将增大，从而导致膝关节处弯矩M增大。由于无法具体知道s的数值，所以我们只能定性地分析得到M是h的增函数的结论。足部受力情况（站立相中）分析脚部应力与鞋跟高度的关系随着鞋跟高度的增加，脚掌着地面积减少，其所受正压力恒等于人自身重力W。由应力定义，，很容易得出应力将随着鞋跟高度增加而迅速增大。下图是是实验人员通过光弹实验，分析和计算得出的在不同跟高的情况下(分别为0.0cm，3.8cm，7.5cm，9.0cm)，足上的应力分布。从分析来看，随鞋跟高度的

7、增加，跖趾部以及足弓部应力集中呈明显增加趋势。足部受力情况（站立相中）分析脚部应力与鞋跟高度的关系足部受力情况（站立相中）综合以上对力、力矩以及应力的分析，我们可以看出随着鞋跟高度h的增加，首先跟腱力A与竖直方向夹角α以及关节反力J与竖直方向夹角θ都将增大，继而得出A与J也是随之增大的。膝盖处弯矩M也是鞋跟高度h的增函数。同时由试验数据可以得出，足趾以及足弓处应力分布随着鞋跟高度的增加呈明显集中的趋势。因而长期穿高跟鞋，将会加重脚的负荷，并由此导致各种生理