Устройство, выполненное с возможностью встраивания в подошву обуви и действующее как средство амортизации, рассеивания энергии и стабилизации
DEVICE MADE WITH POSSIBILITY OF EMBEDDING IN SHOE SOLE AND ACTING AS MEANS OF SHOCK ABSORPTION, ENERGY DISSIPATION AND STABILIZATION

Предложенное изобретение относится к устройству, выполненному с возможностью встраивания в подошву обуви и действующему в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации.
Как известно, обувь изготавливают из двух основных элементов: верха и подошвы. Верх, который является верхней частью ботинка, специально предназначен для охватывания стопы эргономичным и удобным образом, в то время как подошва, часть, на которой лежит подошва стопы, предназначена для смягчения и стабилизации ходьбы. Для того чтобы гарантировать, что подошва способна надлежащим образом выполнять свои функции, ее обычно изготавливают из легкого, мягкого и гибкого среднего слоя, выполненного из вспененного материала, и более плотного протектора, способного обеспечить более высокую стойкость к истиранию и соответствующее трение с землей. Действительно, из биомеханических исследований известно, что в течение цикла ходьбы наиболее критической фазой для тела человека является постановка пятки, так называемый «удар пяткой», который является первым моментом взаимодействия ступни и грунта. В течение данной фазы пятка стопы выдвигается вперед и за долю секунды обрушивается на землю с силой, которая изменяется из раза в раз и соответствует половине веса тела человека, а при прыжке может быть и в пять раз выше. Сила реакции лишь частично ослабляется человеческим телом в результате трехмерного, сложного движения стопы между областью пятки и плюсневой костью, в то время как оставшаяся часть силы передается сначала к пятке, затем к лодыжкам, к коленям, к тазу, а затем постепенно вдоль позвоночника вверх до шейной области. Такая значительная сила реакции, если ее не смягчить соответствующим образом посредством подошвы с амортизирующими свойствами, может вызвать серьезные повреждения сухожильных и мышечно-скелетных структур пользователя. Данное требование является настолько значимым в области профессиональной безопасности (Средства Индивидуальной Защиты), что регулируется согласно нормам международного стандарта ISO 20345:2011, в котором предельные значения минимального поглощения энергии в области пятки установлены на уровне 20 Дж, так чтобы считать профессиональную обувь отвечающей требованиям стандарта.
Для смягчения и уменьшения отрицательного влияния сил реакции, образуемых во время взаимодействия ступни с грунтом, было предложено много решений.
Самые простые и дешевые известные решения представляют амортизирующие подошвы, состоящие из промежуточной подошвы, изготовленной из мягкого и легкого материала, главным образом, этиленвинилацетата (ЭВА) применительно к сфере спортивной обуви, и вспененного полиуретана (ВПУ), применяемого в сфере безопасности (средства индивидуальной защиты). Фактически, поскольку степени устойчивости и амортизации изменяются в зависимости от значений плотности и твердости материала, можно выбрать подходящую смесь для подошвы, обладающей заданными качествами.
Однако оптимизацию значений плотности и твердости выполняют в зависимости от предварительно заданной нагрузки. Поскольку указанные материалы, прежде всего ЭВА, отличаются пониженной упругостью, то окончательные характеристики подошвы не могут быть гарантированы в зависимости от прилагаемой нагрузки. Воздействие повторяющейся нагрузки или нагрузки выше заданной (например, у рабочего, вес тела которого превышает заданную нагрузку, и/или длительное использование) на обувь с промежуточной подошвой, изготовленной из ЭВА, может вызвать пластическую деформацию последней, в данном конкретном случае это будет уменьшение толщины промежуточной подошвы, что приведет к уменьшению предела заданной устойчивости и амортизации.
Модификация вышеупомянутой обуви, выполненной со средней подошвой, изготовленной из ЭВА, заключается в разработке подошв со специальными амортизирующими устройствами, такими как системы с пружинами или элементы, выполненные из термопластичного материала с эффектом геля, системы с воздушной подушкой или инкапсулированной жидкостью.
Первый пример такого типа представлен в патенте США №4768295, в котором описано решение, обеспечиваемое амортизирующими элементами, вставляемыми в дно подошвы, изготовленной из гелеобразных опорных элементов.
Второй пример представлен в патенте США №5493792, в котором описано решение, обеспечиваемое посредством амортизирующих элементов, вставляемых между промежуточной подошвой и протектором, выполненных с использованием инкапсулированной жидкости.
Другим примером является патент США №7832118, в котором описано решение, обеспечиваемое посредством амортизирующих элементов, вставляемых в промежуточную подошву, при этом некоторые из амортизирующих элементов сделаны из эластомерных материалов, а другие из термопластичного материала с гель-эффектом и высоким коэффициентом демпфирования.
Кроме того, в патенте США №6266897 описано решение, обеспечиваемое посредством амортизирующих элементов с трехмерной геометрией, вставляемых в протектор и заполненных несжимаемыми текучими средами, такими как газ или другие материалы наподобие жидкостей, пен, вязких материалов и/или вязкоупругих материалов.
В патенте США №5704137 описано решение, обеспечиваемое посредством гидродинамического опорного элемента, используемого в качестве амортизирующего элемента, вставляемого в подошву.
В патенте США №4934072 описано решение, обеспечиваемое опорным элементом, расположенным в области пятки, выполненным из герметичного элемента, разделенного на две камеры, одна из которых содержит смесь вязких жидкостей, а другая содержит газ.
В патенте США №4815221 описано решение, обеспечиваемое посредством амортизирующей системы, выполненной со шнурами, расположенными в области пятки.
В патенте США №4342157 описано решение, обеспечиваемое путем встраивания амортизирующих элементов с инкапсулированной жидкостью, такой как вода, глицерин или минеральное масло, располагаемых в нижней части промежуточной подошвы в области пяточной и плюсневой головок.
В патенте США №7000335 предложено решение, в котором рассматривается введение амортизирующего элемента в область пятки, обеспечиваемое посредством инкапсулированной текучей среды.
Однако все указанные решения имеют некоторые недостатки, в том числе ненадлежащую стабилизацию при ходьбе. По этой причине, в случае чрезмерной пронации или чрезмерной супинации стопы, такие конструкции изгибаются, главным образом, именно в зоне максимальной нагрузки и оказывают противодействие, способствуя движению стопы до возможного вывиха. Кроме того, данные конструктивные решения являются весьма дорогими из-за сложности их реализации.
Что касается обуви для предотвращения несчастных случаев, примером амортизирующей подошвы, являющейся альтернативой конструкции с промежуточной подошвой, изготовленной из вспененного полиуретана, является подошва, выполненная с помощью внедрения большого элемента, изготовленного из вспененного термопластичного полиуретана (E-TPU), в область пятки, прямо под сборной стелькой. Данное конструктивное решение относится к «пассивному» типу, то есть, обеспечиваемые данной конструкцией возможности поглощения энергии основаны исключительно на химических и физических свойствах материала, и реологическое поведение данной конструкции не может быть изменено управляемым образом с учетом изменения нагрузки. Такой известный элемент изготовлен из материала, продаваемого под названием «Infinergy», выпускаемого компанией «BASF» для спортивной отрасли. Данный гиперэластичный материал был испытан в соответствии со стандартом ISO 8307 (определение эластичности по отскоку мяча) и стандартом DIN 53512 (испытание полимера с помощью балометра). Для спортивных областей применения, для которых был разработан материал, испытания, проведенные на этом типе подошвы, выявили, что во время фазы, предшествующей отделению пятки, материал реагирует на уменьшение нагрузки путем импульсной реакции, также известной как эффект «отскока». Если, с одной стороны, такое поведение является действительно полезным и значимым в области спорта (бег, волейбол, баскетбол), поскольку способствует и поддерживает двигательную фазу процесса бега или прыжка, то с другой стороны, данное поведение может быть очень угрожающим в сфере «безопасности», где обувь должна рассеивать поглощенную энергию во время прыжка, не передавая энергию обратно в виде импульсного усилия. Действительно, для областей применения, связанных с безопасностью, фаза, предшествующая «отрыву пятки», то есть, момент, упреждающий отделение пятки от земли, становится столь же критичной, что и фаза опоры пятки на землю, называемая «удар пяткой». Для того чтобы ходьба была расслабляющей и комфортной, во время данной стадии подошва должна реагировать на уменьшение нагрузки путем модулированного нажима, зависящего от веса, который помогает и сопровождает постепенный подъем пятки. В противном случае, реакция импульсного типа в данной фазе может вызывать микротравмы сухожильных и мышечно-скелетных структур, таким образом, нанося вред пользователю. Это еще более актуально для рабочего, который должен сделать прыжок, чтобы преодолеть разницу в высоте, возможно, неся очень тяжелое оборудование или грузы различного типа. Более того, технологические ограничения, связанные с низкой плотностью формования вышеуказанного материала (200-300 г/л), уже упомянутые в качестве благоприятного условия для спортивной обуви, особенно применительно к обуви для соревнований, также приводят к образованию очень пластичного изделия, вызывающего гиперпронацию или гиперсупинацию в случае децентрализованной нагрузки относительно центра пятки, и в результате к высокой вероятности вывиха в лодыжке.
Другой тип решения, который применяется в сфере «безопасности», представлен подошвами, полученными путем внедрения в область пятки специальных, поглощающих удар устройств из термопластичного материала с гель-эффектом. Несмотря на то, что указанные изделия специально разработаны для этой цели, они характеризуются определенной геометрией, которая не изменяется в соответствии с оказываемым давлением. Поэтому, даже в этом случае, указанные изделия работают в «пассивном» режиме, то есть, их способность поглощать энергию основана исключительно на химических и физических характеристиках материала, и реологическое поведение данных изделий не может быть изменено управляемым образом по мере изменения нагрузки. Следовательно, известные на сегодняшний день решения не обладают механическим откликом на приложенное давление, необходимым для того, чтобы избежать таких проблем, как вывихи или неправильное позиционирование стопы во время ходьбы. Соответственно, возможность модулирования механической ответной реакции устройства в соответствии с нагрузкой может быть определена, по аналогии, как «активный» режим работы. Устройств, функционирующих таким образом, еще не существует в известном уровне техники.
Кроме того, известно устройство, описанное в Европейском патентном документе ЕР12192518.4, от компании «Arbesko», продаваемое под названием «Energy Gel». Данное устройство имеет прямоугольную форму с размерами, составляющими приблизительно 40 × 50 × 15 мм, изготовлено из очень упругого термопластического материала, вставляемого под подошву стопы и заклиниваемого в отверстии, образованном в стельке и в полиуретановой подошве. Целью изобретения от компании «Arbesko» является увеличение поглощения энергии благодаря повышенной способности к упругой деформации по сравнению с окружающим данный материал полиуретаном.
Другой известный пример, очень похожий на продукт от компании «Arbesko», описан в Европейском патентном документе, предложенном компанией «Steitz Secura», в документе DE 10 2005 037781. 5, и называется «Vario System». И в этом случае амортизирующий элемент выполнен из термопластичного материала с эффектом упругости, очень мягкого, вставляемого под подошву стопы и заклиниваемого в отверстии, образованном в стельке и в полиуретановой подошве. Форма данного элемента имеет вид груши, и размер подобен размеру изделия от компании «Arbesko». В отличие от последнего, продукт от компании «Steitz» доступен в четырех вариантах, причем каждый из них характеризуется в той или иной степени пластичным материалом, в зависимости от веса тела пользователя.
Для обоих упомянутых изобретений можно указать на некоторые ограничения, связанные с уменьшенными габаритными размерами этих изобретений и реологическими характеристиками материала, из которого они изготовлены. Фактически, в результате небольших размеров, которые имеют предметы обоих изобретений, поглощающая способность ограничена областью подошвы под пяточной костью. В реальных условиях надавливания пятка опускается на данный небольшой, легко деформируемый элемент, в то время как окружающая часть стопы ударяется об остальную часть подошвы, которая изготовлена из более жесткого материала. Отсюда следует, что измеренная в результате динамометрических лабораторных испытаний энергия оказывается выше, чем энергия, фактически воспринимаемая пользователем в условиях реальной эксплуатации изделия. Действительно, динамометрические инструменты фокусируют усилие, приложенное на площадь, меньшую, чем размеры предметов изобретений.
Более того, такая значительная разница между жесткостью подошвы в сравнении с жесткостью предмета изобретения причиняет неудобство пользователю, который испытывает менее комфортные ощущения, явно чувствуя переход между двумя элементами.
Кроме того, нельзя игнорировать и гибкость такого рода материалов, которые, демонстрируя явно упругую реакцию, проявляют импульсную силу, пропорциональную количеству поглощенной энергии.
Это создает максимум давления на пятку пользователя, и как следствие, микроудары, которые могут возникать при каждом шаге.
Кроме того, при введении под подошву стопы и вкладывании в отверстие, образованное в стельке и в подошве обуви, использование изобретений данного типа ограничено для сферы безопасности, поскольку данные решения не позволяют размещать защитную вставку, изготовленную из ткани, используемой в настоящее время в качестве стельки, вставляемой почти во всю защитную обувь от европейских производителей.
Решение указанных проблем описано в патенте США №5718063, в котором представлена единая конструкция или деталь и прикрепленный к ней верх. Подошва включает промежуточную подошву, которая поглощает усилие, и гибкую износостойкую подошву. Промежуточная подошва включает по меньшей мере амортизирующий элемент, выполненный из вязкоупругого материала (типа геля, предпочтительно силикон), и элемент регулирования состояния амортизирующего элемента, причем амортизирующий элемент расположен на регулирующем элементе.
Следующее решение указанных проблем описано в заявке на патент США №2003208929, который относится к подошве обуви, в частности спортивной обуви, подошва которой имеет кассетную систему амортизации, включающую пластину, которая распределяет нагрузку, и деформационные элементы, расположенные в области переднего отдела подошвы стопы для обеспечения опоры и/или амортизации данного отдела. Подошва обуви может включать вторую кассетную систему амортизации, которая включает вторую пластину, предназначенную для деформации при нагрузке, и функциональные элементы, расположенные в пяточной области подошвы обуви для приведения стопы в нейтральное положение после первого контакта с землей.
Другое решение указанных проблем было описано в патенте DE 19836657, который имеет отношение к полипропиленовой, биаксиально ориентированной многослойной пленке, включающей промежуточный слой, содержащий восковую массу, которая обеспечивает хорошие барьерные свойства и высокую яркость.
Однако в вышеупомянутом типе подошв воздух не может выходить из полых пространств амортизирующего элемента, поскольку система является герметичной. По этой причине воздух находится во взаимодействии во время фазы сжатия, не допуская оптимального управления механической реакцией подошвы.
Кроме того, в известных решениях существуют проблемы, связанные с незначительным восприятием комфорта, ощущаемого пользователем, что обусловлено небольшими размерами и устойчивостью пятки вдоль направления большеберцовой кости/малоберцовой кости, для того чтобы предотвратить переход движения мышц пронаторов (или мышц супинаторов) в вальгусное (или варусное) отклонение с вытекающей высокой вероятностью растяжений в области лодыжки, или изменениями времени реакции предмета изобретения относительно уменьшения нагрузки, так чтобы нажим, передаваемый пятке во время фазы, предшествующей отрыву от земли, являлся достаточным и согласованным с биомеханической точки зрения.
Другое решение описано в патенте США 5086574, в котором представлена система смягчения ударного воздействия, применяемая в спортивной обуви, имеющая полый корпус, выполненный из гибкого эластомерного материала, более мягкого и более упругого по сравнению с материалом стельки спортивной обуви, и размещаемая с возможностью удаления в полости, образованной в пяточной области обуви. Внутренние и внешние поверхности по бокам корпуса представляют собой плавные и однородные поверхности, при этом выполнен верхний закрывающий элемент с нависающим язычком, который ложится на стельку. В корпус вставляется один или более выполненных с возможностью замены демпфирующих дисков, которые удерживаются в корпусе посредством закрывающего элемента, имеющего проходящие вниз штифты, предназначенные для взаимодействия с канавкой, образованной в диске, и периферийным фланцем на нижнем конце корпуса. В данном патенте описана подошва, имеющая такую форму, что может быть обеспечена лишь вертикальная деформация. Механическая ответная реакция демпфирующей системы, описанной в патенте США 5086574, является упругой и направлена вертикально, что типично для ответной реакции спортивной обуви.
Другое решение представлено в патенте США 2008263894, в котором описана подошва обуви, включающая элементы для поглощения толчкового воздействия, отходящие от верхней и нижней пластин. В одном варианте выполнения элементы для поглощения толчкового воздействия включают приемные элементы, проходящие от нижней пластины, и выступы, проходящие от верхней пластины. Каждый выступ взаимосвязан с одним приемным элементом, и часть каждого выступа проходит в приемный элемент. Каждые взаимосвязанные выступ и приемный элемент окружены упругой оболочкой. В другом варианте выполнения элементы для поглощения толчкового воздействия проходят от перемычки, выполненной на одной из верхней и нижней пластин. В любом случае, в указанном патенте не обсуждаются сквозные отверстия и каналы, способные обеспечивать выталкивание воздуха, когда устройство подвергается сжимающей нагрузке.
Недостаток указанных решений заключается в том, что воздух не может эффективно выходить из обуви в процессе сжатия при эксплуатации изделия пользователем.
Другая проблема известных решений заключается в том, что подошва не может выдерживать высокую нагрузку и действовать в качестве средства стабилизации и сообщения движения, не обеспечивая оптимального управления механическим откликом подошвы.
Целью настоящего изобретения является создание устройства, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви, действующего в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации и обеспечивающего эффективный выпуск воздуха из обуви в процессе сжатия пользователем.
Целью настоящего изобретения является создание устройства, имеющего геометрические и механические характеристики, обеспечивающие возможность получения реакции разного типа в зависимости от величины воздействующей на него нагрузки, обеспечивая оптимизированное механическое поведение и распределение нагрузок и напряжений, являясь практичным, комфортным и функциональным как при стоянии пользователя на месте, так и при ходьбе или при выполнении прыжка, тем самым, обладая характеристиками, обеспечивающими устранение ограничений, которым все еще подвержены известные системы для амортизации, рассеивания энергии и стабилизации.
Согласно настоящему изобретению, предложено устройство, выполненное с возможностью встраивания в подошву обуви и действующее в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, как заявлено в п. 1 формулы изобретения.
Для лучшего понимания настоящего изобретения далее описан предпочтительный вариант выполнения изобретения, исключительно в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на Фиг. 1 изображен трехмерный схематический вид сверху в разобранном состоянии первого варианта выполнения устройства согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви, действующего в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации;
- на Фиг. 2 изображены схематические виды в разрезе по линиям А-А, В-В, С-С, D-D устройства согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви и действующего в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, в момент, предшествующий фазе «удара пяткой», то есть, до приложения нагрузки;
- на Фиг. 3 в разрезе изображено устройство согласно изобретению, выполненное с возможностью встраивания в подошву обуви и действующее в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, до (А) и после (В) приложения нагрузки;
- на Фиг. 4 изображен вид сверху в аксонометрии второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви и действующего в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации;
- на Фиг. 5 изображен вид снизу в аксонометрии второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви и действующего в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации;
- на Фиг. 6а - Фиг. 6b изображен вид сверху второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, представленного на Фиг. 4 и Фиг. 5, и амортизирующего элемента в соответствии со вторым вариантом выполнения;
- на Фиг. 7 изображен в разрезе по линиям А-А, В-В, С-С, D-D и Е-Е второй вариант выполнения устройства согласно изобретению, представленного на Фиг. 4 и Фиг. 5;
- на Фиг. 8 изображен в разрезе по линии А-А детальный вид устройства согласно изобретению, представленного на Фиг. 7;
- на Фиг. 9а - Фиг. 9е изображены виды в разрезе и сверху частей устройства согласно второму варианту выполнения изобретения, представленного на Фиг. 5 и Фиг. 6;
- на Фиг. 10 изображены рабочие диаграммы на стадии сжатия для второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, представленного на Фиг. 4 и Фиг. 5;
- на Фиг. 11а - Фиг. 11с изображены полученные диаграммы для второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, представленного на Фиг. 4 и Фиг. 5, соответственно, в состоянии покоя (Фиг. 11а) и при использовании (Фиг. 11b и Фиг. 11с);
- на Фиг. 12 изображены схематические виды сверху и сбоку второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, с указанием соотношений в зависимости от различных размеров обуви;
- на Фиг. 13 изображены геометрические параметры для второго варианта выполнения устройства согласно изобретению, в продольном и поперечном разрезе;
- на Фиг. 14 изображены схематические виды устройства согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви и действующего в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, применительно к левой и правой подошвам обуви.
Со ссылкой на чертежи, в частности, на Фиг. 1, на которой показан первый вариант выполнения устройства 200 согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви и действующего в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации.
В частности, устройство 200, 300, выполненное с возможностью встраивания в подошву обуви и действующее в качестве средства амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, как изображено на Фиг. 1 и Фиг. 4, представляет собой модульное устройство, содержащее амортизирующий элемент 201, 301, выполненный из первого материала, имеющего вязкоупругие свойства, и расположенный поверх элемента 202, 302 регулирования состояния амортизирующего элемента 201, 301. Регулирующий элемент 202, 302 выполнен из второго материала, имеющего вязкоупругие свойства, и более жесткого, чем указанный первый материал, из которого изготовлен амортизирующий элемент 201, 301.
Кроме того, согласно аспекту изобретения устройство 200, 300 содержит охватывающий элемент 203, 303, расположенный над амортизирующим элементом 201, 301 и обхватывающий также регулирующий элемент 202, 302.
Устройство 200, 300 образовано посредством негерметичной связи между амортизирующим элементом 201, 301, регулирующим элементом 202, 302 и охватывающим элементом 203, 303, обеспечивая протекание воздуха, содержащегося в заранее определенных пустотах, например, множестве отверстий 201g, 201h и каналов 201i, заключенных между амортизирующими элементами 201, 301 и регулирующими элементами 202, 302, когда устройство 200, 300 подвергается сжимающей нагрузке в процессе использования. Фактически, когда устройство при использовании подвергается воздействию сжимающего напряжения, например, в результате ходьбы пользователя, воздух, присутствующий в пустотах в состоянии покоя, вытекает из множества отверстий 201g, 201h, 301g, 301h и каналов 201i, 301i, образованных в амортизирующем элементе 201, 301 ив регулирующем элементе 202, 302.
Преимущественно, указанное множество отверстий и каналов, а также негерметичное соединение между элементами дает возможность устройству 200, 300 механическим образом, контролируемо и независимо от наличия воздуха, реагировать на сжимающие напряжения.
Согласно аспекту изобретения регулирующий элемент 202, 302 выполнен из гибкого материала, однако обладающего не пренебрежимым свойствами жесткости.
Согласно другому аспекту изобретения, охватывающий элемент 203, 303 выполнен из гибкого материала, однако обладающего не пренебрежимым свойствами жесткости.
Предпочтительно, регулирующий элемент 202, 302 и охватывающий элемент 203, 303 выполнены из материала, выбираемого из нижеперечисленного: полиуретан, резина, ТПУ (термопластичный полиуретан), ЭВА (этиленвинилацетат), полипропилен и другие материалы, пригодные для использования.
В частности, эффект негерметичного соединения между элементами позволяет устройству 200, 300 обеспечивать выход воздуха и, следовательно, контролируемую механическую реакцию на сжимающие напряжения, вне зависимости от присутствия воздуха. Данного негерметичного соединения достигают с помощью предварительно заданного чередования областей, заполненных вышеупомянутым материалом, и областей, в которых нет указанного материала и которые являются по существу полыми и, следовательно, пустыми.
Например, амортизирующий элемент 201 и 301, фактически, состоит из конструкции, которая содержит заранее определенное чередование первых областей, заполненных первым вязкоупругим материалом, и первых областей, не имеющих первого вязкоупругого материала, выполненных с возможностью сообщения с соответствующим, предварительно заданным чередованием вторых областей, не имеющих второго вязкоупругого материала, и вторых областей, заполненных вторым вязкоупругим материалом, или выступов регулирующего элемента 202 и 302, когда устройство 200, 300 подвергается сжимающей нагрузке. Таким образом, равновесное состояние указанных областей амортизирующего элемента 201 и 301 и регулирующего элемента 202 и 302 обеспечено таким образом, что позволяет воздуху протекать из пустых областей и создавать необходимую деформацию амортизирующих элементов 201 и 301 и регулирующих элементов 202 и 302, придавая заданные механические характеристики устройству 200, 300.
Согласно аспекту изобретения, вторые пустые области регулирующего элемента 202, 302 представляют собой множество вторых отверстий 201h, 301h и каналов 201i, 301i, обеспечивающих возможность деформации амортизирующего элемента 201 и 301 и его регулирования управляемым образом. Также имеются вторые отверстия и меньшие каналы, выполненные с возможностью выброса воздуха, содержащегося внутри устройства, когда данное устройство подвергается сжимающему усилию. Кроме того, регулирующий элемент 202 и 302 содержит периферийные верхние выступы, имеющие разную высоту для дифференцированной поддержки, действуя в качестве опоры. И, наконец, поверхности периферийных верхних выступов наклонены, образуя центральную вогнутую поверхность, выполненную с возможностью реагирования на приложение внешнего усилия нагрузки и выпрямления ступни по направлению к центру пятки, что позволяет устройству в ответ на приложение нагрузки реагировать центростремительной силой реакции, способной выровнять любые нагрузки, смещенные относительно центра пятки.
Согласно аспекту изобретения амортизирующие элементы, 201, 301, регулирующие элементы 202 и 302 и охватывающие элементы 203 и 303 имеют по существу овальную форму. В частности, охватывающий элемент 203 и 303 имеет вогнутую поверхность, которая повторяет кривизну пятки, и вместе с регулирующим элементом 202 определяет объем, внутри которого может выгибаться амортизирующий элемент 201.
Согласно второму варианту выполнения устройства 200 согласно изобретению, как изображено на Фиг. 1, охватывающий элемент 203 имеет центральное вентилирующее отверстие 203а, а амортизирующий элемент 201 имеет центральный выступ 201а, который может быть соединен с указанным центральным отверстием 203а.
Согласно изобретению, центральное отверстие 203а охватывающего элемента 203 преимущественно усиливает комфортные ощущения, испытываемые пользователем, и облегчает выпуск воздуха в процессе использования. В качестве альтернативы, эту же функцию охватывающего элемента 203 может выполнять непосредственно промежуточная подошва обуви.
Согласно изобретению, форма регулирующих элементов 202, 302 и охватывающих элементов 203, 303, преимущественно, влияет на механическое поведение элементов 201, 301 посредством заранее определенной последовательности расположения частей, заполненных материалом, и пустых частей в виде отверстий и каналов, легко компенсируемых.
Согласно изобретению, материалы, из которых выполнены амортизирующий элемент 201, 301, регулирующий элемент 202, 302 и охватывающий элемент 203, 303, а также их форма, преимущественно, позволяют устройству 200, 300 обеспечивать «активный» режим работы, то есть, в зависимости от величины воздействующей на устройство нагрузки можно получать разную ответную реакцию. Данный активный режим работы, обусловленный формой и материалами, из которых выполнено устройство 200, 300, предотвращает возникновение растяжений, вывихов и травм. Таким образом, устройство 200, 300 отличается от уровня техники, представляющего упомянутые «пассивные» системы, то есть, системы, способные поглощать энергию посредством исключительно химико-физических характеристик материала. Известные устройства и системы также имеют реологические свойства, которые невозможно модулировать регулируемым образом при изменении нагрузки.
Согласно аспекту изобретения, амортизирующий элемент 201 и 301 выполнен из материала, обладающего высокой способностью к упругой деформации, и выполнен с возможностью расположения в области, находящейся под пяткой пользователя. При этом, амортизирующий элемент 201 и 301 улучшает характеристики поглощения энергии устройством 200 и 300 в процессе нагрузки («удар пяткой»), смягчая и замедляя скорость удара между пяткой пользователя и грунтом. Амортизирующий элемент 201, 301 выполнен из материала, обладающего реологическими свойствами, обеспечивающими задержку реакции в ответ на изменение нагрузки. Следовательно, во время фазы, предшествующей моменту «отрыва пятки», то есть, моменту, предшествующему отсоединению пятки, устройство 200 и 300 может постепенно возвращать поглощенную энергию и образовывать биомеханически совместимое давление, которое является комфортным, предотвращает усталость и, прежде всего, не вредит сухожилиям пользователя и его опорно-двигательному аппарату.
Согласно изобретению, отверстия и каналы, образованные в регулирующем элементе 202, 302 и в охватывающем элементе 203, 303, преимущественно, облегчают выпуск воздуха, который со временем накапливается в пустых пространствах. Другая функция указанных отверстий и каналов заключается в обеспечении возможности деформации амортизирующего элемента 201, 301, также вследствие наличия пустых областей, которые действуют как места расширения амортизирующего элемента и которые определяют форму и геометрию устройства, значительно повышая способность устройства 200 и 300 к рассеиванию энергии. Фактически, только часть энергии, поглощенной в процессе приложения нагрузки, будет передаваться пользователю во время разгрузочной фазы или фазы, предшествующей отделению пятки, в виде давления, которое способствует подъему пятки («отрыву пятки») биомеханически согласованным образом.
Согласно изобретению, регулирующий элемент 102, 202 и 302 выполнен из второго вязкоупругого материала, более компактен по сравнению с другими элементами, и его форма, наряду с ограничивающей функцией охватывающего элемента 203 и 303, заставляет все силы реакции сходиться в одной точке. При этом пятка всегда выносится по оси вдоль направления большеберцовой кости/малоберцовой кости, независимо от направления оказываемого напряжения (пронация или супинация).
На Фиг. 4 изображено поперечное сечение, например, устройства 200 (но то же самое применимо к устройству 300) до приложения нагрузки (Фиг. 3А) и после приложения нагрузки (Фиг. 3В). До приложения нагрузки (Фиг. 3А) устройство 200 находится в несжатом состоянии; элементы 202 и 203 определяют объем, в котором может деформироваться амортизирующий элемент 201. На Фиг. 3 стрелками показаны направления деформации амортизирующего элемента 201. В следующей фазе на к устройству 200 приложена нагрузка F сжатия (Фиг. 3В); амортизирующий элемент 201 деформируется в соответствии с направлениями, указанными на Фиг. 3А, до тех пор, пока форма указанного элемента не будет совместно ограничена компонентами 202 и 203. Стрелками на Фиг. 3В показано направление сил реакции устройства 200 при приложении нагрузки. Благодаря геометрии и форме элементов 202 и 203 силы реакции сходятся в одной точке, действуя таким образом, чтобы возвращать назад любые нагрузки, смещенные относительно центра пятки или имеющие направление, отличное от базового состояния, обеспечивая стабилизацию пятки вдоль направления большеберцовой кости/малоберцовой кости.
Заявитель доказал, что во время сжатия устройства 200, 300 пользователем могут быть выявлены три типа состояний:
- Низкие нагрузки: это состояние нагрузки, соответствующее неподвижному положению пользователя или состоянию во время ходьбы. В данной фазе реакция устройства 200, 300 характеризуется низким модулем упругости (который соответствует высокой упругой деформации при пониженных нагрузках). В данном состоянии устройство 200, 300 замедляет скорость удара пятки по земле и легко деформируется. В случае, когда пользователь стоит вертикально, устройство смягчает все небольшие движения, тем самым, уменьшая опасные напряжения, которые могут передаваться к скелетно-мышечному аппарату пользователя. Во время данной фазы работает, большей частью, упругая составляющая устройства 200, 300, таким образом, значительная часть энергии будет возвращена пользователю во время фазы снятия нагрузки, посредством модулированного нажима, для облегчения и разгрузки ходьбы.
- Средние нагрузки: это состояние нагрузки, соответствующее быстрой ходьбе пользователя, возможно переносящего тяжелое оборудование. В данной фазе амортизирующий элемент 201, 301 деформируется в соответствии с геометрией, определяемой как элементами 202, 302, так и элементами 203, 303. Механический отклик устройства 200, 300 характеризуется более высоким модулем упругости, увеличивается демпфирующая составляющая, и значительная часть энергии, поглощенной в этой фазе, будет рассеяна и поэтому не будет возвращена пользователю во время фазы разгрузки.
- Высокие нагрузки: это базовое состояние пользователя во время прыжка, возможно при переносе тяжелого оборудования. В данной фазе амортизирующий элемент 201, 301 продолжает деформироваться и начинает оказывать давление также на боковую часть охватывающего элемента 203, 303. Механическое состояние устройства 200, 300 характеризуется еще более высоким модулем упругости. Во время этой фазы используется, главным образом, демпфирующая составляющая устройства 200, 300, поэтому значительная часть энергии будет рассеяна и не будет возвращена пользователю во время фазы разгрузки. На самом деле, во время фазы декомпрессии возникает запаздывание отклика устройства. Таким образом, устройство 200, 300 не сразу восстанавливает деформации, вызванные сжатием, при снятии нагрузки данный тип механического поведения устройства обеспечивает биомеханически совместимое давление на пятку пользователя.
На Фиг. 4 и Фиг. 5 показан третий вариант выполнения, в котором устройство 300 содержит амортизирующий элемент 301, имеющий по существу овальную форму и содержащий центральную плоскую область 301а по существу овальной формы, в которой выполнены первые сквозные отверстия 301f и дополнительные каналы 301fa, обеспечивающие улучшенный проход воздуха внутри устройства 300 и подошвы; а также регулирующий деформационный обод 301b, предназначенный для управляемой деформации, расположенный на периферии относительно центральной области 301а и имеющий множество вторых сквозных отверстий 301с (показано на Фиг. 6), по меньшей мере восемь отверстий, и попарно сгруппированные между ними С-образные боковые выступы 301d, по меньшей по мере четыре выступа с каждой стороны. Кроме того, регулирующий деформационный обод 301b имеет по меньшей мере четыре расположенных сзади С-образных выступа 301е, сгруппированных между боковыми выступами, при этом все расположенные сзади выступы проходят от верхней поверхности к нижней поверхности амортизирующего элемента 301. Выступы 301d, 301е проходят от верхней поверхности к нижней поверхности амортизирующего элемента 301. Элемент 302 для регулирования состояния устройства 300 представляет собой плоский элемент, имеющий в верхней своей части центральную полую область 302а, выполненную с возможностью взаимодействия с центральной плоской областью 301а, и периферическую область, имеющую множество боковых выступов 302b, предпочтительно по два с каждой стороны, и задний выступ 302с. Более того, все выступы 302b и 302с расположены на некотором расстоянии от пустых участков 302d, по меньшей мере, четырех участков, принимая амортизирующий элемент 201, 301 и образуя для него гнездо, позволяющее указанному элементу деформироваться при приложении усилия нагрузки.
Охватывающий элемент 303 представляет собой полый изнутри элемент, на верхней поверхности которого имеется центральное отверстие 303а. Внутри центрального отверстия 303а заключены центральные области 301а и 302а, соответственно, амортизирующего элемента 301 и регулирующего элемента 302.
Согласно изобретению, центральное отверстие 303а охватывающего элемента 303 преимущественно выполняет функцию повышения комфорта пользователя и облегчения выпуска воздуха в процессе эксплуатации подошвы, включающей устройство 300.
Согласно изобретению, два из выступов 301d и 302b, преимущественно, расположены с внутренней боковой стороны подошвы и приносят пользу в случае вальгусной постановки стопы, а два других выступа 301d и 302b расположены на наружной боковой стороне подошвы и полезны в случае пронаторной постановки стопы.
Согласно изобретению, задние выступы 301е и 302с, преимущественно, обеспечивают возможность стабилизации стопы для обеспечения движения и благоприятствования ходьбе во время фазы «отрыва пятки».
Согласно изобретению, выступы 301d, 301e, 302b и 302с, преимущественно, оптимизируют и повышают степень комфорта для стопы пользователя.
На Фиг. 6 показан вид сверху устройства 300 и вид сверху амортизирующего элемента 301, причем показаны три разных по функциональности участка амортизирующего элемента 301. На Фиг. 7 показан вид в разрезе устройства 300, в частности, по линии А-А, В-В, С-С, D-D и Е-Е, при этом показаны соотношения между высотой амортизирующего элемента 301 и высотой регулирующего элемента 302 для трех зон, представленных на Фиг. 6. В частности, зона 1 обозначает область, соответствующую центральной плоской области 301а амортизирующего элемента 301, зона 2 обозначает область, соответствующую боковым С-образным выступам 301d, и зона 3 показывает область заднего выступа 301е амортизирующего элемента 301.
Согласно аспекту изобретения, как изображено на Фиг. 7, соотношение между амортизирующим элементом 301 и регулирующим элементом 302 по сечению А-А в зоне 3 находится в диапазоне 0,45-0,55, тогда как в зоне 1 данное соотношение соответствует диапазону 0,08-0,10. По сечению В-В соотношение между амортизирующим элементом 301 и регулирующим элементом 302 находится в диапазоне 0,08-0,10 для зоны 1 и 0,10-0,15 для зоны 2. По сечению С-С то же соотношение находится в диапазоне 0,08 - 0,10 для зоны 1 и 0,20-0,25 для зоны 2. По сечению D-D указанное отношение находится в диапазоне 0,25-0,30 для зоны 1 и 0,30-0,40 для зоны 2.
В сечении Е-Е, показанном на Фиг. 7, поток воздуха через регулирующий элемент 302 проходит через амортизирующий элемент 301 и вытекает из охватывающего элемента 303.
Согласно изобретению, амортизирующий элемент 301, преимущественно, имеет сквозные отверстия и несквозные отверстия, а регулирующий элемент 302 содержит каналы 301i, причем указанные отверстия и указанные каналы обеспечивают выход воздуха из устройства 300.
На Фиг. 8 показано поперечное сечение устройства 300, в частности, взаимопроникновение амортизирующего элемента 301 в регулирующий элемент 302. Устройство 300 имеет сужающийся конец, то есть его верхняя поверхность опускается вниз, обеспечивая возможность взаимного проникновения, так что размер D1 больше размера D2 (оба показаны на Фиг. 8), при этом высота D2 имеет значение от 0 до 10 мм, и верхняя поверхность устройства 300 снижается, то есть, высота данной поверхности уменьшается по направлению к переднему концу под углом, составляющим от 15° до 20° относительно горизонтальной оси х-х.
На Фиг. 9 показаны области устройства 300, имеющие разную несущую способность. В частности, на Фиг. 9а в разрезе изображен амортизирующий элемент 301, соединенный с регулирующим элементом 302, в котором нижняя опорная область соответствует центральной части, при этом основная функция амортизации соответствует пяточной области. На том же чертеже Фиг. 9а также показан (другой штриховкой) задняя область, имеющая высокую несущую способность, предназначенная для стабилизации и сообщения движения. Кроме того, на Фиг. 9b и Фиг. 9с показаны, соответственно, вид сбоку и вид сверху области со средней несущей способностью, соответствующей независимым боковым выступам, расположенным радиальным образом относительно области с невысокой несущей способностью. Функции области со средней несущей способностью служат для стабилизации и приведения оси стопы назад в нейтральное положение. Задние выступы 301е имеют высокую несущую способность по сравнению с боковыми выступами 301d, которые имеют среднюю несущую способность, и являются более высокими для обеспечения усиленной опоры и устойчивости. Более того, задние выступы 301е, преимущественно, отличаются верхней наклонной поверхностью для обеспечения соответствующего продвижения в процессе отделения стопы от земли во время прогулки.
На Фиг. 9с показан амортизирующий элемент 301 устройства 300, с выделением области с высокой несущей способностью, соответствующей боковым выступам, и области обода, обеспечивающей соединение различных зон. Область обода важна для получения управляемой деформации, взаимосвязанной с видом механического отклика, который должно обеспечивать устройство 300.
На Фиг. 9d показан регулирующий элемент 302, в котором в дополнение к ранее указанным зонам, обозначены места для объемного расширения амортизирующего элемента 301, чтобы указанный элемент мог деформироваться под действием приложенной нагрузки.
На Фиг. 10 показано механическое поведение устройства 300 при его использовании, то есть, динамика реакции устройства в зависимости от приложенной к нему силы сжатия.
На Фиг. 11 показано устройство 200, 300, встроенное в подошву обуви, в которую обут пользователь. На Фиг. 11А видно, что ось подошвы образует определенный угол с осью ноги в состоянии покоя, то есть, до воздействия силы сжатия, возникающей в результате ходьбы. Сила F сжатия может действовать по центру относительно оси подошвы или вбок, по направлению вовнутрь в случае пронаторной постановки стопы или наружу в случае супинационной постановки стопы. На Фиг. 11В показано, что в результате воздействия силы F сжатия устройство 200, 300 деформируется только на напряженном участке, не затрагивая смежную область. В частности, устройство 200, 300 возвращает силу реакции на сжатие так, чтобы привести ноги пользователя назад по оси, таким образом, предотвращая механические травмы нижних суставов.
Такое предпочтительное поведение устройства 200, 300 обусловлено геометрией элементов 301, 302, 303, их формой и взаимным расположением заполненных и пустых областей. Более того, наличие в устройстве 200, 300 областей, характеризующихся дифференцированной несущей способностью, и наличие отверстий и каналов, которые позволяют выпускать воздух, обеспечивает оптимизацию механической ответной реакции на сжимающие нагрузки.
На Фиг. 11с показано, как устройство 200, 300, благодаря независимым зонам реакции, то есть, областям с дифференцированной несущей способностью, может демпфировать любую возможную неровность поверхности пола или земли, преимущественно избегая вращения подошвы, на которой расположено устройство, и как следствие поворота оси ноги пользователя. Такое нежелательное вращение в действительности может привести к вывихам и растяжениям. Поэтому изменяемая геометрия устройства обеспечивает «активное» и преимущественное поведение системы.
На Фиг. 12 приведены значения трех разных размерных параметров устройства 200, 300 по отношению к трем размерным макрогруппам обуви. Полученное соотношение преимущественно позволяет гарантировать правильную взаимосвязь между механической ответной реакцией устройства и весом тела пользователя.
На Фиг. 13 показаны виды в разрезе, представляющие геометрические характеристики устройства, в частности, боковой и задний наклоны, которые позволяют с легкостью ходить, особенно когда стопа отсоединяется от земли. В частности, угол, образованный между нижней поверхностью амортизирующего элемента 301 и землей относительно центральной оси, проходящей через пятку обуви, обозначен Ω, а угол, образованный между задним выступом 301е амортизирующего элемента 301 и уровнем регулирующего элемента 302, называется δ.
Наконец, на Фиг. 14 изображен вид сверху устройства 300, встроенного в подошву обуви, на котором показаны углы α, β и γ, определяющие профиль устройства 200, 300 в виде сверху. В частности, значение угла α составляет от 5° до 8°, значение угла β составляет от 18° до 20°, а значение угла γ составляет от 21° до 22°. Данные углы выбраны таким образом, чтобы обеспечить повышенный комфорт и поддержку при использовании. Кроме того, на Фиг. 14 показано расположение устройства 200, 300, когда оно встроено в подошву обуви, в задней части обуви вблизи пятки пользователя. Для обеспечения правильного функционирования, комфорта и максимальной устойчивости устройство 200, 300 занимает почти всю пяточную часть подошвы, поддерживая всю область пятки. Таким образом, устройство 300 встроено в часть подошвы, соответствующую пятке пользователя, на расстоянии D3 от внешнего периметра подошвы, причем D3 составляет от 0% до 18% ширины D4 подошвы в ее задней части, соответствующей пятке, как изображено на Фиг. 14.
Согласно аспекту изобретения, устройство 200, 300 встроено в подошву обуви таким образом, что регулирующий элемент 202, 302 является единой частью подошвы, являясь встроенным в часть подошвы, соответствующую пятке пользователя, а амортизирующий элемент 201, 301 расположен над данной частью. В частности, регулирующий элемент 202, 302 соответствует детали протектора обуви.
Таким образом, устройство согласно изобретению, выполненное с возможностью встраивания в подошву обуви и действующее как средство амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, обеспечивает поглощение и рассеивание энергии, образуемой в течение первого момента взаимодействия ноги с землей («удар пяткой»), и ограничение опасных напряжений, передаваемых в костные суставы.
Другое преимущество устройства согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви и действующего как средство амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, заключается в том, чтобы эффективно модулировать силу реакции во время фазы разгрузки, также известной как «отскок», с обеспечением ее совместимости с биомеханическими потребностями пользователя.
Другое преимущество устройства согласно изобретению, выполненного с возможностью встраивания в подошву обуви и действующего как средство амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, заключается в обеспечении стабилизации пятки вдоль направления большеберцовой кости/малоберцовой кости при ходьбе и отсутствия одной из основных причин производственных травм, а именно, растяжений.
Кроме того, устройство согласно изобретению, выполненное с возможностью использования в подошве обуви и действующее как средство амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, в максимальной степени повышает комфорт и устойчивость благодаря расположению в соответствии с почти всей пяточной частью подошвы, поддерживая всю область пятки.
И наконец, устройство согласно изобретению, выполненное с возможностью встраивания в подошву обуви и действующее как средство амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, позволяет сохранять свои характеристики в течение всего жизненного цикла обуви.
В итоге понятно, что устройство, выполненное с возможностью встраивания в подошву обуви и действующее как средство амортизации, рассеивания энергии и стабилизации, описанное и проиллюстрированное в настоящем документе, может быть подвергнуто модификациям и изменениям без выхода за пределы объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.