ПОДПЯТНИК ДЛЯ СПОРТИВНОЙ ХОДЬБЫ
RACE-WALKING FOOTSTEP PILLOW

Изобретение относится к легкой промышленности, в частности к обувному производству, и может найти применение при изготовлении рабочей, спортивной или лечебной обуви.
Известна медицинская стелька, изменяющая форму своей поверхности под воздействием неровностей стопы, для чего в стельке используют систему замкнутых объемов, наполненных текучим гелем и соединенных между собой специальными каналами. Поскольку давление передается во все стороны одинаково, гель, под давлением неровностей стопы, перетекает из объема в объем и в результате верхняя поверхность стельки повторяет поверхность подошвы стопы. Нагрузка по поверхности подошвы стопы распределяется равномерно [см., например, Ekamed Entlastungs - Gel - Sohley, Altepflege - 1996, die Katalog - ausstellung, Erika Kayzer, Am Fychsberg, Wunstrof 1993 - аналог]. Недостатком аналога является то, что жидкость практически несжимаема, поэтому ударные нагрузки при ходьбе передаются на опорно-двигательную систему человека без демпфирования. Кроме того, собственный вес стельки с жидким гелем превосходит вес обычных поролоновых стелек широкого потребления.
Ближайшим аналогом из известных является «Вкладная стелька», Патент RU №2036596, А.43.В, 17/00, 1995 г. Ближайший аналог содержит опорную пластину, в пучковой и пяточной частях которой по концентрическим окружностям, соответствующим педопунктурным зонам стопы, выполнены перфорированные сквозные отверстия, в них вставлены витые пружинки, статически поджатые наклеенными на опорную пластину верхней и нижней накладками.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- неравномерное распределение нагрузки по поверхности стельки;
- недостаточная эффективность, ограниченная материалом и формой опорной пластины;
Задача, решаемая изобретением, состоит в снижении утомляемости спортсмена при ходьбе на длинные дистанции путем максимальной адаптации параметров подпятника к темпу ходьбы, характеристикам толчковых импульсов и индивидуальному профилю пяточной части стопы спортсмена.
Технический результат достигается тем, что подпятник для спортивной ходьбы содержит опорный элемент, выполненный по индивидуальной ортопедической выкройке, эквидистантно отображающий профиль пяточной части стопы, изготовленный на основе латексной композиции, перфорированный по всей поверхности продольными рядами сквозных отверстий с наименьшим диаметром Do центрального ряда и последовательно увеличенными диаметрами боковых рядов в пропорции индивидуально изменяющегося давления по профилю пяточной части стопы, в которые вставлены витые пружинки соответствующих диаметров, поджатые снизу пластмассовой пластиной, а сверху - износоустойчивым материалом, путем его сквозного прошивания ниткой с образованием продольных гофр так, чтобы высота гофр повторяла профиль поверхности стопы, а резонансная область частот изготовленного подпятника совпадала со спектром толчковых импульсов темпа движения спортсмена по дистанции.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - а) общий вид подпятника; б) вид в сечении А-А;
фиг.2 - типовое распределение давления по профилю стопы спортсмена;
фиг.3 - последовательность толчковых импульсов при олимпийском темпе ходьбы спортсмена;
фиг.4 - Фурье-спектр толчковых импульсов;
фиг.5 - рабочая область частот и передаточная функция подпятника.
Подпятник для спортивной ходьбы выполняется по размерам и вставляется внутрь спортивной обуви. На рисунке фиг.1 (а) представлен общий вид подпятника и (б) - вид в сечении А-А. Подпятник содержит опорный элемент 1, со сквозными отверстиями 2, выполненными в несколько рядов 3, с наименьшим диаметром Do центрального ряда и последовательно увеличенными диаметрами боковых рядов. В сквозные отверстия каждого ряда поштучно вставлены металлические пружинки 4 соответствующих диаметров навивки. Снизу пружинки опираются на пластину 5, по размеру совпадающую с элементом 1, для уменьшения веса перфорированную по всей поверхности отверстиями меньшего диаметра, чем отверстия элемента 1. Сверху пружинки, по продольным рядам, поджаты гофрированной поверхностью 6 из износоустойчивого материала путем сквозного прошивания его ниткой с пластиной 5. Высота гофр над поверхностью опорной пластины 1 эквидистантно повторяет поверхность пяточной части стопы спортсмена, а степень поджатия пружинок пропорциональна индивидуальному распределению давления по площади стопы спортсмена, как это иллюстрировано фиг.2. Параметры пружинок рассчитываются так, чтобы резонансная область частот изготовленного подпятника совпадала со спектром толчковых импульсов спортсмена.
Динамика взаимодействия элементов устройства и физическая сущность изобретения состоят в следующем. Олимпийскими требованиями не регламентируются размеры стельки спортивной обуви и ее параметры. Спортивная ходьба регламентируется требованием обязательного профиля движения от касания пятки и последовательного переноса центра тяжести спортсмена с пятки на пучковую область. Предоставляется возможность не демпфировать всю энергию движения спортсмена в подошве (обуви, стопы), а запасать часть кинетической энергии спортсмена в подпруженном подпятнике с возвратом этой энергии в пяточную часть спортсмена при переносе центра тяжести в пучковую область. Для чего необходимо согласовать параметры подпятника с темпом движения спортсмена (характеристиками толчковых импульсов) и индивидуальным профилем пяточной части стопы.
2
Проводились измерения распределения давления по профилю подошвы стопы [см. Патент RU №2104664, 1998 г. «Стелька универсальная," Таблица 1]. Типовое распределение давления по профилю стопы представлено таблицей 1 и иллюстрируется рисунком фиг.2. В частности, для пяточной части стопы, максимальное давление [н/м] соответствует центральной части и его уменьшение к боковым краям пяточной части. Адаптацию подпятника к распределению давлений по профилю стопы обеспечивают регулированием жесткости пружинок.
0
Известна зависимость собственной частоты (ώ) вибросистемы от массы (m) нагружения и жесткости (с) виброизолятора (пружины) [см., например, Справочник, т.6, «Вибрации в технике», под ред. К.В.Фролова, М, Машиностроение, 1981 г., стр.172, формула 2]: .
Собственная частота пружинного виброизолятора определяется формулой Рело [см. Справочник, т.1 «Приборы и системы для измерения вибрации, шума, удара», под ред. В.В.Клюева, М, Машиностроение, 1978 г., стр.46]:
10
2
где: G - модуль сдвига пружинной проволоки ~8,5·10 н/м;
d - диаметр проволоки;
D - диаметр витка навивки пружины;
n - количество витков пружины;
m - масса нагружения.
0
Как следует из формулы, изменением диаметра навивки D можно регулировать жесткость пружинки. За исходный диаметр навивки D принимают пружинки для максимального давления, для остальных пружинок увеличивают, диаметр навивки в пропорции изменения среднего давления в каждом продольном ряде, согласно столбцам Таблицы 1.
Таблица 1
Типовое распределение давления по профилю подошвы стопы
см.
4
5
6
7
8
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
9
10
11
12
1
5
4
13
1
11
11
2
4
14
5
1
14
12
26
20
4
15
25
7
11
2
15
7
35
28
22
14
10
14
12
16
4
16
25
52
30
17
11
1
2
11
13
5
5
17
23
37
23
12
5
2
6
25
25
2
18
7
17
10
4
4
5
1
1
12
11
2
19
2
4
4
2
4
16
19
12
6
2
3
9
6
20
1
4
6
5
12
29
28
22
14
8
7
17
23
1
21
3
7
8
7
20
59
42
29
21
12
9
10
31
7
22
5
9
8
9
24
69
52
34
25
13
9
7
10
3
23
6
10
10
11
22
39
43
34
23
13
10
8
7
24
6
10
11
12
15
21
24
21
15
11
10
8
6
1
25
6
10
10
10
11
13
14
13
11
11
9
6
7
3
26
2
6
7
7
7
7
9
9
7
7'
7
7
8
5
27
2
4
5
4
4
5
6
6
6
6
6
8
5
28
1
2
3
3
3
4
6
6
6
6
9
3
29
1
2
2
3
4
5
6
7
6
7
30
1
3
4
5
6
8
7
4
31
1
2
3
5
7
8
6
2
32
2
4
6
8
8
5
33
2
4
6
9
8
6
34
2
4
6
10
9
6
35
2
4
6
11
10
7
36
2
3
8
10
10
6
37
3
4
6
8
7
2
38
1
2
3
5
5
6
3
39
1
3
4
5
5
4
1
40
2
3
4
5
5
4
3
41
2
4
5
5
5
5
4
2
42
2
6
9
8
7
7
5
4
1
43
1
9
11
12
11
10
9
6
3
44
3
12
15
15
14
13
11
9
4
45
6
15
18
20
18
16
14
11
6
46
9
18
24
30
27
20
16
13
7
47
10
24
32
37
35
29
22
16
9
48
8
24
32
37
36
32
26
18
8
49
5
20
28
33
34
31
28
19
5
50
14
23
28
29
28
27
16
1
51
5
16
22
25
24
18
7
52
9
13
15
16
10
53
3
7
4
Другим параметром адаптации является согласование темпа движения спортсмена с частотными характеристиками отдельных пружинок и подпятника в целом.
п
Движение спортсмена при ходьбе характеризуется последовательностью толчковых импульсов (фиг.3). Максимальная олимпийская скорость спортивной ходьбы порядка 15 км/час. Длина одного шага 0,9…1,1 м, размер длины подошвы обуви (41-45 размер) 21…27 см или 1/5 шага. На рисунке фиг.3 представлен, последовательность толчковых импульсов при скорости 15 км/час соответственно 4 м/с. Из чего следует, что длительность толчкового импульса занимает интервал ~0,08 с, а период повторения Т, соответственно равен 0,4 с. Известно каноническое разложение импульса (типовой полусинусоидальной формы) в ряд Фурье [см., Справочник, т.6, «Вибрации в технике», под ред. К.В.Фролова, М, Машиностроение, 1981 г., стр.287]. Спектр Фурье толчковых импульсов спортсменов (при аппроксимации их формы полусинусоидой) иллюстрируется графиками фиг.4. Гармоники спектра типового полусинусоидального импульса рассчитываются из аналитического выражения:
;
и
0
1
2
3
Относительные амплитуды спектральных гармоник, (согласно фиг.3) F(f)/at соответственно составляют: A=0,635; A=0,43; A=0,21; А=0,07
0
1
2
3
f=0; f=12,5 Гц; f=25 Гц f=37,5 Гц
Основная энергия спектральных составляющих толчковых импульсов сосредоточена в интервале [0…45] Гц.
По определению [см., например, Справочник, т.6, «Вибрации в технике», под ред. К.В.Фролова, М, Машиностроение, 1981 г., стр.175, рис.4]. коэффициент передачи вибросистемы представляет собой отношение абсолютных ускорений объекта и источника:
где ν - коэффициент демпфирования, равный v=1/2Q;
Q - качество энергоемкого элемента;
0
z - отношение частоты кинематического возбуждения (ώ) к собственной частоте вибросистемы (ώ).
2
2
3
0
1
2
Средневзвешенная частота спектральных гармоник толчковых импульсов  принята за резонансную частоту подпятника. Область рабочих частот подпятника иллюстрируется графиком фиг.5. При расчете требуемой резонансной частоты подпятника одновременно выполнялось условие максимальной добротности пружинок и опорного элемента. Максимальная добротность пружинок (6…8) достигается при соотношении параметров: D/d≈10, D/h>3, h - шаг навивки [см. Патент RU №2036596]. Проведен расчет по выше изложенным аналитическим соотношениям типового подпятника на массу спортсмена ~70 кг. Получены следующие оптимальные значения параметров: количество рядов - 5; количество пружинок в центральном ряде - 8; прилегающих рядах - 7; боковых рядах - 6 (из-за закругленности подпятника). Максимальное давление (табл.1) центрального ряда [~37 н/см] и боковых рядов [~10 н/см] отличаются в 3,7 раза. Жесткость пружинок обратно пропорциональна [1/D] диаметру навивки. Следовательно максимальное увеличение диаметров . Диаметр навивки центрального ряда D=6 мм, D=7,5 мм, D=9,5 мм. Высота навивки 11,4 мм, полное число витков 3.5. Общее число пружинок в подпятнике 34 штуки.
Для навивки пружинок используют пружинную проволоку из высокоуглеродных сталей марок: 65, 65Б, 79, У10, предел прочности 260 кг/мм, твердость по Роквеллу 53…57. После холодной навивки подвергаются отпуску в масляном радиаторе при температуре 210…320°С для снятия напряжений, повышения предела прочности и релаксационной стабильности. Из новых конструкционных материалов, обладающих высокой добротностью и широким диапазоном рабочих температур (-20°С до +50°С) для опорного элемента выбран синтетический каучук (латексный материал СКУ-7-60 [см. Технический отчет №194-6882-611, «Исследование возможности применения полиуретанового эластомера для защиты аппаратуры от динамических воздействий», НПО ИТ, М, 1082 г.]. Материал хорошо зарекомендовал себя при виброизоляции аппаратуры на ракетах носителях. Добротность (Q) упругорезонансных систем из СКУ-7-60 достигает значений 5…7.
Прошивная нитка - двуниток льняной, суровый ГОСТ 11302-78. Разрывная нагрузка длины шва (при двух строчках) не менее 150 н/см.
Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявленного технического решения, как:
- равномерность распределения нагрузки по поверхности пяточной части стопы за счет эквидистантного изменения профиля поверхности подпятника и разного диаметра пружинок в центральном и боковых рядах;
- высокая эффективность сохранения кинетической энергии движения за счет высокой параметрической добротности упругих элементов: пружинок и полимерного материала опорного элемента;
- согласование собственной резонансной области частот подпятника со спектром гармоник толчковых импульсов темпа движения спортсмена по дистанции;
- различное статическое поджатие пружинок, создаваемое ограниченным объемом ячейки, прошитой по квадратному периметру, позволяющее реализовать сложную ортопедическую выкройку поверхности подпятника.
Интегральный количественный эффект перечисленных свойств составит 8…12% снижения утомляемости спортсмена при ходьбе на длинные дистанции и, как следствие, более высокий спортивный результат.