Технические науки/ Технология швейных изделий
К.т.н.
Гирфанова Л.Р.
Московский
государственный университет дизайна и технологии
Проектирование защитных зон локтя и колена в детской одежде
Одежда для детей проектируется в полном соответствии с гигиеническими и эксплуатационными требованиями к ней, но при этом она не может в полной мере защитить ребенка от мелких бытовых травм, возникающих при его падениях, приводящих к ссадинам и ушибам локтей и коленей. В одежде для детей, занимающихся спортом или для детей с ограниченными возможностями, проблема защиты локтей и коленей стоит еще острее.
Опрос, проведенный среди родителей детей от года до 12 лет, показал, что попытки надеть на ребенка дополнительные средства защиты при обычных прогулках, в 89% случаев негативно оценивается ребенком. Около 92% опрошенных родителей заявили, что защитные устройства в виде налокотников или наколенников, возможно надеть только при катании на роликах, коньках или велосипеде, хотя ребенок часто получает травмы и при обычных прогулках. Съемные наколенники и налокотники характеризуются значительными объемами, жесткой фиксацией на теле поверх одежды и высокой жесткостью во всех направлениях, что создает неудобства в их использовании. Защитный элемент выполняет свои функции за счет высокой жесткости своего внешнего слоя. Необходимо такое решение, которое обеспечит защиту локтей и колен от повреждений, и не будет ухудшать эргономические, гигиенические, эксплуатационные и эстетические свойства одежды.
Исследование ситуаций, влекущих травмы на прогулках показало, что в 68% случаев одежда не повреждается, в 12% - повреждается незначительно. Опрос показал, что интенсивность получения травм зависит от времени года. Чаще всего дети подвержены травмам при прогулках поздней весной, летом и вначале осени, в те сезоны, для которых характерна более легкая и тонкая одежда. Зимой или в холодное время года от таких травм предохраняет снежный покров или более толстый плотный слой одежды. Выявлено, что при падении в спортивных залах (на ровной поверхности), на теле возникает ушиб, а на неровной поверхности – сдирание кожи и более глубокие повреждения. Можно предположить, что повышенная жесткость одежды в области локтя и колена предохранит их от травм, аналогично съемным защитным элементам.
Таким образом, существуют два направления разработки защитных элементов в одежде – для занятий в помещениях и занятий на улице. На основе общих принципов разработки защитных элементов одежды, сформированы общие требования к ним:
- сохранение внешнего вида изделия;
- удобство в эксплуатации;
- технологичность конструкции элемента и пакета материалов;
- обеспечение требуемых гигиенических свойств одежды.
Принципиальное отличие в свойствах защитных элементов для эксплуатации в помещениях и на улице заключается в соотношении жесткости и упругости. Упругость обеспечивает снижение силы удара о гладкую поверхность при минимальной толщине пакета материалов, а жесткость обеспечивает минимальное продавливание одежды при падении на неровные поверхности при минимальной толщине пакета материалов
Основная цель исследования состоит в проектировании зон одежды, обеспечивающих защиту от повреждений тела в области локтя и колена при занятиях детей на улице. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- разработка конструктивного решения зон и элементов;
- разработка конструктивного решения защитного элемента;
- исследование влияния физико-механических свойств защитной зоны на эффективность выполняемой функции;
- исследование влияния жесткости, упругости и толщины защитного элемента на повреждаемость тела ребенка при падениях;
- выработка шкалы рекомендуемых величин физико-механических свойств защитных зон.
Известны способы формирования защитных зон повышенной жесткости путем использования различных материалов для одежды или пакетов материалов [1], чьи структурные и физико-механические характеристики обеспечивают переход от одних свойств к другим. Этот вариант формирования защитных зон в настоящее время в производстве бытовой одежды не распространен, так как изменяет внешний вид изделия.
Защитную зону предлагается формировать с помощью жестко-упругой прокладочной детали, расположенной между материалом верха и подкладкой изделия, и закрепляемой в швах. Эта деталь выполняется из материала на ячеистой основе [2] с заданными показателями жесткости, упругости и толщины, зависящими от размеров ячеек.
Так как защитные элементы закрепляются в одежде по вертикальным швам (поз. 1 рис. 1), они выполнены в форме прямоугольника (рис.1 - а). Ширина его приблизительно равна величине сустава, что не обеспечило защитные функции в динамике. Так, при увеличении прибавки к обхвату колена в брюках на 3 см., смещение защитного элемента становится таким существенным, что в 73% случаев приводит к его смещению.
Увеличение ширины защитного элемента для сохранения его положения на суставе в динамике (рис. 1 – b), приводит к пролеганию его верхнего и нижнего краев, поэтому они прогнуты внутрь (рис. 1 – c). Тем не менее, при динамических испытаниях выявлены следующие недостатки такой конструктивной формы элемента: существенно увеличивается жесткость швов, повышается сопротивление одежды движению ребенка, при выполнении движений становится заметным наличие защитного элемента под основным материалом. Для устранения этих недостатков спроектирован прогиб и по боковым сторонам защитного элемента (рис. 1 – d). Длина защитного элемента (L) для детей различного возраста приведена в таблице 3. Ширина защитного (В) элемента проектируется по модели – в зависимости от конструкции и расположения швов – шагового и бокового в брюках, верхнего, нижнего, переднего, локтевого и прочих в рукаве.
a)
Рис. 1. Схема конструкции защитного элемента
Основываясь на предположении, что поперечная жесткость защитных элементов, отрицательно влияющая на конструкторско-технологические свойства, может быть снижена, проведено исследование влияния жесткости в продольном и поперечном направлении на защитные свойства элементов. Для реализации эксперимента группы детей с массой тела 7-14 кг., 19-25 кг., 29-34 кг. носили вшитые в одежду для прогулок или занятий спортом защитные элементы с повышенной жесткостью в продольном или поперечном направлении, причем жесткость в одном из направлений всегда менее 12000мкН/см. Результаты исследования приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Выявление зависимости эффективности защитного элемента от распределения жесткости по направлениям
|
Масса тела ребенка, кг |
Направление распределения жесткости в защитном элементе |
Степень защиты тела от повреждения, % |
|
7-14 |
Вдоль |
100 |
|
Поперек |
98 |
|
|
19-25 |
Вдоль |
100 |
|
Поперек |
88 |
|
|
29-34 |
Вдоль |
100 |
|
Поперек |
76 |
Для установления значимости таких физико-механических свойств элементов,
как упругость и толщина наряду с жесткостью, проведены исследования при условии
минимального изменения величины двух свойств с максимальным варьированием
третьего. Продольная жесткость задается по уровням: первый уровень – 16500-18000
мкН/см, второй уровень – 20000-25000 мкН/см, третий уровень – 28000-30000
мкН/см. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты эксперимента по выявлению доминирующего свойства защитного элемента
|
Доминирующие свойства зоны |
Уровень жесткости |
Степень защиты, %, при массе тела ребенка: |
||
|
7-14 кг. |
19-25 кг. |
29-34 кг. |
||
|
Жесткость и толщина |
1 |
100 |
54 |
12 |
|
2 |
100 |
100 |
63 |
|
|
3 |
100 |
100 |
100 |
|
|
Жесткость |
1 |
100 |
52 |
10 |
|
2 |
100 |
99 |
62 |
|
|
3 |
100 |
100 |
100 |
|
|
Упругость |
1 |
91 |
43 |
8 |
|
2 |
94 |
86 |
49 |
|
|
3 |
97 |
97 |
81 |
|
|
Упругость и толщина |
1 |
93 |
48 |
14 |
|
2 |
95 |
91 |
62 |
|
|
3 |
98 |
99 |
94 |
|
Проведение исследований позволило выявить доминирующий фактор для обеспечения защитных свойств на неровных поверхностях – жесткость. При этом установлено, что наибольшая жесткость необходима в продольном направлении. Поперечная жесткость не оказывает значительного влияния на защитные свойства элемента и должна быть небольшой, что позволяет добиться снижения жесткости швов и сопротивления этого элемента при сгибании локтя или колена. Выявлено, что наибольшее изменение жесткости достигается при изменении геометрических характеристик ячеек основы защитного элемента, что позволяет регулировать жесткость как по всей поверхности элемента, так и в выбранных направлениях.
С учетом результатов предыдущих исследований, выявлены зависимости величин необходимой и достаточной жесткости от возникающей нагрузки при падении на неровную поверхность и поведение защитных элементов в процессе носки в течение недели. Результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Характеристики защитных элементов
|
Масса ребенка, кг. |
Жесткость защитного элемента, мкН/см |
Длина защитного элемента, L (рис. 1 - d), мм |
||
|
продольная, не менее |
поперечная, не более |
коленного |
локтевого |
|
|
7-10 |
16500 |
12000 |
50 |
40 |
|
11-14 |
17000 |
12400 |
55 |
45 |
|
15-18 |
18600 |
12900 |
60 |
50 |
|
19-22 |
20000 |
13400 |
65 |
55 |
|
23-26 |
24000 |
14000 |
70 |
60 |
|
27-30 |
26900 |
14800 |
75 |
60 |
|
31-34 |
28000 |
15600 |
80 |
65 |
|
35-38 |
30000 |
16900 |
90 |
70 |
|
39-42 |
35000 |
18400 |
95 |
75 |
|
43-46 |
42300 |
19500 |
100 |
75 |
Величины минимальной продольной и максимальной поперечной жесткости элементов выявлены в процессе опытной носки в результате наблюдений за реакцией ребенка при падениях на песок, гальку, щебенку. Выявлено, что величины жесткости для локтевых защитных элементов составляют около 94% от жесткости коленных защитных элементов. Характеристики жесткости и геометрических параметров элементов объединены в группы в соответствии с законом нормального распределения по интервалам веса ребенка. Результаты обработанных и усредненных экспериментальных исследований приведены в таблице 3.
Защитный элемент располагается в детали одежды таким образом, чтобы линия локтя или колена совпадала с горизонтальной линией симметрии элемента.
По результатам исследований построены графики зависимости жесткости элемента от массы ребенка (рис. 2). Причем показатель массы ребенка здесь играет роль комплексного показателя, находящегося во взаимосвязи с возрастом и геометрическими измерениями участков тела ребенка.
Рис. 2. Графики зависимости рекомендуемой жесткости защитного элемента от массы тела ребенка: ― продольная жесткость, ― поперечная жесткость
Выявлено, что характер увеличения поперечной жесткости с увеличением массы ребенка, описывается линейной функцией, а продольной жесткости – полиномиальной второй степени.
Таким образом, разработаны и апробированы защитные элементы детской повседневной одежды, обеспечивающие защиту локтей и колен ребенка при падении с высоты собственного роста, сохранение гигиенических свойств одежды и ее внешнего вида. Защитные свойства элемента обеспечиваются его продольной жесткостью при минимальной поперечной жесткости, соответствующих массе ребенка, при сохранении эстетического вида одежды как в статике, так и динамике.
Литература
1. Зарецкая Г.П. Разработка метода проектирования и способа изготовления формованных деталей одежды [Текст]. Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук – М.: МГУДТ, 1993, с.
2. Гирфанова Л.Р. Перспективы использования некоторых структур прикладных материалов и армирующих основ в одежде [Текст]: Материалы VII международной научно-практической конференции «Кожа и мех в XXI веке: технология, качество, экология, образование. – Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2011. – 326-328 с..