ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЯСНОГО КОРРИГИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ШКОЛЬНОЙ ОДЕЖДЫ ДЛЯ ПРОФИЛАКТИКИ НАРУШЕНИЙ ОСАНКИ

АННОТАЦИЯ

В статье приводится теоретическое обоснование геометрических параметров специального поясного корригирующего элемента при проектировании школьной одежды с целью профилактики нарушений осанки. При этом поясной корригирующий элемент рассматривается как прямоугольная пластина, изгибающаяся по цилиндрической поверхности, и характеризующаяся длиной и шириной. Получена аналитическая зависимость для расчетной ширины пояса, учитывающая ряд факторов: размерный признак – обхват талии Т18, допускаемое давление на тело человека (для профилактических изделий), цилиндрическая жесткость, предел прочности и толщина материала пояса.

ABSTRACT

The article provides a theoretical substantiation of the geometric parameters of a special belt corrective element in the design of school clothes in order to prevent postural disorders. In this case, the belt correcting element is considered as a rectangular plate, bending along a cylindrical surface, and characterized by length and width. An analytical dependence for the estimated width of the belt is obtained, taking into account a number of factors: a dimensional feature - the waist circumference of T18, the permissible pressure on the human body (for preventive products), cylindrical stiffness, ultimate strength and thickness of the belt material.

Ключевые слова: Осанка, корректор, давление, пластина, ширина пояса, усилие растягивающее, распределенная нагрузка, обхват талии.

Keywords: Posture, corrector, pressure, plate, belt width, tensile force, distributed load, waist circumference.

Современная одежда отличается многофункциональностью и остается одним из средств адаптации человека к условиям внешней среды. Специально разработанная одежда в состоянии выполнить еще и профилактическую роль, предохраняя от негативного влияния внешнего воздействия.

Создание школьной одежды, предназначенной для нормального функционирования учебно-воспитательного процесса в течение всего учебного года, требует комплексного подхода с учетом специфики эксплуатации такого вида одежды. Это обстоятельство особенно важно при проектировании одежды для учеников младшего школьного возраста. В связи с тем, что школьная форменная одежда согласно классификации [5] относится к группе детской одежды, то при создании необходимо учитывать возрастные особенности растущего организма ребенка.

Такая одежда, выполняя функции форменной одежды, призвана одновременно нести функции профилактической одежды с целью оздоровления и предотвращения патологии опорно-двигательного аппарата. Поэтому школьная форменная одежда, формирующая правильную осанку, должна обеспечивать одновременно выполнение нескольких функций: детской, форменной и лечебно-профилактической.

По мнению специалистов [2,3,9] вследствие интенсивного формирования изгибов позвоночного столба в возрасте детей 7-8 лет в качестве наиболее негативного внешнего фактора при формировании осанки школьника считается резкое уменьшение двигательной активности из-за преимущественной и вынужденной сидячей рабочей позы. Сидение представляет активный процесс, происходящий в условиях противодействия силы тяжести частей тела, расположенных выше таза, и реакций опоры, что влияет на работу биомеханического механизма при непроизвольном изменении положения тела человека в рабочей позе сидя [1].

В процессе сидения участвуют примерно половина всех мышц, имеющихся у человека. Чтобы удержать позу сидя, необходимо напряжение мышц разгибателей (затылочных, мышц спины, таза), которые у детей, особенно младшего школьного возраста, недостаточно развиты. Относительная

Лечение и профилактика заболеваний позвоночника возможны при помощи ортопедических аппаратов (корсетов), составляющих корсетные стабилизирующие технологии [6,7]. К активно-корригирующим корсетам относят корректоры осанки, исключающие нежелательное побочное воздействие из-за атрофии мышц.

Применение корректоров осанки детьми школьного возраста вызывает возникновение психологического дискомфорта и снижение эстетических показателей. Для устранения этого существенного недостатка в качестве инновационного решения необходимо функции лечебно-профилактической одежды перенести на школьную форму, в частности, вмонтировать корректор осанки в жилет. Таким образом, достигается незаметное для постороннего глаза профилактическое назначение одежды.

При проектировании школьной формы с монтированным корректором осанки очень важным представляется обоснование конструктивных параметров всех его элементов.

У детей младшего школьного возраста наиболее часто встречается лордотический тип осанки, характеризуемый основным признаком в виде выступающего живота [4]. Поэтому можно предположить, что у детей младшего школьного возраста форма живота со стороны переда выпуклая и представляет собой цилиндрическую поверхность, что несколько облегчает аналитическое описание при обосновании геометрических параметров поясного корригирующего элемента.

Конструкцию поясного корригирующего элемента (пояса) в области живота можно рассматривать как прямоугольную пластину, изгибающуюся по цилиндрической поверхности, и имеющую следующие геометрические параметры: а- длина пояса, b- ширина пояса.

Из двух геометрических параметров пояса необходимо выполнить обоснование только его ширины b, так как длина пояса  а является известной величиной и задается конструктивными параметрами (размерными признаками и прибавками на свободу облегания).

Рассматривая поясный корригирующий элемент как прямоугольную пластину, определим его ширину в положении ребёнка сидя, когда возникающее давление  p распределено по поверхности живота (рис. 1)

p=F/A ,                                                            (1)

где F – модуль силы, действующей перпендикулярно поверхности, Н;

А= аb – площадь поперечного сечения, м².

Рисунок 1. Расчетная схема для определения ширины корригирующего пояса

Внешнее давление p пластины на брюшную стенку распределяется по поверхности пояса шириной b и вызывает появление внутренней распределенной нормальной силы (сила внутрибрюшного давления) p₁, которая также распределена по внутренней поверхности пояса и уравновешивается силой давления p, т.е. p₁= p.

Таким образом, ширину пояса b можно представить выражением

                                                      (2)

Для определения нормальной силы F, создающей равномерно распределенное давление p, используем решение известной задачи «Изгиб равномерно нагруженной прямоугольной пластинки по цилиндрической поверхности», выполненное С.П.Тимошенко [8].

В отличие от классического решения задачи, когда из предположения, что прямоугольная пластинка постоянной толщины h изгибается по цилиндрической поверхности и обосновывается достаточность рассмотрения лишь одной полоски шириной единица (единичная ширина), подобной АВ (рис. 2) – балке прямоугольного поперечного сечения длиной l,  в настоящей работе аналитически определяется необходимая ширина полоски.

Данная ширина полоски будет определять расчетное значение ширины поясного корригирующего элемента проектируемой детской одежды, причем допущение, что длина прямоугольной пластинки велика по сравнению с ее шириной, принимается условно, так как длина поясного элемента будет ограничена размерным признаком: обхват талии Т18.

Рисунок 2. Схематизация изгиба по цилиндрической поверхности прямоугольной пластины постоянной толщины h в виде полоски единичной ширины, подобной АВ, как балки прямоугольного поперечного сечения длиной l

Если прямоугольная пластинка с указанным соотношением длины и ширины равномерно нагружена, то можно предположить, что вблизи центра, где имеет место наибольший прогиб и напряжения, изогнутая поверхность приблизительно является цилиндрической и для вычисления прогибов можно воспользоваться дифференциальным уравнением изогнутой оси полоски:

                                           (3)

где D= – жёсткость при изгибе пластинки (цилиндрическая жёсткость пластинки при изгибе);

Е- модуль упругости, МПа;

 – коэффициент Пуассона;

h- толщина пластинки, м;

М – изгибающий момент в поперечном сечении полоски, Нм.

Цилиндрическая жёсткость D соответствует величине EJ_z,   которая обычно применяется при расчете балок как одна из геометрических характеристик плоских сечений.

Используем решение обозначенной задачи в прикладном аспекте при проектировании специальных элементов детской одежды. Рассмотрим два крайних условия: 1) края пластинки свободно оперты и могут свободно поворачиваться при изгибе; 2) края пластинки жёстко заделаны (защемлённые края).

В обоих случаях предполагается, что нет перемещений краев в плоскости пластинки. Тогда элементарная полоска, подобная АВ на рис. 2, находится в тех же условиях, что и растянутый стержень с равномерной поперечной нагрузкой и растягивающими усилиями S (рис. 3). Величина усилия S определится из того условия,  что удлинение полоски равно разности между длиной изогнутой оси и длиной хорды АВ (рис. 2).

Рисунок 3. Растянутый стержень с поперечной нагрузкой

1. Свободно опертые края. В данном случае хорошее приближенное значение для усилия S получается при допущении, что изогнутая ось представляет собой синусоиду

 ,                                                    (4)

где  – прогиб посередине пластинки;

l – расстояние между опорами.

Тогда удлинение осевой линии полоски равно

                                      (5)

C другой стороны удлинение центральной полоски λ должно быть равно разности между длиной линии прогиба и длиной хорды l (расстояние между опорами):

λ = а – l ,                                                     (6)

где а – длина пояса, равная длине линии прогиба, м.

Для случая проектирования одежды длину хорды  l принимаем равной диаметру условной окружности длиной, равной размерному признаку: обхват талии Т18

l=d=                                                   (7)

Подставив выражение (7) l (6),  получим для λ:

λ=а-.

Приравняем зависимости (5) и (6) и выразим f:

а- ,

f=                                          (9)

C другой стороны величина прогиба пластины посередине может быть определена по приближенной формуле

,                                                    (10)

где f₀ – прогиб в середине пластины, вызванный действием только поперечной нагрузкой; α – коэффициент, выражающий отношение продольной силы Ѕ к критическому значению осевой нагрузки, определяемый как α=Ѕl²/EJπ²  (E – модуль упругости, J – осевой момент инерции).

Величина EJ_z , как отмечено выше, является жесткостью балки при изгибе, и чем она больше, тем меньше искривляется балка при действии данных силовых факторов.

Как показано С.П.Тимошенко, жесткость полоски в пластинке больше, чем жесткость отдельного бруса такого же поперечного сечения в отношении 1:(1-µ²). Таким образом, с учетом цилиндрической жёсткости пластины на изгиб коэффициент α равен

                                                  (11)

В случае нагружения пластины равномерно распределенной нагрузкой q прогиб посредине f₀ cоставит

f₀=                                              (12)

Если приравнять выражения (9) и (10) с учетом зависимостей (11) и (12), то получим

 ,

                                               (13)

В тождественном выражении (13) силовые факторы в виде равномерно распределенной нагрузки q и  растягивающей силы S представим следующим образом. Так как равномерно распределённая нагрузка q=F/a, α создаваемое при этом напряжение (давление) равно  =F/(ab), то в соответствии с классификацией изделий по давлению [14] примем [p]==1,33….3,32 кПа. Этот диапазон давлений относится к изделиям профилактическим, требующим строго дозированной сдавливающей силы на определённых участках изделия. Поэтому распределённую нагрузку можно представить в виде

q=[p]b                                                (14)

Осевую растегивающую силу  S в (13) выразим через разрывное напряжение _разр материала пояса проектируемого изделия, которое можно определить экспериментальным путем:

_разр= ;     S= _разр bh ,                              (15)

где ẟ - толщина материала.

Таким образом, подставив (14) и (15) в 13, получим

= ;

                            (16)

Разрешая данное уравнение относительно неизвестной ширины пояса b, после преобразований получим формулу

 b =                                             (17)

Если учесть (7), то имеем

b =  =        (18)

Анализ полученной зависимости (18) показывает что ширина пояса корригирующего элемента обратно пропорциональна давлению и, таким образом, для любого типового размеророста школьника можно определить ширину пояса в рекомендуем интервале значений [р]. С увеличением обхвата талии ширина пояса также уменьшается.

В зависимости от размеророста (рост 122…140 см; обхват талии 54…63 см) мальчиков младшей школьной группы получены расчетные значения ширины пояса корригирующего элемента, находящегося в диапазоне 9…12 см. Необходимо учесть, что расчетное значение ширины пояса может быть незначительно изменено в процессе вмонтирования корректоров осанки в жилетку школьной формы. 

Список литературы:

1. Аруин, А.С. Эргономическая биомеханика / А.С. Аруин, В.М. Зациорский - М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.
2. Вайнруб, Е.М. Гигиена обучения и воспитания детей с нарушениями осанки и больных сколиоза / Е.М. Вайнруб, А.С. Волощук. - Киев: Изд-во «Здоровья, 2006. - 179 с.
3. Головина, Л.Л. Физическая культура: воспитание, образование, тренировка / Л.Л. Головина, Ю.А. Копылов. - 2000. - №1. - С. 47.
4. Дунаевская, Т.Н. Размерная типология населения с основами анатомии и морфологии / Т.Н.Дунаевская, Е.Б.Коблякова, Г.С.Ивлева. – М.: Легкая индустрия, 1980. – 216 с.
5. Конопальцева, Н. М. Конструирование и технология изготовления одежды из различных материалов: учеб. пособие для вузов / Н.М. Конопальцева, П. И. Рогов, Н.А. Крюкова - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 256 с.
6. Потапчук А.А. Коррекция статических деформаций у детей. Практические советы врача по коррекции нарушений [Текст] / Потапчук А.А., Фаттахова Л.С- М., 1997.-110 с.
7. Тесаков Д.К. Стандартизация методов лечения детей и подростков с дисплатическим сколиозом [Текст] / Тесаков Д.К., Воронович И.Р. // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2001. - №4.
8. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. – М.: Наука, 1965. – 480 с.
9. Фарбер, Д.А. Физиология школьника / Д.А. Фарбер, И.А. Корниенко, В.Д. Сонькин. - М.: Педагогика, 1990. - 64 с.