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

JUSTIFICATION OF GEOMETRIC PARAMETERS OF THE WAIST CORRECTIVE ELEMENT WHEN DESIGNING SCHOOL CLOTHES FOR PREVENTION OF POSTURE DISORDERS
Цитировать:
Исаева Д.Х., Шин И.Г., Нигматова Ф.У. ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЯСНОГО КОРРИГИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ШКОЛЬНОЙ ОДЕЖДЫ ДЛЯ ПРОФИЛАКТИКИ НАРУШЕНИЙ ОСАНКИ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 12(93). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12803 (дата обращения: 07.12.2024).
Прочитать статью:

 

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 EJz,   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/EJπ(E модуль упругости, J осевой момент инерции).

Величина EJz , 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.
Информация об авторах

старший преподаватель Ташкентского  института текстильной и лёгкой промышленности, Узбекистан, г. Ташкент

Senior lecturer, Tashkent Institute of Textile and Light Industry, Uzbekistan, Tashkent city

д-р. техн. наук, профессор, Ташкентский институт текстильной и легкой промышленности, г. Ташкент, Узбекистан

Doctor of Technical Sciences Professor, Tashkent Institute of Textile and Light Industry, Uzbekistan, Tashkent

 

д-р техн. наук, профессор, Ташкентский институт текстильной и легкой промышленности, Узбекистан, Ташкентская область, г. Ташкент

Doctor of technical sciences, Tashkent Institute of Textile and Light Industry, Uzbekistan, Tashkent region, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top