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論鞋腔熱濕舒適性的形成

1鞋幫的熱濕傳輸在腳趾和腳趾環(huán)境系統(tǒng)中,人體的腳會因新陳代謝和痙攣而變熱并排出汗。這些熱量和汗水應(yīng)該通過襪子和外套傳遞,外部環(huán)境的熱、濕和氣流應(yīng)該通過匡道來傳播。因此,人腳在穿鞋后每時每刻都與環(huán)境進行著復(fù)雜的熱濕傳輸過程。鞋幫材料熱傳遞性能、濕傳遞性能、透氣性能等是影響鞋腔內(nèi)微氣候的基本因素。熱的傳遞有干熱和濕熱兩種形式:在無明顯感覺出汗時的熱量稱為干熱,又稱為顯熱,顯熱傳遞熱量有傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流三種方式。有感出汗時的熱量稱為濕熱,又稱為潛熱,潛熱一般通過相變耦合的方式傳遞熱量。1.1溫度差的影響傳導(dǎo)是指由溫差引起的熱量或者說能量轉(zhuǎn)移。如果在一種介質(zhì)內(nèi)部或是在兩種介質(zhì)之間存在溫差,就會有傳熱發(fā)生。當人腳表面與鞋腔微氣候、外界環(huán)境之間存在溫度差時,如果人腳溫度高于環(huán)境溫度,就會導(dǎo)致腳的部分熱量通過鞋腔微氣候環(huán)境先傳給鞋材,然后在鞋材的內(nèi)外表面上形成溫度差,再通過溫度差產(chǎn)生的內(nèi)外表面的能量差異將熱量傳遞給外部環(huán)境,反之依然。由于運動鞋材料是多孔性纖維,纖維內(nèi)部與纖維間的孔隙中充滿著空氣,所以由腳皮膚到運動鞋外表之間通過運動鞋的熱傳遞過程是一個十分復(fù)雜的過程。1.2腳和鞋的能量輻射散熱是一種非接觸式傳熱方式,不需要其它物質(zhì)做傳播媒介,本身以電磁波的形式傳遞熱量。腳和鞋不但在吸收從太陽或周圍其它物體發(fā)射的熱量,同時也在向周圍環(huán)境輻射熱量。輻射散熱大小與人腳的表面溫度、陽光照射強度、穿著狀態(tài)下的有效輻射面積成正比。1.3鞋材纖維的熱傳導(dǎo)對流傳熱是指當一個物體表面和一種運動的流體處于溫度不同時,在流體中發(fā)生的由傳導(dǎo)和流體運動的共同作用而引起的熱量傳遞。在腳皮膚表面和運動鞋外層表面,對流的傳熱模式有兩種:一是由于水蒸氣的隨機擴散導(dǎo)致的熱量傳遞,即由流體中的浮升力引起的自然對流;二是由于流體邊界層內(nèi)水蒸汽的宏觀運動傳遞熱量所產(chǎn)生的強制對流。只要流體和它接觸的物體表面存在溫度差,就會產(chǎn)生對流傳熱。通常情況下,顯熱傳遞通過傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式進行綜合傳遞,即一部分熱量通過鞋材纖維來傳導(dǎo);一部分通過鞋腔微氣候環(huán)境及鞋幫鞋底中所含空氣的微弱對流進行傳遞;還有一部分通過纖維與纖維間的表面輻射進行。由于制鞋材料的纖維屬多孔介質(zhì),其內(nèi)部含有大量的相互關(guān)聯(lián)的空隙,因此對流散熱在運動鞋顯熱傳遞中具有重要的地位;又因為材料纖維之間的縫隙孔隙較小,所以對流和輻射的傳熱要小于熱傳導(dǎo)對傳熱做的貢獻;但研究表明,人在處于安靜狀態(tài)下時,輻射散熱所占比例較大,可達60%左右??傊?顯熱通過運動鞋的傳遞過程是一個瞬態(tài)變化的動態(tài)過程,從腳皮膚開始,熱量首先通過鞋與皮膚間空氣層中的空氣、固體纖維及纖維間的空氣進行導(dǎo)熱;同時,由于溫度梯度的存在,在外層鞋表面將通過對流與輻射的方式與周圍環(huán)境進行熱量交換,并最終達到動態(tài)平衡。物體和物體之間或物體和空氣之間的熱量傳遞過程簡稱為傳熱;物體之間或物體和空氣之間的水汽的傳遞過程簡稱為傳質(zhì)。傳熱是建立在溫差的基礎(chǔ)上的,而傳質(zhì)是建立在相對濕度差的基礎(chǔ)上的,由于對流是靠水蒸氣分子的隨機運動和流體(邊界層內(nèi)水蒸汽)的成團運動或者說是宏觀運動傳遞能量所引起的,所以,對流傳熱的過程中常伴隨著水蒸汽的液態(tài)和氣態(tài)的運輸和相變,使得對流傳熱過程中伴隨傳濕,并有一些潛熱傳遞。溫度的改變直接導(dǎo)致相對濕度發(fā)生改變,所以討論運動鞋熱傳遞必須同時討論人腳與材料之間的熱量交換和濕汽交換。2人腳和高爾夫球場濕傳遞的特征運動鞋鞋腔的濕傳遞往往伴隨著熱傳遞一起發(fā)生,一種質(zhì)量攜帶能量的相變耦合的傳遞過程,即由水蒸汽的傳遞而帶走汽化熱的物理化學過程。人體新陳代謝所產(chǎn)生的汗液經(jīng)由皮膚表面的揮發(fā)一般可分兩種情況:不顯性蒸發(fā)和顯性蒸發(fā)。不顯性蒸發(fā),又稱無感出汗或潛汗,指在代謝水平低下或運動不激烈時,汗液在汗腺孔內(nèi)或汗腺孔附近形成水汽并通過皮膚表面的蒸發(fā)。它的特征是皮膚表面看不到明顯汗液,主要以氣態(tài)形式(汗汽)存在,皮膚上不呈濕潤狀態(tài)。如腳后跟和腳背處在一般行走或靜坐時都進行不同程度的非顯性蒸發(fā)。顯性蒸發(fā),又稱有感出汗。在新陳代謝很強烈,外界溫度等于或高于人腳皮膚表面溫度或者人體進行激烈活動時,引起體熱蓄積,體溫升高的汗液傳遞。當溫度超過體溫調(diào)節(jié)區(qū)時,神經(jīng)中樞的出汗樞紐區(qū)域受到刺激,汗腺開始排出水分,以液態(tài)方式滲透到體外,汗液分布在皮膚表面上,就是有感出汗。顯性蒸發(fā)主要以液態(tài)形式存在,也可以汗液與汗汽兩種方式同時存在。運動鞋中的濕熱傳遞由皮膚表面的最內(nèi)層氣候區(qū)內(nèi)開始,經(jīng)過各層材料和材料之間的空氣層,最終到達外界環(huán)境。運動鞋作為隔絕皮膚與外界環(huán)境之間的介質(zhì),水分在其中的傳遞主要是通過纖維之間的孔隙及纖維本身進行的。溫度差和水蒸氣壓力是熱濕傳遞的主要能源。人腳無感出汗和有感出汗的傳遞渠道并不完全相同。無感出汗時,運動鞋的濕傳遞的初始狀態(tài)是水汽,即氣態(tài)水;有感出汗時,運動鞋的濕傳遞的初始狀態(tài)主要是液態(tài)水,也伴隨少量氣態(tài)水,即汗液和汗汽同時存在,微氣候區(qū)中相對濕度比較高。所以,通過運動鞋的濕傳遞主要有氣態(tài)濕傳遞和液態(tài)濕傳遞兩種形式。2.1人腳采集的人腳濕地,可從三維生長到可混合式的外來草當腳表面無感出汗時,汗液在汗腺孔內(nèi)或者附近蒸發(fā)成水汽。水蒸氣的傳遞有兩種途徑,一種是汗氣經(jīng)鞋腔微氣候區(qū)和鞋材纖維內(nèi)部縫隙孔洞擴散轉(zhuǎn)移到外界空間。它是在水蒸汽分壓梯度差作用下實現(xiàn)的,受纖維對水蒸氣吸附和解吸能力的影響。另一種是汗氣在運動鞋內(nèi)表面纖維中孔洞和纖維表面凝結(jié)成液態(tài)水,靠纖維的潤濕和芯吸作用,經(jīng)纖維內(nèi)孔隙或纖維間孔隙毛細管道運輸?shù)竭\動鞋外表面,再重新蒸發(fā)成水蒸汽揮發(fā)到外界環(huán)境中去。運動鞋濕傳遞的流程包括:鞋腔內(nèi)部水蒸氣的擴散、水蒸氣在運動鞋內(nèi)表面和毛細管道中的吸附和凝結(jié);水蒸汽在鞋材中的輸送;液態(tài)水在鞋材纖維中的潤濕、吸收、毛細輸送以及水分在運動鞋外表面和毛細孔中的蒸發(fā)。人腳出汗是一個從無感出汗到大面積有感出汗的漸進過程。運動鞋與外界環(huán)境之間的熱濕平衡是個動態(tài)平衡。2.2微氣候溫度與熱、濕傳遞的關(guān)系當有感出汗時,濕傳遞還包括由于汗水蒸發(fā)、透濕、擴散所造成的濕熱傳遞,即熱濕耦合傳遞。它的耦合機理為:當水蒸氣通過運動鞋時,由于纖維對水蒸汽有吸濕作用,會導(dǎo)致一部分水汽被纖維吸收,這部分水汽從氣態(tài)變到液態(tài),生成相變潛熱,即釋放出吸收熱。而溫度升高也將會改變材料纖維以溫度為能量進行顯熱傳遞,并且由于水的導(dǎo)熱能力比空氣和纖維都要大(大約是空氣的20多倍),汗液被鞋材纖維吸收后,使得纖維的導(dǎo)熱率增大。同時,隨著微氣候溫度的升高,水蒸汽分壓力以及運動鞋內(nèi)濕量的傳遞過程在不斷增大,纖維的回潮能力增強,運動鞋中的飽和水蒸氣壓力也在升高;另一方面,溫度的升高也加劇了分子運動,擴散能力也在增強,由于這兩種因素的綜合作用,使得運動鞋材料纖維傳遞濕氣能力增強。反過來,纖維的傳濕量越多,通過纖維吸收水分而放出的吸收熱也就越多。這樣,在兩者相互促進下,纖維的溫度就會升高的越快,水汽的凝結(jié)(或蒸發(fā))會釋放(或吸收)熱量,這又將改變運動微氣候溫度大小,進而影響到運動鞋的熱傳遞過程。因此,在人實際穿著過程中,熱、濕傳遞是密切相關(guān)、同時進行的。運動鞋的鞋腔溫度和相對濕度每時每刻都在隨著熱、濕傳遞的進行發(fā)生著變化,尤其在劇烈運動導(dǎo)致大量出汗情況下運動鞋熱濕傳遞更是熱濕耦合的,將熱濕傳遞綜合起來考慮,更符合人腳實際穿著條件。3熱潮濕的體驗機制3.1人腳皮膚的熱舒適性熱舒適感是人體大腦對外界客觀事物的冷熱刺激做出的主觀判斷。熱舒適感的產(chǎn)生包括物理,生理,心理三個環(huán)節(jié),其流程主要有:神經(jīng)沖動的傳輸,傳輸特性,整合傳輸規(guī)律,大腦皮層感覺區(qū)定位,大腦相關(guān)區(qū)域進行生物物理反應(yīng)和生物化學反應(yīng)。熱舒適感的產(chǎn)生是一個比較復(fù)雜的神經(jīng)反應(yīng)過程。當鞋腔微氣候溫度、相對濕度等環(huán)境因素刺激人腳皮膚的感覺器官時,感受器便會產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)活動,并通過各級神經(jīng)系統(tǒng)的整合和傳遞,到達人的丘腦層,丘腦層將沖動信號映射到大腦相關(guān)區(qū)域,并與該區(qū)域儲存的熱舒適感模式的相關(guān)信息進行比較,如果一致,人就會產(chǎn)生舒適感;如果該神經(jīng)沖動信息與之不匹配,人就會感覺很不舒服。通過實驗測定,最宜人的室內(nèi)溫濕度是:冬天溫度為18~25℃,相對濕度為30%至80%;夏天溫度為23~28℃,相對濕度為30%~60%。在此范圍內(nèi)會感到舒適的人占95%以上。在裝有空調(diào)的室內(nèi),室溫為19~24℃,濕度為40%至50%時,人會感到最舒適。3.2人腳皮膚中的濕度變化人體穿著運動鞋后除跟幫面產(chǎn)生力學刺激感覺和溫度感覺外,還會通過大腦做出對鞋腔的干濕狀態(tài)的判斷,產(chǎn)生濕度感覺。濕度感覺的產(chǎn)生機理是人腳皮膚在接觸襪子等織物或者鞋材的過程中將腳皮膚表面含濕量增加或減少的感知信號傳遞給大腦后大腦做出的對鞋的干濕狀態(tài)的判斷。雖然在大多數(shù)情況鞋腔內(nèi)部的相對濕度會對人的濕度感覺有影響,但濕度感覺的判斷不是建立在鞋腔的含濕量的基礎(chǔ)上的。決定人對潮濕程度判斷的是接觸過程中因傳熱和傳質(zhì)引起的皮膚濕度的增加程度,也就是說,人腳皮膚接觸鞋子后對鞋子濕度的判斷是建立在皮膚與鞋子之間的水汽的動態(tài)平衡狀態(tài)上的。傳質(zhì)的發(fā)生往往與傳熱有關(guān),溫度會對濕度的感覺起作用,但不是直接起作用。如果傳質(zhì)發(fā)生在從皮膚到鞋的方向時人就會感覺干燥,而如果傳質(zhì)是從鞋到人腳皮膚時就會感覺潮濕。濕舒適感的產(chǎn)生機理與熱舒適感相類似,都是外界刺激產(chǎn)生的神經(jīng)沖動信號與大腦相關(guān)區(qū)域儲存的濕舒適感模式比較后得到的主觀判斷。3.3影響人類腳的溫度和濕度的因素在外界環(huán)境相同和穿著同一款運動鞋時,不同的人會產(chǎn)生不同的熱、濕舒適感,這主要是由以下因素引起:1熱濕幸福感的模式大腦儲存的個體的熱、濕舒適感模式是人們過往經(jīng)驗的積累,不同個體因為種族遺傳基因、民族風俗、生活閱歷、生活環(huán)境、受教育程度以及健康狀況的不同,形成了不同的熱、濕舒適感模式。同時,同一個人在不同的時期,其熱、濕舒適感模式也不完全一樣,人的大腦則會根據(jù)不同的熱、濕舒適感模式做出不同的舒適感判斷。2出合理的神經(jīng)編碼如果人的注意力專注于熱、濕舒適感時,上行激動神經(jīng)系統(tǒng)刺激大腦皮層相關(guān)區(qū)域更加興奮,產(chǎn)生更強的神經(jīng)沖動信號,從而得到比較清晰準確的判斷結(jié)果。反之,當注意力集中于其它事物時,熱、濕刺激產(chǎn)生的神經(jīng)沖動信號不強烈,會使大腦皮層相關(guān)無法做出準確的熱、濕感覺的判斷,因此,不明顯的不舒適感也不會引起個體的特別注意.3對環(huán)境的熱濕刺激如果一個人長期生活在某一個生活環(huán)境中,即使此環(huán)境的溫濕度不符合該個體的標準熱、濕舒適模式,他也不會感覺出來,這是一種習慣現(xiàn)象,這是由于人的大腦神經(jīng)系統(tǒng)對該環(huán)境的熱濕刺激產(chǎn)生疲勞。而當一個人進入某一較不舒適的環(huán)境之后,不舒適感很快消失,這種現(xiàn)象稱為“適應(yīng)”。其原因主要是大腦興奮區(qū)域的轉(zhuǎn)移,這兩種能力都對會對人的熱、濕舒適感的判斷產(chǎn)生影響。4腦同時生理器官熱、濕舒適感與人的生理狀況密切相關(guān)。人是否產(chǎn)生舒適感是由大腦判斷的,而大腦同時又是生理器官,因此人體生理上的舒適最終也會轉(zhuǎn)為心理上的舒適??傊?熱、濕舒適感作為人的一種主觀感覺,與人的心理和生理因素緊密相關(guān),對運動鞋鞋腔微氣候熱濕舒適性進行評價需要結(jié)合人的生理因素和主觀感覺進行綜合判斷。4人的鞋腔溫度與濕度的關(guān)系通過以上研究分析可以得知以下結(jié)論:(1)無明顯出汗時,運動鞋熱傳遞通過傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式進行綜合傳遞,對流散熱在運動鞋顯熱傳遞中具有重要的地位,但靜止狀態(tài)下,輻射散熱所占熱量傳遞比例較大。(2)對流傳熱的過程中常伴隨著水蒸汽的液態(tài)和氣態(tài)的運輸和相變,使得對流傳熱過程中伴隨傳濕,并有一些潛熱傳遞。溫度的改變直接導(dǎo)致相對濕度發(fā)生改變,因此,人實際穿著過程中,熱、濕傳遞是密切相關(guān)、同時進行的。運動鞋的鞋腔溫度

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