При проектировании лечебно-профилактических изделий для коррекции осанки в практической деятельности используют подход, при котором оздоровительное действие достигается посредством обеспечения жесткой фиксации позы с целью принудительной стабилизации правильной формы фигуры человека [7]. Формоустойчивые конструкции, однако, не только не способствуют укреплению мышечного корсета, но и являются своеобразными «подпорками» для организма, нередко подменяя функциональное развитие собственных мышц человека.

В предложенном авторами [5] подходе к созданию одежды для профилактики и лечения различных нарушений осанки использованы принципы биоуправления, основанные на кибернетических представлениях о механизмах регуляции и управления системами организма человека посредством обратной связи. В качестве средства управления процессом коррекции нарушений осанки предложено рассматривать специализированную плечевую одежду со встроенными вертикальными корригирующими элементами вдоль лопаточных и паравертебральных линий на спинке и поясным элементом в области мышц брюшного пресса, позволяющими осуществлять целенаправленное воздействие на соответствующие нейросенсорные зоны организма [4]. Встроенные вертикальные конструктивные элементы одежды в данном случае служат в качестве передатчиков определенной информации кожным рецепторам (проприорецепторам), отвечающим за управление двигательными функциями мышц позвоночника.

В настоящее время основные трудности при проектировании подобной одежды заключаются в необоснованности выбора геометрических и механических параметров вертикальных корригирующих элементов, и, следовательно, отсутствии гарантий в обеспечении необходимого эффекта коррекции осанки.

Целью работы явилась разработка способа определения параметров вертикальных конструктивных элементов профилактической одежды, обеспечивающих эффект коррекции осанки.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования является школьная профилактическая одежда в виде жилета со специальными встроенными вертикальными корригирующими элементами. Для определения параметров этих элементов использован метод математического моделирования на основе теории сопротивления материалов.

Результаты исследования
и их обсуждение

Решение задачи определения параметров вертикальных конструктивных элементов на спинке было осуществлено с использованием в качестве модели коррекции деформации позвоночника схемы четырехточечного изгиба балки под действием двух противоположно направленных сил – со стороны спины в области лопаток и в области живота на уровне поясничной точки, производимых корригирующими элементами (рисунок). Расстояния а, а1, а2, а3 согласно ГОСТ 17916-86 [2] и ГОСТ 17917-86 [3] представляют собой разность соответствующих антропометрических размерных признаков тела ребенка.

Пластину вертикального корригирующего элемента лечебно-профилактической одежды, оказывающего целенаправленное воздействие на лопатки, в этом случае можно рассматривать как упругую линию, которая описывается приближенным дифференциальным уравнением упругой линии (для малых деформаций) [1]:

(1)

Модель коррекции деформации позвоночника
в виде схемы загружения балки сосредоточенными силами:
R1, R2 – усилия, оказываемые корригирующими элементами жилета на уровнях соответственно лопаточной и поясничной точек; R3, R4 – реакции опор; a – расстояние, определяемое разностью высот шейной и ягодичной точек (Т10–Т86); a1 – расстояние, определяемое разностью высот шейной и лопаточной точек (Т10–Т87); a2 – расстояние между лопаточной и поясничной точками, определяемое разностью соответствующих высот (Т87–Т7); a3 – расстояние между поясничной и ягодичной точками (Т7-Т86)

Максимальный изгибающий момент в пластине определим по методу сечений:

(2)

Выразив силу R3 через R1 и R2, получим

(3)

Используя ранее полученное соотношение противодействующих сил коррекции деформации позвоночника в области спины и живота для профилактической школьной одежды [6] при замене R2 = 2R1, получим

(4)

В результате подстановки полученного выражения для изгибающего момента M(x) уравнение (1) примет вид

(5)

Для упрощения выражения (5) произведем замену:

Тогда (5) примет следующий вид:

(6)

Проинтегрировав последовательно это выражение два раза, получим прогиб пластины w(x):

(7)

После подстановки вместо C и D соответствующих выражений, замены a3 = a – a1 – a2 и выполнения преобразований уравнение прогиба пластины w(x) примет вид

(8)

Анализируя полученную зависимость (8), можно сделать вывод, что прогиб пластины w(x) зависит от усилия R1, действующего в области лопаточной точки, размерных признаков ребенка и характеристик сечения пластины – модуля упругости E, определяющего упругие свойства пластины, и момента инерции сечения пластины I(x), характеризующего профиль поперечного сечения пластины. Зная величину усилия R1, величину прогиба w(x) пластины, задаваемой нормативной величиной грудного кифоза, варьируя механическими (модуль упругости E) и геометрическими характеристиками сечения I(x), можно с точки зрения достижения эффекта целенаправленной коррекции обоснованно осуществлять выбор материалов для изготовления корригирующих элементов (металл, пластмасса и т.д.) и определение профиля их сечения.

Поскольку для целей проектирования профилактической одежды важен вопрос определения корригирующего усилия именно в области лопаточной точки (x = a1), предложена аналитическая зависимость величины прогиба элемента от величины усилия и жесткости пластины (EI) на уровне лопаточной точки:

(9)

Требуемая для коррекции осанки величина прогиба вертикального конструктивного элемента жилета w(a1) является известной величиной и задается в соответствии с медицинскими требованиями нормативной величиной грудного кифоза. Основной вопрос состоит в определении величины корригирующего давления P1 в области лопаток. Используя формулу (9) и учитывая, что R1 = P1S, получено аналитическое выражение для определения величины корригирующего давления P1 в области лопаток, зависящего от жесткости, размеров и конфигурации элемента и положения антропометрических точек, характеризующих физиологические изгибы позвоночного столба:

(10)

где S – площадь поперечного сечения пластины, м2.

Задачей дальнейших исследований является проведение экспериментальных работ для установления степени адекватности полученных теоретических зависимостей.

Заключение

Таким образом, в результате теоретических исследований разработан способ определения параметров корригирующих элементов профилактической детской одежды, позволяющий обоснованно с точки зрения достижения эффекта целенаправленной коррекции на ранних стадиях проектирования осуществить выбор материалов и геометрических характеристик конструктивных элементов.

Установлено, что величина необходимого корригирующего усилия в области лопаток P1 зависит главным образом от материала конструктивных элементов (модуля упругости E) и геометрических характеристик профиля их поперечного сечения (конфигурации, определяемой моментом инерции I, и площади S).

В соответствии с этим определены пути дальнейших исследований в направлении нахождения оптимальных вариантов сочетания материалов, из которых могут изготавливаться конструктивные элементы корректирующей одежды, а также размеров и формы их сечения.

Старкова Г.П., д.т.н., профессор кафед­ры сервисных технологий, зам. проректора по научной работе, ВГУЭС, г. Владивосток;

Шеромова И.А., д.т.н., профессор кафед­ры сервисных технологий, ВГУЭС,
г. Владивосток.

Работа поступила в редакцию 19.12.2014.