Page 37 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 李梁瑜, 等: 坡面道路上地面形貌对人体步进摩擦的影响 447

0°和 5°时 的 1.54步 /s、 1.55步 /s增 加 到 10°、 15°时 的 的有效摩擦系数明显低于其他地板，甚至低于平面地
1.57和1.61步/s. 这是由于随着步长的增加，人体行走 板. 这可能也是因为线切割机械加工的几种地板表面
产生滑移的距离延长，导致人体重心至行走地面垂线 粗糙度相同，当鞋底与地面接触时的“钉扎”作用大于
与重心至压力中心连线之间夹角的正切值tgθ增大，安 花纹钢板.
[23]
全行走所需的必要摩擦系数升高，滑摔风险增大 . 由图7(b)、(c)可以看出，倾斜角度为10°时各个地
而随着步速的增大，脚与地面的接触时间缩短，安全 板试样在行走方向摩擦力的峰值大小也没有明显差
[22]
行走所需的摩擦力增大，打滑倾向也随之增大 . 因 异，同样，在脚跟着地时出现的第一个峰值为负数表
此，当人体在坡面道路上行走时，为了降低安全行走 明摩擦力与行走方向相反，脚尖离地时出现的第二个
所需的必要摩擦系数，会缩短步长、减小步频而降低 峰值为正数表明摩擦力与行走方向相同. 但与上坡行
滑摔风险. 然而，当坡度继续增加到20°时，步长虽然 走相反，下坡行走时脚跟着地的制动期所需要的摩擦
与15°时一样缩短到64 cm，但步频却降低到1.52步/s， 力峰值明显高于脚尖离地的启动期，制动期为–250~
这是由于坡度过大时人体上坡为了保证安全行走而 –280 N、而启动期为–40~–70 N，表明下坡行走时制动
改变步态参数，使得克服重力的做功急剧增加，导致 期的行走滑摔风险高于启动期. 当坡度增加到20°时，
步频降低. 花纹地板的启动期摩擦力峰值由正变负、其余地板的
2.2 下坡行走 启动期摩擦力峰值也仅仅略大于0，且制动期的摩擦
下坡行走时在行走方向上各个地板试样的摩擦 力峰值也急剧增大到–340~–440 N，表明此时的人体
力及脚尖离地的启动阶段摩擦系数如图7所示. 由 行走姿态也发生了明显变化，制动期安全行走所需的
图7(a)可知，下坡制动时期，当倾斜角度小于10°时各 摩擦力增大，滑摔风险进一步升高. 这是由于在下坡
个地板试样的有效摩擦系数差异较小，当坡度大于 行走时，人体重力在坡面上产生向前的分量，而向前
10°时圆弧地板的有效摩擦系数较高，而花纹地板的 分量在制动期与脚跟着地的向前冲量相叠加，使得制
有效摩擦系数较低，尤其是坡度增加20°时花纹地板 动期的地面反作用力增大，向前分量在启动期则与脚

0.45
(a) 100 (b)
0.40
50
0.35 0
−50
0.30
ACOF Force/N −100
0.25
Wide trapezoid −150 Wide trapezoid
Narrow trapezoid Narrow trapezoid
0.20 −200
Smooth Smooth
Cambered −250 Cambered
0.15
Riffled Riffled
−300
0.10
0 5 10 15 20 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Incline angle/α° Time/s
(a) Friction coefficient of toe-off (b) Force at 0°
200
(c) 100 (d)
100
0 0
Force/N −100 Force/N −100
−200
Narrow trapezoid
−300 Wide trapezoid −200 0°
5°
Smooth 10°
−400 Cambered −300 15°
Riffled 20°
−500 −400
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Time/s Time/s
(c) Force at 20° (d) Force of cambered floor

Fig. 7 Friction coefficient and heading direction force during uphill
图 7 下坡制动的摩擦系数及行走方向地板试样受力