Page 38 - 《摩擦学学报》2020年第4期

448 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

尖离地的向后冲量相抵消，使得启动期的地面反作用 积逐渐减小，接触区域逐渐集中，并往脚跟位置转移，
力减小，甚至由正变负. 并且，花纹钢板的制动期摩擦 最大压强增大. 坡度为0°、5°和10°时，下坡制动期的脚
2
力峰值明显低于其他钢板，支撑期也显著延长，步频 跟与地面接触面积较大、且近似相等，分别为42 cm 、
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降低，导致滑摔风险升高，这同样可能是线切割机械 42 cm 和41 cm ，但0°时的最大压强仅有1 375 gr/cm ，
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2
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加工表面粗糙度所引起的“钉扎”效应不一致. 明显低于5°和10°时的1 580 gr/cm 和1 634 gr/cm . 当
图7(d)所示圆弧地板在不同坡度下行走方向的摩 坡度增加到15°时，脚跟与地面的接触面积急剧减小，
擦力差异较大. 随着坡度的增大地板摩擦力的制动期 仅有34 cm ，最大压强明显增大，达到1 800 gr/cm . 而
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第一个极值先增大后减小，坡度为15°时摩擦力最高 当坡度继续增加到20°时，脚跟与地面的接触面积也
达到–340 N. 当坡度增大到20°时摩擦力制动期第一个 继续减小，为29 cm ，但此处的最大压强却急剧减小、
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极值则减小到与10°时相当，约为–230 N. 相反，地板 仅有1 160 gr·cm . 这是因为此时的人体行走姿态发生
−2
摩擦力的启动期第二个极值则随着坡度的增大而减
明显变化，制动期不仅脚跟与地面接触，前脚掌也已
小，坡度为0°和5°时为100 N左右，高于10°和15°时的约 2
着地，与地面的接触面积达到50 cm ，最大压强也有
50 N. 坡度继续增加到20°时则变为负数，约–210 N， 2
900 gr/cm ，从而分担了一部分人体重力.
表明此时的人体行走姿态发生改变，脚尖离地启动期
从表2显示的下坡制动期步态参数还可以看出，
的摩擦力与行走方向相反.
步长与上坡行走相同，随着倾斜角度的增大而缩短，
图8所示为下坡制动时的脚底压力分布，由于此
步频则与上坡行走相反，随着倾斜角度的增大一并增
时正处于脚跟刚触地的瞬间，此时在坡度小于15°时
大，由坡度为0°时的67 cm步长，缩短到坡度5°、10°和
只有后脚跟与地面接触，而前脚掌还未着地，因此实
15°时的60、59和61 cm. 然而，当坡度继续增加到
际上只有后脚跟的压力分布，颜色越深表示压力越
20°时，步长急剧缩短到50 cm. 步频则呈现先增大、后
大，面积越大表示接触区域越大. 而当坡度增加到
减小的现象，由坡度0°时的1.54步/s，增加到5°、10°时
20°时，前脚掌与后脚跟同时触地，也证明人体行走姿
1.72步/s和1.8步/s，当坡度继续增加到15°时，步频降低
态发生明显变化. 下坡时的压力分布面积和最大压强
为1.74步/s，当坡度增加到20°时，步频突降到1.55步/s.
列于表2中.
这是由于坡度过大时重力在坡面道路的向前分量增
表 2 下坡制动期脚底压力分布值及步态参数 大，使得行走的惯性力急剧增加，人体为了保证安全
Table 2 Foot pressures and gait parameters of heel strike 行走而改变步态参数，导致步频降低.
during downhill
3 结论
Gradient/ Area/ Pressure max / Step length/
Cadence/s –1
2 2
(°) cm (gr/cm ) cm
0 42 1 375 67 1.54 a. 上坡行走时，各个地板的有效摩擦系数除坡度
5 42 1 580 60 1.72 10°以外没有明显差异，地面形貌的影响较小. 下坡行
10 41 1 634 59 1.8
走时，各个地板的有效摩擦系数在坡度10°以下时没
15 34 1 800 61 1.74
20 29(50) 1 160(900) 50 1.55 有明显差异，当坡度增加到10°以上，机械加工地板的
注：括号内为前脚掌的压力分布 表面粗糙度相同，有效摩擦系数也相近，表面波纹度
由图8及表2可知，与上坡行走相似，下坡行走时 差异的影响较小，花纹地板的有效摩擦系数则由于表
随着坡度的增大，制动期后脚跟与地板的有效接触面 面粗糙度不同而明显低于机械加工地板. 因此，坡度

(a) 0° (b) 5° (c) 10° (d) 15° (e) 20°

Fig. 8 Pressure distribution of heel strike during downhill
图 8 下坡制动时脚底压力分布图