تراکم سطحی زیره کفش با هدف بهینه سازی عملکرد بالشتک

دسته: مقالات منتشر شده در 26 ارديبهشت 1403
نوشته شده توسط Admin بازدید: 30

درجه بندی تراکم سطحی زیره کفش با هدف بهینه سازی عملکرد بالشتک

زیره میانی با دفع ضربه و پایداری اجزای مهمی در کفش ها به شمار می روند. درنتیجه راحتی فرد را بهبود بخشیده و به طور موثری از آسیب های خاص پا و مچ پا جلوگیری می کند. زیره میانی با طراحی منطقی می تواند به طور بالقوه فشار کف پا را کاهش داده و عملکرد پا را بهبود بخشد. در مطالعات قبلی علیرغم اهمیت طراحی زیره میانی، پتانسیل استفاده از درجه بندی تراکم سطحی زیره میانی به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه به بررسی اثربخشی درجه بندی تراکم سطحی زیره های میانی کفش با استفاده از کلاس جدیدی از فوم های پلی اوره به عنوان نمونه ای از مواد پرداخته ایم. فوم های پلی اوره به دلیل داشتن خواص بالشتکی عالی مورد استفاده قرار می گیرند. چگالی های مختلف فوم پلی اوره، از 95 تا 350 کیلوگرم بر مترمکعب باهدف ساخت روابط آماری همبستگی وابسته به چگالی مورد نیاز در فرایند بهینه سازی بررسی و آزمایش شدند. سپس یک چارچوب بهینه سازی به منظور تخصیص چگالی فوم در نقاط پلانتار خاصی براساس عملکرد بالشتک مورد نیاز که توسط فشارهای موضعی محدود شده است، ایجاد شد. همچنین از الگوریتم نقطه داخلی برای حل مسئله بهینه سازی محدود استفاده شد. این الگوریتم بهینه سازی یک رویکرد جدید را با استفاده از حداکثر انرژی جذب به عنوان تابع هدف به ما ارائه می دهد. فرایند بهینه سازی چگالی فوم نقاط پلانتار مختلف را برای حداکثر اتلاف انرژی بیومکانیکی بدون تحمل بار اضافی ناشی از اضافه وزن را نشان می دهد. یافته های ما نشان می دهد که طراحی زیره میانی می تواند از درجه بندی چگالی (سطحی) افقی بهره مند شود که منجر به کاهش بالقوۀ وزن و بهبود عملکرد بالشتک موضعی می شود. با تجزیه و تحلیل داده های فشار اوج پلانتار موضعی، نتایج بهینه سازی فوم های پلی اوره با چگالی کم (140 کیلوگرم بر مترمکعب) برای فالانژهای مرکزی و جانبی را نشان می دهد درحالی که فوم های سفت تر (230-185 کیلوگرم بر مترمکعب) گزینه های مناسبی برای متاتارس و قوس در طراحی زیره میانی درجه بندی شده با چگالی سطحی هستند. رویکرد ارائه شده در اینجا این پتانسیل را دارد که در سرعت های مختلف راه رفتن (نرخ بارگذاری) و الگوهای فشار کف پا به منظور افزایش عملکرد بالشتک به کار گرفته شوند.

 

اختلالات و بیماری های مرتبط با پا ازجمله آرتروز، صاف بودن کف پا، دیابت و زخم کف پا شایع هستند و می توانند منجر به درد، ناتوانی و کاهش کیفیت زندگی فرد شوند. این شرایط درمیان سالمندان گسترده تر است و موجب عدم تعادل و بیماری‌های استخوانی و عضلانی شود. اگرچه درمان‌های بالینی مانند دارو یا جراحی می توانند موثر باشند اما اغلب پرهزینه بوده و عوارض پس از درمان را نیز افزایش می‌دهند. روش دیگر، مداخلات غیردارویی است مانند کفش‌های ارتوپدی که رویکردی عملی به منظور کاهش فشار کف پا، بهبود عملکرد و تعادل، و کاهش درد محسوب می شوند. فراتر از کاربرد درمانی، طراحی کفش می تواند عملکرد ورزشی را بهبود بخشیده و آسیب های ورزشی را به حداقل برساند. کفش‌هایی که طراحی مناسبی دارند می‌توانند فشار روی پا را درحین ورزش کاهش داده و به طور بالقوه منجر به بهبود عملکرد بیومکانیک و پیشگیری از آسیب شوند. واکنش بالشتک کفش هم برای راحتی پا و هم برای بهینه سازی خواص بیومکانیک بسیار مهم است. بالشتک مناسب اتلاف انرژی مکانیکی را کاهش می دهد و نقشی مهمی در پراکندگی نیروهای وارده بر روی پا دارد و علاوه براین، به طور موثری خطر ابتلا به آسیب‌های اندام تحتانی را به حداقل می‌رساند. سفتی کف کفش که معیاری حیاتی برای راحتی فرد است، می‌تواند در طراحی سفارش کفش و ساخت کفی هایی برای کاهش فشار زیاد کف پا تغییر کند. باوجود مزایای کفی های سفارشی در کاهش فشار و پراکندگی آن، ساختار نسبتا نازک آنها اثربخشی را به ویژه درحین فعالیت هایی مانند دویدن یا پریدن محدود می کند. در چنین شرایطی، زیره میانی کفش به دلیل ضخامت بیشتر آن نسبت به سایر قطعات عمدتا بیشتر نیروهای بیومکانیکی را از بین می برد. اگرچه در این مطالعه بر بهینه سازی تراکم میانی تمرکز شده است، سایر قطعات کفش نیز نقش مهمی در بهبود راحتی پا و عملکرد آن دارند. درواقع، طرح های خاص کفی، باوجود نازک تر بودن از زیره میانی، در کاهش نیروهای ضربه به زمین درحین فعالیت فیزیکی موثر هستند.

 

به عنوان مثال چن و همکارانش در مطالعه خود از اثربخشی ضخامت کفی و قرار دادن پد متاتارس برای کاهش فشار کف پا با استفاده از تحلیل عنصر محدود سخن گفتند. در مطالعه دیگری به پتانسیل کاپ پاشنه منطبق و کفی نرم تر برای تقویت بالشتک کفش پیاده روی باوجود فشار بر روی کف پا اشاره شده است. درهمین حال، اختلاط صفحات کربن در طراحی ساختاری زیره میانی تاثیر قابل توجهی بر توزیع نیروی ضربه و عملکرد بیومکانیک اندام تحتانی درحین ورزش دارد. کفش های پیاده روی با کمک صفحات فیبر کربنی می توانند فشار کف پا را کاهش داده و عملکرد بیومکانیک را درحین دویدن تحت تاثیر قرار دهند؛ درنتیجه بر عملکرد فرد درحین دویدن و میزان آسیب پذیری تاثیر می گذارند. از دیدگاه مهندسی، استفاده از مواد ریزساختار در زیره میانی به تحمل بار و جذب انرژی مکانیکی آن کمک می کند. با این حال، طراحی مؤثر زیره میانی، با درنظر گرفتن روابط متقابل همزیستی بین خواص مواد، عملکرد مکانیکی و شرایط بیومکانیکی کفش مستلزم یک رویکرد چندرشته ای است. در راستای پیشرفت‌های اخیر در تولید مواد افزودنی، محققان به بررسی پتانسیل ساختارهای مشبک در طراحی زیره میانی کفش، بهره مندی از طبیعت جذب بار استثنایی و وزن سبک آنها پرداخته اند.

 

جمع بندی و کلام آخر

مطالعه حاضر به بیان درجه بندی چگالی سطحی به عنوان یک استراتژی عملی باهدف بهینه سازی عملکرد بالشتک فوم های میانی می پردازد. در اینجا از فوم های پلی اوره با چگالی های مختلف، از 95 تا 350 کیلوگرم بر مترمکعب، به دلیل تحمل بار مکانیکی عالی و جذب انرژی بالا استفاده شده است. با اندازه‌گیری‌های درجا، شرایط واقعی بارگذاری بیومکانیکی شناسایی شد و برای مقایسه فوم های پلی اوره با همتایان معمولی EVA ازنظر معیارهای جذب انرژی مکانیکی مقایسه و بررسی شدند. ویژگی های عملکرد برتر آنها درمقایسه با فوم های EVA استفاده از فوم های پلی اوره را توجیه می کند. در ادامه، یک الگوریتم آماری برای شناسایی چگالی بهینه فوم پلی اوره در نقاط فشار کف پا توسعه داده شد. همچنین از فرایند بهینه سازی به عنوان یک عملکرد هدف استفاده شد که ازطرفی چگالی فوم را افزایش داده و از طرف دیگر، جذب انرژی ایده آل را به حداقل می رساند. در اینجا مشخص شد که فوم های تک چگالی براساس سطوح تنش (فشار) موضعی در نقاط پلانتار مختلف قابل استفاده هستند. به عنوان مثال با در نظر گرفتن اتلاف انرژی بیومکانیکی بهینه بدون وزن اضافی، فوم ها با چگالی 95 و 140 کیلوگرم بر مترمکعب به ترتیب فوم های ایده آلی برای تنش تا 0.039 و 0.04-0.047 مگاپاسکال شناسایی شدند. ما همچنین داده‌های حاصل از اوج فشار پلانتار موضعی را ترکیب کرده و زیره میانی را براساس الگوهای توزیع تنش متمایز به پنج دسته طبقه بندی کردیم. نتایج حاصل از فرایند بهینه سازی نشان داد که فوم های پلی اوره با چگالی کم (140 کیلوگرم بر مترمکعب) مواد مناسبی برای فالانژهای مرکزی و جانبی پا به دلیل فشارهای موضعی نسبتا کم کف پا هستند. ازطرفی، نقاط متاتارس و قوس به تراکم بالاتری بین 230-180 کیلوگرم بر مترمکعب نیاز دارند. فوم های پلی اوره سفت تر با بهبود عملکرد بالشتک قادر به تحمل فشارهای بیشتر در کف پا خواهند بود. اگرچه در این مقاله فقط شرایط راه رفتن بررسی شده است، اما رویکرد ارائه شده در اینجا را می توان در شرایط مختلف بار، الگوهای راه رفتن و فشار کف پای فرد/بیمار نیز مورد بررسی قرار داد که زمینه را برای ساخت زیره میانی باتوجه به شرایط فیزیکی منحصر به فرد کاربر فراهم می کند.