论鞋腔热湿舒适性的形成

论鞋腔热湿舒适性的形成

1鞋帮的热湿传输在脚趾和脚趾环境系统中，人体的脚会因新陈代谢和痉挛而变热并排出汗。这些热量和汗水应该通过袜子和外套传递，外部环境的热、湿和气流应该通过匡道来传播。因此,人脚在穿鞋后每时每刻都与环境进行着复杂的热湿传输过程。鞋帮材料热传递性能、湿传递性能、透气性能等是影响鞋腔内微气候的基本因素。热的传递有干热和湿热两种形式:在无明显感觉出汗时的热量称为干热,又称为显热,显热传递热量有传导、热辐射和热对流三种方式。有感出汗时的热量称为湿热,又称为潜热,潜热一般通过相变耦合的方式传递热量。1.1温度差的影响传导是指由温差引起的热量或者说能量转移。如果在一种介质内部或是在两种介质之间存在温差,就会有传热发生。当人脚表面与鞋腔微气候、外界环境之间存在温度差时,如果人脚温度高于环境温度,就会导致脚的部分热量通过鞋腔微气候环境先传给鞋材,然后在鞋材的内外表面上形成温度差,再通过温度差产生的内外表面的能量差异将热量传递给外部环境,反之依然。由于运动鞋材料是多孔性纤维,纤维内部与纤维间的孔隙中充满着空气,所以由脚皮肤到运动鞋外表之间通过运动鞋的热传递过程是一个十分复杂的过程。1.2脚和鞋的能量辐射散热是一种非接触式传热方式,不需要其它物质做传播媒介,本身以电磁波的形式传递热量。脚和鞋不但在吸收从太阳或周围其它物体发射的热量,同时也在向周围环境辐射热量。辐射散热大小与人脚的表面温度、阳光照射强度、穿着状态下的有效辐射面积成正比。1.3鞋材纤维的热传导对流传热是指当一个物体表面和一种运动的流体处于温度不同时,在流体中发生的由传导和流体运动的共同作用而引起的热量传递。在脚皮肤表面和运动鞋外层表面,对流的传热模式有两种:一是由于水蒸气的随机扩散导致的热量传递,即由流体中的浮升力引起的自然对流;二是由于流体边界层内水蒸汽的宏观运动传递热量所产生的强制对流。只要流体和它接触的物体表面存在温度差,就会产生对流传热。通常情况下,显热传递通过传导、对流、辐射三种方式进行综合传递,即一部分热量通过鞋材纤维来传导;一部分通过鞋腔微气候环境及鞋帮鞋底中所含空气的微弱对流进行传递;还有一部分通过纤维与纤维间的表面辐射进行。由于制鞋材料的纤维属多孔介质,其内部含有大量的相互关联的空隙,因此对流散热在运动鞋显热传递中具有重要的地位;又因为材料纤维之间的缝隙孔隙较小,所以对流和辐射的传热要小于热传导对传热做的贡献;但研究表明,人在处于安静状态下时,辐射散热所占比例较大,可达60%左右。总之,显热通过运动鞋的传递过程是一个瞬态变化的动态过程,从脚皮肤开始,热量首先通过鞋与皮肤间空气层中的空气、固体纤维及纤维间的空气进行导热;同时,由于温度梯度的存在,在外层鞋表面将通过对流与辐射的方式与周围环境进行热量交换,并最终达到动态平衡。物体和物体之间或物体和空气之间的热量传递过程简称为传热;物体之间或物体和空气之间的水汽的传递过程简称为传质。传热是建立在温差的基础上的,而传质是建立在相对湿度差的基础上的,由于对流是靠水蒸气分子的随机运动和流体(边界层内水蒸汽)的成团运动或者说是宏观运动传递能量所引起的,所以,对流传热的过程中常伴随着水蒸汽的液态和气态的运输和相变,使得对流传热过程中伴随传湿,并有一些潜热传递。温度的改变直接导致相对湿度发生改变,所以讨论运动鞋热传递必须同时讨论人脚与材料之间的热量交换和湿汽交换。2人脚和高尔夫球场湿传递的特征运动鞋鞋腔的湿传递往往伴随着热传递一起发生,一种质量携带能量的相变耦合的传递过程,即由水蒸汽的传递而带走汽化热的物理化学过程。人体新陈代谢所产生的汗液经由皮肤表面的挥发一般可分两种情况:不显性蒸发和显性蒸发。不显性蒸发,又称无感出汗或潜汗,指在代谢水平低下或运动不激烈时,汗液在汗腺孔内或汗腺孔附近形成水汽并通过皮肤表面的蒸发。它的特征是皮肤表面看不到明显汗液,主要以气态形式(汗汽)存在,皮肤上不呈湿润状态。如脚后跟和脚背处在一般行走或静坐时都进行不同程度的非显性蒸发。显性蒸发,又称有感出汗。在新陈代谢很强烈,外界温度等于或高于人脚皮肤表面温度或者人体进行激烈活动时,引起体热蓄积,体温升高的汗液传递。当温度超过体温调节区时,神经中枢的出汗枢纽区域受到刺激,汗腺开始排出水分,以液态方式渗透到体外,汗液分布在皮肤表面上,就是有感出汗。显性蒸发主要以液态形式存在,也可以汗液与汗汽两种方式同时存在。运动鞋中的湿热传递由皮肤表面的最内层气候区内开始,经过各层材料和材料之间的空气层,最终到达外界环境。运动鞋作为隔绝皮肤与外界环境之间的介质,水分在其中的传递主要是通过纤维之间的孔隙及纤维本身进行的。温度差和水蒸气压力是热湿传递的主要能源。人脚无感出汗和有感出汗的传递渠道并不完全相同。无感出汗时,运动鞋的湿传递的初始状态是水汽,即气态水;有感出汗时,运动鞋的湿传递的初始状态主要是液态水,也伴随少量气态水,即汗液和汗汽同时存在,微气候区中相对湿度比较高。所以,通过运动鞋的湿传递主要有气态湿传递和液态湿传递两种形式。2.1人脚采集的人脚湿地,可从三维生长到可混合式的外来草当脚表面无感出汗时,汗液在汗腺孔内或者附近蒸发成水汽。水蒸气的传递有两种途径,一种是汗气经鞋腔微气候区和鞋材纤维内部缝隙孔洞扩散转移到外界空间。它是在水蒸汽分压梯度差作用下实现的,受纤维对水蒸气吸附和解吸能力的影响。另一种是汗气在运动鞋内表面纤维中孔洞和纤维表面凝结成液态水,靠纤维的润湿和芯吸作用,经纤维内孔隙或纤维间孔隙毛细管道运输到运动鞋外表面,再重新蒸发成水蒸汽挥发到外界环境中去。运动鞋湿传递的流程包括:鞋腔内部水蒸气的扩散、水蒸气在运动鞋内表面和毛细管道中的吸附和凝结;水蒸汽在鞋材中的输送;液态水在鞋材纤维中的润湿、吸收、毛细输送以及水分在运动鞋外表面和毛细孔中的蒸发。人脚出汗是一个从无感出汗到大面积有感出汗的渐进过程。运动鞋与外界环境之间的热湿平衡是个动态平衡。2.2微气候温度与热、湿传递的关系当有感出汗时,湿传递还包括由于汗水蒸发、透湿、扩散所造成的湿热传递,即热湿耦合传递。它的耦合机理为:当水蒸气通过运动鞋时,由于纤维对水蒸汽有吸湿作用,会导致一部分水汽被纤维吸收,这部分水汽从气态变到液态,生成相变潜热,即释放出吸收热。而温度升高也将会改变材料纤维以温度为能量进行显热传递,并且由于水的导热能力比空气和纤维都要大(大约是空气的20多倍),汗液被鞋材纤维吸收后,使得纤维的导热率增大。同时,随着微气候温度的升高,水蒸汽分压力以及运动鞋内湿量的传递过程在不断增大,纤维的回潮能力增强,运动鞋中的饱和水蒸气压力也在升高;另一方面,温度的升高也加剧了分子运动,扩散能力也在增强,由于这两种因素的综合作用,使得运动鞋材料纤维传递湿气能力增强。反过来,纤维的传湿量越多,通过纤维吸收水分而放出的吸收热也就越多。这样,在两者相互促进下,纤维的温度就会升高的越快,水汽的凝结(或蒸发)会释放(或吸收)热量,这又将改变运动微气候温度大小,进而影响到运动鞋的热传递过程。因此,在人实际穿着过程中,热、湿传递是密切相关、同时进行的。运动鞋的鞋腔温度和相对湿度每时每刻都在随着热、湿传递的进行发生着变化,尤其在剧烈运动导致大量出汗情况下运动鞋热湿传递更是热湿耦合的,将热湿传递综合起来考虑,更符合人脚实际穿着条件。3热潮湿的体验机制3.1人脚皮肤的热舒适性热舒适感是人体大脑对外界客观事物的冷热刺激做出的主观判断。热舒适感的产生包括物理,生理,心理三个环节,其流程主要有:神经冲动的传输,传输特性,整合传输规律,大脑皮层感觉区定位,大脑相关区域进行生物物理反应和生物化学反应。热舒适感的产生是一个比较复杂的神经反应过程。当鞋腔微气候温度、相对湿度等环境因素刺激人脚皮肤的感觉器官时,感受器便会产生相应的神经活动,并通过各级神经系统的整合和传递,到达人的丘脑层,丘脑层将冲动信号映射到大脑相关区域,并与该区域储存的热舒适感模式的相关信息进行比较,如果一致,人就会产生舒适感;如果该神经冲动信息与之不匹配,人就会感觉很不舒服。通过实验测定,最宜人的室内温湿度是:冬天温度为18~25℃,相对湿度为30%至80%;夏天温度为23~28℃,相对湿度为30%~60%。在此范围内会感到舒适的人占95%以上。在装有空调的室内,室温为19~24℃,湿度为40%至50%时,人会感到最舒适。3.2人脚皮肤中的湿度变化人体穿着运动鞋后除跟帮面产生力学刺激感觉和温度感觉外,还会通过大脑做出对鞋腔的干湿状态的判断,产生湿度感觉。湿度感觉的产生机理是人脚皮肤在接触袜子等织物或者鞋材的过程中将脚皮肤表面含湿量增加或减少的感知信号传递给大脑后大脑做出的对鞋的干湿状态的判断。虽然在大多数情况鞋腔内部的相对湿度会对人的湿度感觉有影响,但湿度感觉的判断不是建立在鞋腔的含湿量的基础上的。决定人对潮湿程度判断的是接触过程中因传热和传质引起的皮肤湿度的增加程度,也就是说,人脚皮肤接触鞋子后对鞋子湿度的判断是建立在皮肤与鞋子之间的水汽的动态平衡状态上的。传质的发生往往与传热有关,温度会对湿度的感觉起作用,但不是直接起作用。如果传质发生在从皮肤到鞋的方向时人就会感觉干燥,而如果传质是从鞋到人脚皮肤时就会感觉潮湿。湿舒适感的产生机理与热舒适感相类似,都是外界刺激产生的神经冲动信号与大脑相关区域储存的湿舒适感模式比较后得到的主观判断。3.3影响人类脚的温度和湿度的因素在外界环境相同和穿着同一款运动鞋时,不同的人会产生不同的热、湿舒适感,这主要是由以下因素引起:1热湿幸福感的模式大脑储存的个体的热、湿舒适感模式是人们过往经验的积累,不同个体因为种族遗传基因、民族风俗、生活阅历、生活环境、受教育程度以及健康状况的不同,形成了不同的热、湿舒适感模式。同时,同一个人在不同的时期,其热、湿舒适感模式也不完全一样,人的大脑则会根据不同的热、湿舒适感模式做出不同的舒适感判断。2出合理的神经编码如果人的注意力专注于热、湿舒适感时,上行激动神经系统刺激大脑皮层相关区域更加兴奋,产生更强的神经冲动信号,从而得到比较清晰准确的判断结果。反之,当注意力集中于其它事物时,热、湿刺激产生的神经冲动信号不强烈,会使大脑皮层相关无法做出准确的热、湿感觉的判断,因此,不明显的不舒适感也不会引起个体的特别注意.3对环境的热湿刺激如果一个人长期生活在某一个生活环境中,即使此环境的温湿度不符合该个体的标准热、湿舒适模式,他也不会感觉出来,这是一种习惯现象,这是由于人的大脑神经系统对该环境的热湿刺激产生疲劳。而当一个人进入某一较不舒适的环境之后,不舒适感很快消失,这种现象称为“适应”。其原因主要是大脑兴奋区域的转移,这两种能力都对会对人的热、湿舒适感的判断产生影响。4脑同时生理器官热、湿舒适感与人的生理状况密切相关。人是否产生舒适感是由大脑判断的,而大脑同时又是生理器官,因此人体生理上的舒适最终也会转为心理上的舒适。总之,热、湿舒适感作为人的一种主观感觉,与人的心理和生理因素紧密相关,对运动鞋鞋腔微气候热湿舒适性进行评价需要结合人的生理因素和主观感觉进行综合判断。4人的鞋腔温度与湿度的关系通过以上研究分析可以得知以下结论:(1)无明显出汗时,运动鞋热传递通过传导、对流、辐射三种方式进行综合传递,对流散热在运动鞋显热传递中具有重要的地位,但静止状态下,辐射散热所占热量传递比例较大。(2)对流传热的过程中常伴随着水蒸汽的液态和气态的运输和相变,使得对流传热过程中伴随传湿,并有一些潜热传递。温度的改变直接导致相对湿度发生改变,因此,人实际穿着过程中,热、湿传递是密切相关、同时进行的。运动鞋的鞋腔温度