减负双肩包的设计

张钱潮，阮伊阳，邹慧琳，呼格吉乐（湖州师范学院 理学院物理实验教学示范中心，浙江 湖州 313000）

减负双肩包的设计

张钱潮，阮伊阳，邹慧琳，呼格吉乐
（湖州师范学院 理学院物理实验教学示范中心，浙江 湖州 313000）

基于对普通背包结构的深入研究，研制出了“减负双肩包”的模型。此款双肩包不仅能够满足背包者对背包的舒适度要求，最重要的是能够起到减负的作用。本文详细介绍了此款双肩包的设计与制作。

重心减负；动态减负；分压减负；降低能量损耗；缓冲减负；舒适

1　引言

给我们的背包“减负”一直是大众关注的话题，你知道背包多重最合适吗？美国《生活》杂志一篇文章指出，背包重量最好不要超过背包者体重的10%。美国物理治疗协会通过对9个年级学生的研究表明，背包过重和背包方式错误可能造成青少年背部损伤和肌肉疲劳。研究人员玛莉·安·威尔马思说，孩子背包过重将引起脊椎后凸、侧凸、前倾或扭曲。同时，肌肉可能因极度紧张而疲劳，脖子、肩膀和背部容易受到伤害。如果背包重量超过背包者体重的10%—15%，对身体的损害将成倍增加。其实，不止是孩子，我们任何人的背包都需要减负，都需要更适合我们人体工程学理论。

2　功能简介

（1）背包的两侧束缚装置：将包内物体紧紧束缚于背包；

（2）背包底部束缚兼背负系统调节装置：让背包配合侧翼束缚装置进一步束缚背包内物体，且具有对此背包的背负系统的调节作用；

（3）胸带可调节系统：可根据不同的胸腔大小，进行上下和长短的调节；

（4）腰带可调节系统：可根据个体需求进行腰部的固定；

（5）肩带的缓冲减负系统：由三层弹性系数为1.35N/M弹性氨纶作为缓冲材料+可调节长度的低延展索带；

（7）包体内缓冲减负系统：由三层弹性系数为55.0N/M弹性氨纶作为缓冲材料；

（8）背负系统：由树脂网，弹性钢架，海绵填充物以及腰部束缚带构成。

3　减负背包主要结构

4　减负双肩包的物理原理

4.1减少不必要的能量损耗

背包的动态运动中，由于背负物以及背包都会有一定程度的耗能运动。主要有背负物重心在人体前后方向上的移动引起了背负压力的变化：另一方面是背包和内部背负体都会有超重失重等损耗能量，增大负担的情况（如：人在背着背包走出第一步时就存在了背包和背负体的超重现象）。所以我们通过背包的两侧束缚装置，背包底部束缚兼背负系统调节装置进行对包体内背负体的五点固定，以控制背负物的重心稳定且靠近人体。同时，我们通过胸带可调节系统，腰带可调节系统，背包底部束缚兼背负系统调节装置和背负系统来控制背包的重心稳定与靠近人体。

缓冲减负系统主要分为两块，一方面是肩带缓冲，另一方面是包体内的缓冲层。在定性的角度上看，我们双缓冲系统的设置，是因为任何物体都具有惯性，而在背包在动态情况下必定在不断破坏它原本的运动状态，因此耗能且产生了増负现象。而双系统缓冲减负系统，让两个系统相互影响，使背包与背负体的运动状态改变减小，达到一种相对和谐。定量的角度上看，我们默认背包里放5本课本，10本作业本，质量约为3.5kg，重35N.在平均步频为0.71秒/步的情况下，由于超重所增加的所需人体克服的力约为3.4N。在这样的情况下，我们的包体内的缓冲层离包体的无延展体层距离0.2m，克服静态和超重的延伸约为0.2m，加之包体为软底所以包体内部的缓冲层，最大拉伸可以达到0.23m左右。肩带出的缓冲装置，因为有无延展的可调节索带，所以对于缓冲效果是可调控的。一般情况下，我们的背包对于超重的缓冲在竖直方向上距离约为±0m～0.4m。这样的缓冲使用度较高也舒适度较好。

4.2减小压强，分散受力

由于背包的静态所受重力大小不变，所以只能通过增大受力面积，增大受力点的方式达到减负效果。减负双肩包采用了宽肩带，胸带，腰带以及背负系统中的海绵软垫来增大背包与身体的接触面积起到分压作用。

4.3舒适度

我们的背包在市场上高端背包所具有的软垫支撑，防汗，S型背带等基础上，我们的肩带缓冲装置因为它是软材料，可变性，大大减少了肩带对于颈部的压迫和摩擦。与此同时，我们的背负系统，三条弹性钢条的设置比市场的背包更具有塑性和保护脊柱的作用，让背包者有一种更健康的姿态去背负。

项目：湖州师范学院理学院大学生创新创业实验室开放项目

指导老师：呼格吉乐

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.233

张钱潮（1995-），男，浙江海宁人，学生。