背包负重步行的生理学和生物力学研究进展

背包是常用的负重工具,然而人体在背包步行中可能出现一系列的生理学和运动学变化,对其姿势和健康产生影响。本文通过文献整理的方法系统综述了有关背包负重步行下人体生理学和生物力学的研究进展。探讨了背包结构与设计,长时间负重步行下的生理学和生物力学表现,以及特殊人群的背包健康问题。研究发现,背包设计需符合人体工效学,同时重点应放在对背包舒适性、功能性以及适用性进行差异化设计。在生理学方面,背包重量和步行速度显著影响能量成本和心肺活动,引起健康成人呼吸肌疲劳的背包重量阈值在20~25 kg。在生物力学方面,背包重量、背负方式和上下坡地形会对躯干姿势、躯干和下肢肌肉活动、步态参数以及稳定性造成不同的影响。学生、老年和职业人群有不同的背包健康问题,对背包舒适性、便携性、可调性和减重性的需求也不完全相同。

不同背包重量及其重心位置对静态姿势稳定性的影响

研究目的:比较不同背包重心位置及重量对于人体静态姿势稳定性的影响,为预防背包负重导致的摔倒提供理论依据。研究方法:选取13名青年学生作为研究对象,自然站立于力台(Kistler)上,分别测试背包重量为0%、10%、20%身体重量(BW)以及背包重心位置为上背、中背、下背的足底压力中心(COP)动摇,采用双因素重复测量方差分析来确定不同背包重量和不同背包重心位置对COP动摇各指标影响的主效应以及交互效应。研究结果:背包重量对于COP动摇各指标主效应都显著(P<0.05)。上背时,背包负重相比0%BW,COP动摇各项指标都显著性增加(P<0.05),中背和下背时负重相比于0%BW主要导致人体在左右方向动摇增加(P<0.05)。背包重心位置对姿势稳定性各项指标的主效应都不显著(P>0.05)。结论:背包重心位置对静态姿势稳定性没有显著性影响,背包重量导致姿势动摇增加,上背时负重增加导致人体前后、左右都不稳定,而中背和下背时负重增加只影响左右方向的姿势稳定性,应尽量减少背包负重的重量,推荐中背和下背背包,或者变背包为拉杆包。

女性双肩包负重合理性及其肩带舒适性测试

目的(1)探讨10%BW(body weight)作为日常负重是否具有科学性。(2)测试增厚肩带能否有效提升双肩包背负舒适度。方法选取13名22-24周岁的成年女性作为试验对象,分别使用原肩带与加厚肩带,背负重量为10%BW的双肩包完成规定运动。使用NOKOV光学三维运动捕捉系统测量受试者的躯干角度,并用血压计、运动手环及量表记录其生理数据与主观感受。结果(1)背包重量为10%BW时,女性受试者的躯干角度与心率、血压较无负重时均无显著性差异;(2)加厚肩带组的受试者主观疲劳度与局部不舒适度评分结果均显著优于原肩带组。结论(1)10%BW可以作为22-24岁周岁成年女性的日常安全背负重量,不会对其脊柱与肌肉健康造成严重伤害。(2)可通过加厚肩带的方法提高背负舒适感,缓解肩颈疲劳。

一种保护青少年脊柱健康的减重背包设计与研究

目前市面上的青少年背包主要通过肩部来进行载荷,而忽略了腰部载荷的作用。背包长期负重不当会影响脊柱生长。为了平衡肩部、腰部和臀部的载荷,设计一种通过臀部带和弹性杆结构改变重力传递方式的减重背包。首先对人体背包进行生物力学分析,提出设计方案;然后借助ADAMS对传统背包与减重背包在平地、上坡、下坡3种路况下进行人体肩部、腰部和臀部载荷的动力学仿真,并利用MATLAB对2种背包的肩部、腰部和臀部的力矩进行分析。结果表明减重背包减轻了肩部6.1%和腰部5.4%力矩;减重背包肩部力矩与腰臀部合力矩的比值是4.17,而传统背包的比值是6.58。减重背包减少了肩部和腰部的载荷,同时发现肩部力矩与腰、臀部合力矩的比值越小,转移到臀部的力矩越大,背包的平衡性越好,表明了减重背包优于传统背包。