喜欢徒步旅⾏的⼈,应该会对带有胸扣和腰扣的双肩包⽐较熟悉。扣上胸扣和腰扣,会明显感觉到轻松了许多,这是为什么呢?普通背包由于没有胸扣和腰⼝,相当于把书包的重量通过背包带⼦挂在肩膀上。分别对背包和⼈的受⼒进⾏分析,除重⼒以外,背包还受背包带的拉⼒和身体的⽀撑⼒。根据作⽤⼒与反作⽤⼒,⼈将受斜向下的拉⼒,将所有⼒对点取矩会发现,此时⼈的身体有向后倒的趋势。
为了保持平衡,⼈会不⾃觉弯腰向前倾斜身体,对背包和⼈体进⾏受⼒分析,此时背包和⼈的重⼼前移,减⼩拉⼒的矩,使⼈保持整体上的平衡。然⽽,⼈⻓时间弯腰会导致腰部疲劳、引起酸痛、僵硬等不适。在医学上,“腰”并不是⼀个器官,⽽是指身体躯⼲的⼀个区域,主要由腰椎、腰肌、韧带等共同组成,腰椎位于脊柱下端,是腰区的⻣性结构,起着对于躯⼲的⽀撑作⽤。
当身体直⽴时,脊柱竖直,脊柱内以轴⼒为主,即⼒沿着轴向⽅向且以压⼒为主。将其简化为竖直的柱,⼜由于脊柱的下端和髋⻣组成盆⻣,具有较好的稳定性,可将脊柱下端简化为固定端约束。假设柱⻓为,载荷简化为集度为的均匀载荷,则在固定端处的约束反⼒为。当柱倾斜后,假设倾⻆为,在固定端处的约束反⼒除了⽀撑⼒之外,还将产⽣弯矩,分别为。由此可⻅,当柱倾斜⻆度为时,最⼤应⼒是竖直柱时的()倍。
弯腰时,腰椎受⼒与此相似,但要复杂的多。成年⼈的脊柱由块椎⻣,椎⻣之间还有椎间盘。正常情况下,椎间盘依赖间歇压⼒载荷使间质压⼒、渗透压⼒产⽣变化,形成“泵送”效应,为⽣⻓因⼦、细胞因⼦、酶等⼤溶质物质的传输提供动⼒,因此,正常的间歇压⼒是保证椎间盘细胞代谢活性和基质结构稳定的重要条件。
但是,如果⼈承受的压⼒超出正常范围,压⼒过低或超⽣理强度承受压⼒,都会影响到椎间盘的正常代谢,严重时,还会显著的影响椎间盘代谢活⼒和基质稳定,引起腰椎间盘突出,或者腰椎管狭窄。此外,腰椎在⾮正常受⼒下,为了维持平衡,相关肌⾁将处于过度张拉状态,⻓时间张拉,肌⾁将消耗较多的葡萄糖并产⽣乳酸堆积,就会产⽣酸痛和疲劳感,并催⽣炎症因⼦,将有可能诱发腰肌劳损、腰肌筋膜炎,产⽣腰部僵硬等症状。
当扣上背包上的胸扣和腰⼝时,⼈体的受⼒就会得到很⼤的改善。分别对背包和⼈体的受⼒进⾏分析,可以发现,背包由于受到胸带和腰带的拉紧⼒,在⼈体与背包之间就具有正压⼒,这为产⽣摩擦⼒提供了条件,背包的重⼒将由摩擦⼒与背包带的拉⼒共同平衡,当摩擦⼒⾜够⼤时,将会变得很⼩,也就是说⼈受到背包的向后的拉⼒会很⼩。对⼈体进⾏受⼒分析,摩擦⼒增加,这个⼒紧贴着脊柱,不会产⽣向后的⼒矩。
同时,由于摩擦⼒的出现,减⼩了向后拉的作⽤⼒,这样背包对⼈产⽣的向后的⼒矩就得到了极⼤地减⼩,这说明⼈的身体可以在近似直⽴时保持平衡。再回到腰部的受⼒与疲劳之间的关系,直⽴说明腰椎受⼒“均匀”,不会出现承受压⼒过低或超⽣理压⼒过⼤的情况,从⽽使得腰椎和腰部其他组织得到保护,减少了出现腰肌劳损、腰肌筋膜炎,产⽣腰部僵硬等症状的可能。
可⻅,胸扣、腰扣将背包的重量转化为摩擦⼒,紧贴着⼈的脊柱施加载荷,减⼩了⼈受到向后的⼒矩,从⽽可以使⼈保持直⽴,减轻了腰椎及其它组织的负荷,这就是胸扣和腰扣在减轻⼈体疲劳⽅⾯的作⽤。当然,胸扣和腰扣还将背包紧紧地固定在⼈的身上,在⼈⾏⾛的过程中,保证背包不会与身体发⽣碰撞、摇摆等现象,使身体更容易保持平衡,这可以称之为双扣使⼈感到舒适的外部原因。
相对于外部因素,利⽤胸扣和腰扣使背包和⼈体之间产⽣摩擦⼒,减⼩背包对⼈体向后的⼒矩,使⼈体在近似直⽴情况下保持平衡,就是双扣减轻⼈体疲劳的内部原因。