讨论一下鞋底的防滑性问题－－转贴

凌波舞

转贴出处http://www.91trip.com/outdoor/outdoorinfocon.asp?bookid=853

经常看到一些山友在讨论一些鞋底的防滑性问题，我这里想从物理学理论的角度再和大家探讨一番。
实际上，所谓的鞋底滑不滑，就是指鞋底与路面之间的摩擦力大不大。我们知道，两个接触物体之间的摩擦力取决于3个因素，物体表面的摩擦系数k，物体之间的接触面积s，施加与物体上的压力f。这三个变量越大，那么摩擦力也就越大。
对应于某位买鞋的山友，该位山友的体重是基本上确定的，那么其踩在路面上时的压力也已经确定，此时f变成一个常量。
对于此处的摩擦系数，主要取决于两个因素，一个是路面，一个是鞋底，因为我们主要考察的是不同的鞋底在某些路面的防滑情况，所以我们在这里把路面做为一个常量处理，于是摩擦系数主要取决于鞋底的摩擦系数；很多山友认为v底底鞋比较滑，这里我先不做结论，不过v橡胶的摩擦系数肯定是不会比其他鞋底的橡胶小，因为我们知道在大多数厂牌攀岩鞋鞋底都是用的v橡胶。而攀岩时对鞋底的摩擦力要求是最严格的。
现在我们来看影响摩擦力的最后一个参数，接触面积。大多数实际使用情况下，这个指标才是最影响我们行进在不同路面上的感觉的。大家都知道，登山鞋的鞋底都是做了各种的花纹，而做这些花纹就是为了增大鞋与地面的摩擦力（也就是大家常说的“抓地感”），可是为什么花纹能增大鞋与地面地摩擦力呢？其结论就是：花纹能够有效增大在户外条件下鞋与路面地接触面积。之所以提到户外条件，主要就是因为我们在登山，穿越的旅途中，行走地路面主要为，碎石，土，草坪，雪面等等。在这些路面上鞋底地突起花纹能够深入到松软的路面中去，使突起花纹地垂直部分也成为与地面接触地部分，这样就成倍地增加了鞋底与地面地接触面积从而极大的增加了摩擦力。而在非户外条件下，情况就刚好相反，比如我们走在大街上甚至瓷砖地板上，这样的地面表面十分坚硬，鞋底的花纹不能深入到路面中去，此时鞋与地面的接触面积变小（仅为花纹的突起部分的下表面），摩擦力显著减小。而此时大家依然不感觉到太滑主要就是登山鞋底的橡胶的摩擦系数比较大了。如果对此不相信，你可以用一双穿了很长时间，鞋底花纹几乎已经被磨平的鞋试试，肯定防滑性能比新登山鞋好的多。
影响接触面积的除了花纹以外，还有一个通常都被大家忽略的情况：就是由于鞋底软硬程度不同而造成的鞋底形变的影响。在松软路面上，由于路面的形变是主要的，此时不容易看出鞋底形变的影响，而在坚硬路面上，鞋底形变的影响就显著的增大了。对于比较软的鞋底，在坚硬路面上鞋底花纹会有一些缩陷（既突起部分被压缩，变短变粗）以及适应路面极细微底的粗糙表面（实际上在光滑的表面用放大镜看也是粗糙不平的，而鞋底的一些细微形变搞好能使鞋底橡胶能够扣和到这些细微底凹凸不平中去）。这样同样能够增大一些接触面积从而增大摩擦力；而对于比较硬的鞋底，这样的形变很小，所以在坚硬路面上鞋底较软的鞋肯定摩擦力大于鞋底较硬的鞋。
根据上面的结论，如果我们只考虑登山鞋的防滑性能的话，那么这双登山鞋应该是这样的鞋底：鞋底橡胶的摩擦系数大，鞋底花纹深，鞋底要软。对于前面两个要求没有人会有异议，但是对于最后一点，我想所有的人都不赞成。鞋底软，意味着鞋底耐磨程度不好，穿不了多长时间，同时鞋底对于我们经常行走的碎石，起伏不平的路面是十分不合适的。这里就是矛盾的所在，如果要在所有情况下摩擦力都大，那么必须要鞋底软；如果希望鞋在大多数情况下摩擦力大，同时满足耐穿，对脚的保护好就必须鞋底硬。而目前的技术条件下没有任何鞋底的外表面的软硬程度是可以调节的，所以，没有任何鞋能够满足我们上面的两个矛盾需要。对此，鞋底的制作厂商只能在一番权衡后做出一些取舍。
v鞋底显然就是取的后者，所以不少山友反应在湿滑的坚硬平整表面上，v底鞋比较滑。呵呵，湿滑底情况下就显著降低了鞋底和路面底摩擦系数，而坚硬底路面与坚硬底鞋面相接触，其接触面积也小。所以滑是一定的了。在这样的路面上，一双彻底的平底胶鞋是比较防滑的。
经过上面的讨论，我想大家应该对买鞋有一个比较清楚的认识，你到底要买较硬的鞋还是较软的鞋，主要取决于你经常行走的路面。对于登山和高难度的穿越，一双有较硬鞋底的登山鞋能胜任大多数情况，而作为普通旅行，低难度穿越情况最好还是买一双普通的鞋底相对软一些的鞋。我们不迷信v底，也不要因为v底在个别情况比较滑而否定v底。



登山鞋鞋底的类型材料及特征
橡胶底----用橡胶和塑料一起注塑起来的底。特性是韧性大、耐磨、份量较重、防滑。
PU底------由PU塑胶原料制成，重量较轻、颜色少、耐磨、韧性大，是较理想的底材原料。
EVA底-----又称为轻泡底。重量较轻、成本最低，但不耐磨。

musa

摩擦系数不能简单视为接触时材料的基本“设计”性能，因为摩擦力取决于许多可变因素，例如：表面的宏观形状、表面粗糙度、表面可能形成的膜、滑动速度等。

关于滑动摩擦又很多中情况，举例几种简单的情况：
1、机械啮合学说
   早期的摩擦研究者认为，摩擦是由表面的粗糙不平的凸起之间的机械啮合作用的结果，解释了表面越粗糙，摩擦系数越大的现象，但无法解释经过精密研磨的洁净表面的摩擦系数反而增大的现象。该学说的摩擦系数:
          f=ΣFi/ΣNi=F/N=tanθ         θ是接触微凸体的倾斜角。

2、分子吸引理论
   鉴于精密研磨的洁净表面的摩擦系数反而增大的现象，英国、俄的研究者提出了当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之间距离的关系导出了摩擦系数与接触面积成正比的结论：
             F=f(N+pAr)        p为分子引力，Ar为真实接触面积。
3.分子—机械学说
    苏联科学家克拉盖尔斯基1939年提出了分子—机械摩擦理论，认为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并不是一个常量，用下式的摩擦二项式定律表示：
             f=αAr/N+β
      如果认为α=τb，则分子分量与下述的粘着是一回事。金属的β=0.06～0.12，塑料的β=0.017～0.06。
    4.粘着学说
    英国学者鲍登等经过深入研究，提出了摩擦的粘着学说，得到普遍的接受：在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。当相对滑动时，粘着点被剪断。如果两表面的硬度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力F:,
                f=Arτb/N=τb/σs   
τb、σs分别是较软材料的剪切强度极限（或界面剪切强度）和屈服极限。
    表明摩擦系数与接触面积无关。但计算出的摩擦系数为0.2左右，仍与实际不符。后来，人们有考虑了结点的长大（正应力与剪应力的综合结果）、表面膜的作用、表面能效应等因素，提出了更为符合实际的摩擦理论。
  更深入的研究说明，当表面的微凸体之间的接触是弹性接触或塑性接触以及表面膜的作用，影响微凸体接触的结点强度，因此影响摩擦阻力的大小。
    5.机械—粘着—犁沟综合作用学说
     为了解释摩擦的复杂现象，人们又在粘着理论的基础上提出了“机械—粘着—犁沟”综合作用的学说，综合了各个理论：
           f=τb/H+tanθ+fp            H为硬度，fp为犁沟效应分量。
      一般认为，犁沟和机械作用可能大于粘着作用。静摩擦系数决定于微凸体的变形的机械作用。


也许以上理论过于深奥，我来简单的把情况分为两种来谈：
1、碎石和泥土路面
此时我们一般采用硬V底，齿纹的咬合能力在此时占主导地位

2、干燥大石路面
材料黏性和材料围观变形咬合，两者共占主导地位，依然是用硬V底

3、潮湿大鹅卵石路面
材料黏性占主导地位，使用软底

其实V底又很多种，登山徒步鞋、攀岩一般使用Rock系列的鞋底，攀登雪山的高山靴有用ICE系列的，而漂流、溯溪的鞋子使用Vibran的Water Sports系列的鞋底。

Vibran的Water Sports系列鞋底，和Teva的蜘蛛橡胶鞋底都是软鞋底里面最著名的鞋底。这一类的鞋底柔软，变形大，粘性好。

另外硬质鞋底，不仅仅是耐磨而已，更关键的是保护脚底。

凌波舞

多谢musa的补充！

雷雷

至今还不知道该买一双怎样的户外鞋。

musa

你说户外鞋，那就太笼统了，凉鞋、跑鞋、徒步鞋、登山鞋、高山靴……？

说不清楚的话，可以在QQ上聊，1047994