潛水運動力學分析與潛水服設計要點

吳忻舟，杜勁松

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潛水運動力學分析與潛水服設計要點

吳忻舟1, 2，杜勁松1, 2

(1. 東華大學 服裝藝術設計學院，上海 200051；2. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051）

分析三種潛水服的基本特點及設計要點，并以潛水褲為例，通過對人體下肢動作、潛水環境以及潛水服材料進行分析，結合潛水運動力學，為潛水服制作打下基礎。

潛水服；運動力學；保暖性；合體性

隨著社會發展和生活水平的不斷提高，人們越來越追求除物質之外的娛樂休閑運動，我國休閑娛樂市場的持續多元化發展，使潛水運動越來越受到消費者的青睞。人們對潛水設備設施的要求也逐漸增強，針對潛水設備的研究也逐漸增多。潛水設備，用于防止潛水時體溫散失過快，造成失溫，同時也能保護潛水員免受礁石或有害動物植物的傷害．而潛水服是潛水用品的一種，它是潛水作業的重要裝備，廣泛應用于軍事及民用潛水。根據功能和目的性的不同，潛水服可分為干式、半干式和濕式三種．本文將對三種潛水服，進行分析介紹。

一、潛水服的特點分析

（一）潛水服基本特點

潛水服除了可以保護身體不被礁石割傷，以及水母?？壬镄缘膫?，還具備功能性。三種潛水服功能和目的性不同。如圖１所示：

（a）干式潛水服 ?? ????（b）濕式潛水服 ?? ???? （c）半干式潛水服

干式潛水服完全與水隔絕，尤其適合水溫較低的潛水作業，它通過添加空氣層而保暖，穿著干式潛水服時，身體完全與水隔絕，依水溫情況，可以在里面添加毛衣加強保溫。干式潛水服的樣式多為一件式，即帽子、衣服、褲子和靴子連成一體的潛水服，且須配備特別的防水拉鏈和其他配件，如干式潛水充氣排氣的裝置，防水性拉鏈，手腕和頸部的收緊圈（使用者可根據實際情況調節松緊程度）等等，使之密封性能良好。這些裝備均可讓潛水員保持干燥而得到良好的絕緣。潛水后干式潛水衣要浸泡清水及避免陽光曝曬，盡可能存放在通風而陰涼的地方，拉鏈要經常潤滑，不可長期折疊以防止造成泡沫合成橡膠無法恢復的皺摺。干式潛水服較濕式潛水衣價格高出許多，是休閑潛水保溫最好的潛水衣，且潛水員必須接受培訓，如學習如何控制及使用充氣排氣裝置，才可穿著干式潛水衣進行水下活動，但是由于這些裝置較重且操作不易，潛水員在水下活動時要需要消耗更多的體力和精力，而且后續保養維護繁瑣，據各大潛水論壇上用戶體驗，大部分用戶不太傾向購買干式潛水服，且稱干式潛水服的使用壽命都不太持久。

半干式潛水服通過頸部、腕部、踝部的橡膠箍密封，使軀體保持干燥提供保暖，基本特點與干式潛水服相同，僅腳、手、頭或直接暴露于水中或采取佩戴濕式頭套、手套等措施進行保暖[1]，主要應用于潛水旅游，漁業捕撈，水下施工等方面。

濕式潛水服用戶體驗面最廣，且廣泛應用于休閑潛水。濕式潛水服依賴潛水服與潛水員皮膚之間保持的不流動水和衣服的厚度保暖。這點是與干式潛水服最大的區別。因此濕式潛水服不適合在很冷的水中潛水，也不適合在污水中潛水。

（二）潛水服功能性特點

（1）保溫性

三種潛水服在某些方面具有相同的功能性，首先三種潛水服都必須具備一定的保溫性能。由于水下寒冷環境，資料顯示海水表面的平均溫度在－1.7°－27°之間[2]，有研究表明，在室溫25℃時，人體感到舒適，但是在水溫25℃時，人會感到涼[3]。即便水溫25℃時，不穿潛水服的受試者，能在水中浸泡很少超過１小時[4]。為了人體健康，水溫在27°以上可不穿潛水服；低于20°穿濕式潛水服；水溫在10度以下則需要穿干式潛水服。因此潛水服必須具有一定的保溫性能。一般來說潛水服的保溫效果與材料的厚薄成正比。除此之外潛水服的材料不同也能影響潛水服的保溫作用。一般來說，同種材料，厚度相同，保暖性一般相同，傳統潛水面料由泡沫合成橡膠的材質制成，一般厚度可從3mm到10mm，但是根據實際情況的不同，潛水人員一般在夏天穿3mm厚的潛水服，冬天則穿5mm厚的潛水服[5]。但是，袁俊舫、顧靖華、顧心清在《二種濕式潛水服材料壓力下厚度及保暖性能對照試驗》中提到：傳統的濕式潛水服材料為閉孔泡沫氯丁橡膠，這種材料存在一些缺點，如隨著潛水深度的增加，泡沫氯丁橡膠氣泡被壓縮，厚度變薄，潛水服保暖性大大降低，貼身緊度變松，進而破壞了身體與服裝之間的保暖水層[6]。對于這種情況，國際潛水界十分重視新材料的研究，研制一系列制作潛水服的新材料。例如新型層壓復合織物，采用四層層壓復合方式，由于這種層壓織物各組分受壓力影響很小，而且內部不包含閉合的氣囊，在理論上不存在壓力下厚度降低的問題．為了驗證新材料的性能，顧清華等人對新舊濕式潛水服材料進行了壓力下的厚度及空氣中保暖性的對照試驗，得出新型層壓織物在水下的保暖性能優于閉孔泡沫氯丁橡膠，為改進我國現有濕式潛水服的性能提供了可行的方法。除此之外，《可自動調溫的潛水服》一文中提到美國潛水員的濕式潛水服可根據周圍環境和作業要求，提高其熱保護性能，這種新型潛水服面料采用“靈巧皮膚”技術功能，不僅提高一定的防寒能力，預計可以大幅度降低外層氯丁橡膠的厚度，減少服裝重量，提高運動性，使其保溫性和運動性同時增強[7]。

（2）合體性

干式潛水服對合體性的要求并沒有濕式潛水服嚴格，濕式潛水服要求服裝和人體盡可能貼體，這是由它的保暖原理決定的。濕式潛水服的保暖原理是：當人體與潛水服間水層不流動時，人體和濕式潛水服間的水層能在人體周圍形成溫水浴環境，使體表熱量散失最少[8]，從而使濕式潛水服達到保暖的效果。這與其他兩種保暖原理不同，陶恒忻在《潛水醫學》中以及Fuka zawa TH,Kawamura H ,Tanmra T在 《Water vapor transfer through mierospores membranes and polyester textiles at combination of temperature and pressure that simulated elevated altitudes》中也有相關說明。因此，研究認為除了潛水服材料的厚度和種類會影響他的保溫性，潛水服與人體的間隙同樣影響潛水服的保溫性。若濕式潛水服貼體程度合適，當穿著濕式潛水服時，身體表面和潛水服之間會進水，當冷水進入人體時，體溫會慢慢地將冷水加熱到與體溫相等的溫水，身體穿著潛水服與外層的冷水隔絕，保證進入的少量水在潛水服與皮膚之間呈不流動狀態以保持體溫，潛水衣與身體之間的海水和外界交換越少，潛水衣的保溫效果就越好[9]；若太緊身，則會讓你的身體產生壓迫感，形成血液循環不順暢、呼吸困難；若整體或者局部間隙偏大，則潛水服不但不能達到防寒的效果，冷水在衣服內自由的進出，因而將被身體加熱過的溫水因水的對流而帶走，降低保溫效果，潛水時還會兜水，影響動作。

（3）運動性

除了潛水褲的保溫性和合體性，潛水褲的運動性也是十分重要的。濕式潛水服較干式潛水服不用配備排氣呼氣裝置，因此著裝輕便，運動靈活舒適，但若穿著泡沫氯丁橡膠制作的濕式潛水服，當潛水至深處時，外部水壓會壓縮泡沫氯丁橡膠的微孔，使其厚度變薄，此時運動性和保暖性均不如干式潛水服。

潛水服的運動性也與潛水面料有關，如顧靖華等人提出：當使用傳統材料時，潛水越深，需要泡沫氯丁橡膠厚度越大，限制了潛水員的水下活動能力；潛水服越厚，浮力越大，做成潛水服的適體性越差，著裝也越困難[6]。為了減輕穿著濕式潛水服時對潛水員活動能力的限制，有些濕式潛水服不同的部位由厚度不同的氯丁橡膠制成，四肢部位采用比軀干部位薄得多的材料，僅在較為重要的部位采用厚的材料，這樣可以使潛水員最大限度的保持自由運動的能力。并且，為了提高潛水服的運動性，研究新型材料已經成為趨勢。如英國佛朗根斯公司生產的“Isotherm plus ”濕式潛水服采用層壓復合材料制成，第一層是柔軟的6.5mm氯丁橡膠，第二層采用金屬基長毛絨纖維，厚度變薄，運動性增強。除此之外，潛水服制作工藝的特殊性與款式設計也影響其運動性。如潛水褲在結構上的分割線設計，使之外觀更具流線型美感，運動性更強；如PUR.SUITX3型干式服，其肘部設計成稍彎曲狀態，使手臂易于活動，為滿足較高或專業潛水員的需要，潛水服后部較長，前部較短等[10]。

為了使三種潛水服的比較更加明朗，現將三種潛水服的特點比較如下表1所示。

表1 三種潛水服特點比較

由于潛水運動的特殊性，潛水服的設計與結構是非常重要的，需從服裝人體工學的角度對人體結構，以及對人體潛水動力學進行分析。

二、潛水運動力學分析

功能性服裝如瑜伽服、游泳服、跑步運動服等等，在進行服裝設計時，應充分了解該運動的特殊性，結合運動力學進行分析考慮。

如李岳進在《蛙泳腿部動作的力學分析》中運用力學原理對蛙泳腿部動作進行力學分析，提出了合理的蛙泳腿部動作方法，為提高蛙泳的速度以及游泳運動服的設計提供了理論依據[11]。

馬素想在《服裝結構與寬松量對乒乓球服舒適性影響的研究》中對乒乓球運動人體肢體動作進行觀察和分析。分析乒乓球運動員在做出發球、接球、攻球、搓球等動作，全身上下尤其是肩部、手臂、腕部以及手指等肌肉的變化、身體動作幅度及變形最大的部位，以上動作分析皆為乒乓球服的設計打下基礎[12]。

潛水服作為功能性服裝的一種，結構設計也應結合潛水運動力學，充分考慮潛水動作以及潛水運動的特殊性。潛水過程主要分為入水，下潛，水中移動，浮起，上岸五個過程。分析在此過程中潛水員的運動動作，姿勢，是研究潛水服結構的重要基礎。本文以人體下肢為例，分析潛水運動時人體下肢的變化，為潛水褲結構的設計提供參考。

（一）人體下肢的結構特點

了解人體下肢基本特點是研究潛水褲運動性能的前提條件。

人體下肢是支持人體站立時的重要部位。它不僅具有聯系上半身的運動功能，而且本身還具有寬廣的運動范圍。下肢的骨關節、膝關節的構造和動作，是影響褲裝結構設計舒適性的重要因素，在人體運動過程中，關節的轉動帶動皮膚的伸展，從而產生運動松量，因此，人體下肢的骨關節和膝關節等部位是潛水褲結構設計的重點研究對象。足關節是由小腿骨和足骨所構成。足關節的運動一般不會對褲裝產生牽引，不是褲裝結構設計中考慮的重點。

由于人體下肢骨骼、肌肉、脂肪分布的不同，下肢運動時導致運動后人體體形發生變化也不相同，為了保證運動過程中的潛水褲的貼體性，潛水褲的松量設計也因人而異。因此，研究運動導致人體體形發生的變化對潛水褲結構松量的設計是十分重要的。

（二）下肢潛水動作分析

肢體動作分析是服裝結構設計的基礎，只有從人體工效學的角度出發，才能使人體發揮全部的運動機能，達到運動最優狀態。

有關潛水運動下肢動作的文獻幾乎很少，因此，本文決定選取7個代表動作，從動作幅度，拉伸部位等方面加以分析。

通過大量查閱資料和問卷調研了解，潛水運動下肢常見動作歸納如表2所示。

表2 潛水運動下體常見動作

通過表2動作示意圖可以看出，7個動作均有一定程度伸展，只是幅度不同，為了確保動作的靈活性，使之不收牽絆，臀圍、腰圍、大腿圍以及襠長、內長等數據都應準確合體，過緊動作舒展不開，過松動作有所羈絆。1號動作身體舒展，各部位并無太大拉伸，2號和5號動作相對幅度較小。3號和6號這兩個動作是，人體膝蓋部運動角度都大于90°，人體體表發生了較大的伸展，同時，在做3號和6號動作時，由于3號動作膝蓋呈大于90°彎曲狀，6號動作上身后仰幅度較大，由此可見襠部也受到了力的作用，影響潛水。由此可以看出，膝蓋處與襠部是潛水時潛水褲受牽制的重要部位。盧云翔在《濕式潛水褲結構設計方法的研究》中通過大量調研和SPSS分析得出，2號動作是潛水運動中最常見的，7號動作最不常見。其中，排在前三位的動作為1號、2號和4號動作；排在后三位的動作為3號、6號和7號動作，由此，在濕式潛水褲動態松量設計時應重點考慮使用頻率高的前三個動作，適量考慮使用頻率較低的排序后三的動作，以保證潛水褲在滿足基本運動的前提下合體、舒適[13]。

根據潛水員潛水時下肢運動動作分析，結合運動導致的皮膚變形，運動人體工學，進行松量設計，從而使濕式潛水褲舒適合體。

三、潛水服設計要點

（一）材料選擇

潛水服一般由海綿和基布兩部分組成，制造潛水服用的海綿一般選用氯丁橡膠(CR)，基布的材料，主要是尼龍纖維或萊卡布。只要厚度相同，兩種布料所制成的潛水衣保暖效果都相同。萊卡面料顏色選擇性多，且耀眼靚麗，在水中潛水時易引人注目，尼龍面料價格低廉。潛水服的厚度不同，可以適合不同地區、緯度、季節的水溫。潛水衣主要作用為保暖，有不同的厚度和長短袖款式，配合不同的潛水環境。一般最薄的由0.5mm到較厚的10mm左右。在熱帶或亞熱帶潛水，較常用的為1至3mm。在較涼的水溫需要較厚的5mm或以上的濕衣。

注意事項：一般來說，濕式潛水服越薄保溫效果越差，越厚保溫效果越好，但是太厚的潛水服會阻礙身體行動的靈活性以及增加浮力，由于潛水運動的特殊性，不同部位根據運動劇烈程度的大小也會采用不同厚度的材料進行拼接。若為干式潛水服，則應選擇完全防水的服飾配件。

（二）款式設計

根據水下作業的要求，潛水服分為連體式和分體式，連體式密封性能更好；

根據水下溫度環境不同，款式可為長袖、短袖，長褲、短褲；

根據設計的多樣性，款式也可有背心款、夾克款、外套式、連帽式等等；其中連帽式多應用于干式潛水服設計；

按照門襟的位置，拉鏈可以分為前中直開拉鏈、前中斜開拉鏈、前中橫開拉鏈、后中直開拉鏈以及“U型”拉鏈設計等。

由于面料具有雙面性，被用在款式設計中有利于發揮創意特性。如多樣化表面紋理：經過壓紋的產品可增加外觀多樣性，賦予面料不同的特性，面料里外層顏色也可不同，通過不同顏色的撞擊，突出潛水運動的特性。為了設計更具有藝術性，也可將刺繡和印花技術應用其中，不僅漂亮精致還可以增加潛水服表面摩擦力，止滑耐磨。

注意事項：干式潛水服一定為連體連帽式，且潛水服任何款式的設計都應以潛水員的基本功能性訴求為基礎進行設計。

（三）功能性設計

潛水服應具有延展性，整體結構上一般不采用省道，多數使用分割手法。作為功能分割線，由于潛水運動的特點，膝關節在潛水過程中活動頻率高，與潛水褲的摩擦接觸較多，因此，在對應的褲裝部位應該進行分割，以減少屈膝狀態下褲子對人體運動的牽制，減輕人體負擔[14]，也可增加膝蓋的耐磨性；作為裝飾分割線，潛水服的分割線多按照人體曲線順勢分割，視覺上體現出對稱美和曲線美。

注意事項：潛水服應易于穿脫，這就要求在手腕和頸部，腳口等部位多為拉鏈或者收緊圈設計。潛水服裁片一般通過多次刷膠、盲縫車縫的方式將其拼接，且需保證裁片與裁片的拼縫處的平整與牢固，在腳口、搖頭等部位進行包邊處理，保證其舒適平滑。

四、結語

基于以上分析，不難看出潛水褲的保溫性、合體性和運動性直接影響潛水員的水下健康及運動的正常進行。潛水服作為功能性服裝的一種，其結構紙樣以及工藝要求都將以此性能作為基礎，結合潛水運動力學考慮運動所需最小松量，再進行款式設計，最后綜合進行樣板設計。

[1] 顧靖華，時貴玉．層壓織物在潛水服上的應用[J]．上海紡織科技，2005，33(7)：36-37．

[2] 縐慧．新型服裝材料的發展趨勢--以潛水服為例分析[J]．商，Business．2013，(09)：227．

[3] Bennett PB．Webb P： In： The Physiology and Medicine of Diving and Compressed Air Work (2 nd) [M]．London： Bailliere Tindall 8 Cassell，1975．285．

[4] Behnke AR et al． Am J Phys[Z]. 1941，131：627．

[5] http：//baike.Baidu.com/view/1658510.htm?fr=aladdin# reference- [1]-1658510-wrap[EB/OL]．

[6] 袁俊舫，顧靖華，顧心清． 二種濕式潛水服材料壓力下厚度及保暖性能對照試驗[J]．中華航海醫學與高氣壓醫學雜志，2008，15（4）．

[7] 王剛．可自動調溫的潛水服[J]．中國個體防護裝備，2002，（6）：33．

[8] 顧靖華，倪萍．潛水服的特點及發展趨勢[J]．中國個體防護裝備．2006，(2)：45-47．

[9] http：//baike.baidu.com/view/1658510.htm?fr=aladdin# reference- [1]-1658510-wrap[EB/OL]．

[10] 顧靖華，倪萍．潛水服的特點及發展趨勢[J]．中國個體防護裝備，2006，(2)：45-47

[11] 李岳進．蛙泳腿部動作的力學分析[J]．體育函授通訊，2000，（03）：26-27．

[12] 馬素想．服裝結構與寬松量對乒乓球服舒適性影響的研究[D]．北京：北京服裝學院，2012．

[13] 盧云翔．濕式潛水褲結構設計方法的研究[D]. 上海：東華大學，2014．

Analysis of Motion Mechanics and Design Points of Wet Diving Pants

WU Xin-zhou1, 2, DU Jin-song1, 2

(1. Fashion Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education, Shanghai 200051, China)

The basic characteristics and design points of three kinds of diving suits are analyzed. Taking the diving pants as an example, the human lower limb movement, the diving environment and the wet diving suit material are analyzed, which lay the foundation for the production of wet diving suit.

wet diving suit; motion mechanics; warm performance; fit performance

TS941.26

A

2095－414X(2015)05－0029－05

吳忻舟（1991-），女，碩士研究生，研究方向：服裝生產工程和服裝數字化.