基于重力平衡的定制褲子“2A”原理

高 光， 高 暢， 張佳昊

(涿州高紅服飾設(shè)計工作室，河北 涿州072750)

大量國內(nèi)外服裝設(shè)計制板書籍[1-2]從各自的角度闡述了褲子相關(guān)技術(shù)和理論，在此不作具體引用和分析。但對褲子與人體之間關(guān)系的理論研究還有疏漏，現(xiàn)有的褲子制板技術(shù)對人體工學(xué)重視程度不夠，非標準體形人士很難找到穿著既美觀又舒適的褲子，甚至定制褲子經(jīng)過多次試穿修改還是不方便坐行。文中從重力平衡的視角，剖析褲子和人體關(guān)系，研究定制褲子的關(guān)鍵技術(shù)，從而使褲子穿著更加合體、美觀。

1 褲子在人體上的重力平衡狀態(tài)

1.1 褲子“2A”原理

從人體工學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)人體股骨頭、髂嵴和腰臀斜面形態(tài)構(gòu)造進行褲子結(jié)構(gòu)設(shè)計，使褲子在穿著時可以自然懸垂。通過分析褲子在人體表面的受力情況，可知褲子在以髂嵴和腰臀斜面為承重面，以兩個股骨頭為承重中心的重力平衡狀態(tài)下，褲子才可自然懸垂。髂嵴是股骨頭上方的突起部分，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以與股骨頭一并考慮。

褲子包裹的腰部、腹部、臀部、陰部和腿部區(qū)域構(gòu)造和表面形態(tài)比較復(fù)雜，男女之間有差異，同性個體也會有所不同，文中以女性為例進行分析。女性中有人骨盆寬度大于前后徑，雙腿間隙大；有人骨盆渾圓，雙腿緊靠；有人骨盆前傾，腰凹臀翹；有人骨盆后傾，腰弓臀平；有人細腰平腹仙鶴腿；有人粗腰凸腹O型腿。

另外，由于女性骨盆和雙腿之間的特殊構(gòu)造，即使同一個人在不同年齡段也會出現(xiàn)不同狀態(tài)：從少女到老婦，腹部變大且松垮，臀部變平且低垂，上身重心前移，骨盆被迫后傾，這是一個基于人體重力平衡的系統(tǒng)化變化過程。在這個緩慢的動態(tài)變化過程中，腰臀之間的結(jié)構(gòu)特征變化會影響褲子的重力平衡狀態(tài)，因此需要特別注意[3-5]。腰臀面和鉛垂線的夾角，稱為腰臀傾角(Angle)，當腰臀傾角≥20°時，身姿挺拔，表現(xiàn)為活力態(tài)；腰臀傾角在10～20°時，身姿中正，表現(xiàn)為平常態(tài)；腰臀傾角<10°時，身姿頹頓，表現(xiàn)為無力態(tài)；有老年人腰臀后傾，傾角<0°。

由此可知，身姿形態(tài)的差異不是號型能完全解決的[6]。標準號型的褲子經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后確定檔差，從理論上說，大多數(shù)人穿著不是特別合身；相反，有的立體制板定制的褲子雖然合體，但有時被差評，究其原因不是理論問題，而是技術(shù)錯誤。因此，解決定制褲子設(shè)計制板問題的關(guān)鍵在于，必須在科學(xué)分類的基礎(chǔ)上，把代表不同形體特征關(guān)鍵點的三維測量數(shù)據(jù)[7]，科學(xué)合理地落實到平展的布料上，這樣縫制好的褲子穿著才會美觀、舒適和挺拔。

這一技術(shù)操作過程的理論前提，就是以人體的兩個股骨頭為人體“兩心”和兩個褲腿為褲子“兩心”相結(jié)合決定褲腿造型，用人體腰臀傾角決定褲子重力平衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理。因為“兩心”是轉(zhuǎn)動軸(Axes)，與腰臀傾角一起，簡稱為褲子結(jié)構(gòu)設(shè)計的“轉(zhuǎn)角”原理或褲子“2A”原理。

1.2 下體的“兩心”

人體的兩個股骨頭對上支撐上半身的質(zhì)量，對下構(gòu)成人體平衡及腿部活動的軸心，其在人體下半身骨骼結(jié)構(gòu)中起到核心作用，故稱其為下體的“兩心”。當人體骨盆定型后，股骨頭的位置就固定了，但身體豐滿或挺拔程度的變化，會引起股骨頭和體表空間位置關(guān)系的變化。因此，在褲子結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮股骨頭的活動性質(zhì)和活動范圍，才能滿足褲子的功能性。

利用人體工學(xué)分析腿部動作與褲子的形態(tài)關(guān)系，可使褲子設(shè)計更加舒適。人體跨步時股骨轉(zhuǎn)動對褲子的影響如圖1所示。由圖1可知，人體側(cè)面直立時，呈重力平衡狀態(tài)，兩腿的重心線通過股骨頭，與腰臀傾斜面的夾角等于腰臀傾角。人跨步時，大腿以股骨頭為中心，前后移動，方便人活動的褲腿一定和大腿同軸，且褲腿側(cè)面的中心線通過股骨頭所在位置。

用多媒體展示3組資料： ①全球各國艾滋病人數(shù)比率排行資料；②關(guān)于近10年來中國國家衛(wèi)計委關(guān)于艾滋病的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(包括每年艾滋病的發(fā)病案例、發(fā)病率及死亡人數(shù))；③2017年最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)(2017年10月艾滋病發(fā)病4485例，死亡1350人)。根據(jù)這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生說說自己的看法以及如何看待防治艾滋病的緊迫性，自己能為這個社會做點什么？學(xué)生交流討論，教師總結(jié)并提醒學(xué)生日常與艾滋病人握手、擁抱、進餐、蚊蟲叮咬等不會感染艾滋病，艾滋病患者在社會上本來就屬于弱勢群體，在生活上應(yīng)該拿出自己最大的努力關(guān)愛艾滋病病人；強調(diào)HIV的傳播途徑，鼓勵學(xué)生向他人宣傳如何預(yù)防艾滋病，同時自身要注意健康的生活方式。

圖1 人體跨步時股骨轉(zhuǎn)動對褲子的影響Fig.1 Effect of femur rotation on pants during stride

人體跨步時腿部的前后運動軸線如圖2所示。由圖2可知，人體正面跨步時，股骨向前抬起，膝蓋提高，褲腿的受力點在股骨前方，因此受力均衡的褲腿，其正面中心線一定要通過股骨頭位置。

圖2 人體跨步時腿部前后運動軸線Fig.2 Forward and backward movement axes of legs during stride

由此可知，理想的褲腿，其中心線要通過股骨頭；抬腿角度取決于褲子后襠可下落(伸展)長度(L1=L2)；大腿以同樣角度移動，褲子襠部越貼身，襠底的位移越小，越方便活動[8]。

1.3 褲子的“兩心”

當人體直立時，褲腿的幾何中心線如果豎直，說明褲子處于重力平衡狀態(tài)，此時幾何中心線就是重心線，重心線與承重面的交點就是重心點，即褲子的“兩心”。

理想的褲子是其兩個重心點與下體“兩心”重合，如果不重合，褲子上會出現(xiàn)堆褶、打綹、起吊、歪斜、行動受限等問題。

1.4 褲子的重力平衡表現(xiàn)

以上分析褲腿中心線，是幾何意義的，并不嚴謹，因為皮膚是有機體，受重力影響的變形很小，而褲子只是附著物，褲腰太松褲子會掉，原因是再輕的褲子也有質(zhì)量，且受到地心引力的影響，重力豎直向下。一般褲子的重力平衡需要同時滿足兩個條件：一是褲子各部位的圍度要有合適的放松量；二是褲子表面每個點受到的垂直拉力應(yīng)大于水平拉力，最好沒有水平拉力。

當人體直立時，褲子臀圍線以上部分附著在人體上既不緊繃，也不落下，臀圍線以下部分自然懸垂，襠部和褲腿都不擰巴，不起綹，表明其處于重力平衡狀態(tài)，這樣的褲子穿著舒適，看著美觀、挺拔。

1.5 褲子表面的應(yīng)力分析

圖3 臀圍線上下褲子受力分析Fig.3 Stress analysis of pants on upper and lower hip circumference line

當褲子處于自然懸垂狀態(tài)時，褲子臀圍線以下任意點面料沒有向上的支撐力，只受向上的拉力和水平張力影響時，處于重力平衡狀態(tài)；跨步時大腿和膝蓋對褲腿施加垂直于褲腿幾何中心線的支撐力，褲子雖然處于受力平衡狀態(tài)，但打破了褲腿原有的重力平衡，形態(tài)不美觀、不自然；粗腿的大腿前側(cè)方、X型腿和O型腿的膝蓋位置在正常狀態(tài)下也可能對細腿的褲子施加垂直于褲腿中心線的支撐力，造成褲子重力不平衡。因此，褲腿的最佳平衡狀態(tài)是自然懸垂狀態(tài)，褲腿不受垂直于中心線方向的作用力(人直立時，這是水平作用力)。考慮到服裝材料力學(xué)性能，當面料的纖維破斷力大于其受到的支撐力時，褲子穩(wěn)定；如果面料的纖維破斷力小于其受到的支撐力(例如褲腿受到大的拉力)，褲子破裂下落。

2 人體與褲子的重力平衡機理

2.1 人體的重力平衡機理

方方等[9]選取18～25歲學(xué)生樣本進行腰臀部體形分類實驗，但由于樣本年齡跨度小，職業(yè)分布不夠廣泛，對體形分類也不夠全面。因此，筆者根據(jù)長期定制實踐經(jīng)驗，重新將女性人體體形分為9種類型，并對不同形體女人穿著直筒褲的重力平衡機理進行分析，具體如圖4所示。在樣本中有部分老婦和孕婦的腰圍大于臀圍，但這個例外不影響整體分析。

圖4 不同形體及直筒褲的重力平衡機理Fig.4 Gravity balance mechanism of different body shapes and straight-leg pants

由圖4可知，不同形體臀部以上體表形態(tài)各異。腿部重心線始于股骨頭，一般是豎直向下通過膝關(guān)節(jié)，指向腳踝；而第3種和第8種人體體形，直立時也是屈膝狀態(tài)，腿部重心線在膝關(guān)節(jié)后方，指向腳面。當人體直立時，上身重心線與腿部重心線在一個平面上，如骨盆前傾的，為避免上身重心前移，胸部必須后倒，才能保持重力平衡，故腿部重心線及其延長線與腰臀斜面夾角(等于腰臀傾角)決定了人體側(cè)面形態(tài)，從而影響了人體平衡狀態(tài)。

2.2 褲子的重力平衡機理

合體的褲子既要符合人體表面形態(tài)，也要順應(yīng)人體和褲子的重力平衡狀態(tài)，其中后直襠傾角決定了褲子的重力平衡。圖4中，多數(shù)人骨盆前傾，主要由髂嵴和腰臀斜面承擔褲子質(zhì)量(第3種和第8種人體體形非骨盆前傾，只由髂嵴承重，但褲子的平衡原理相同)。當褲子在臀圍線以上適合體表形態(tài)時，后直襠傾角等于腰臀傾角，褲子處于重力平衡狀態(tài)。

因為腰臀斜面的存在，當褲腰水平時，前腰受到腰帶的水平約束力和腹部摩擦力向上的分力影響，再加上人體動作和呼吸，導(dǎo)致人體腹部形態(tài)不穩(wěn)定，而當摩擦力小于等于重力時，褲子在腿部運動牽扯，甚至自然狀態(tài)下，前腰會往下掉，當?shù)舻酱怪庇谘涡泵鏁r，受到后腰向上的拉力和兩側(cè)髂嵴的支撐力，才能達到重力平衡狀態(tài)。可見當褲子處于重力平衡狀態(tài)時，前后直襠形成高度差，褲腰并不水平，其與水平面夾角等于腰臀傾角。不同形體的人宜采用的褲腰傾角見圖4中綠色線。例如，一個大肚腩的人，穿著通用制板技術(shù)做出來的褲子，都是前腰往下掉，前襠部堆褶，褲腿向后使勁壓腳面，跨步時有壓腿感，問題就在于前后直襠傾角不合身和褲腰接近水平，引起褲子重力失衡。

由此可知，有些量身定制的褲子，各結(jié)構(gòu)量體都合適，但穿著卻不合身，行動不舒服的原因，就是褲子“轉(zhuǎn)角”與身體的“轉(zhuǎn)角”不符，褲子在空間上與身體有沖突，受到不當約束(或失控)，造成褲子失衡。

3 褲子“2A”原理的應(yīng)用

3.1 用“2A”原理設(shè)計定制褲子

“2A”原理的核心是重力平衡，因此在應(yīng)用“2A”原理設(shè)計褲子時，要先確定褲子的造型風格，然后用系統(tǒng)性思維，構(gòu)建立體模型，解決褲子的重力平衡問題，最后有目的、有重點地做韻律設(shè)計。

褲子在臀圍線以上部分的設(shè)計，首先要滿足包覆身體并承擔褲腿質(zhì)量的功能，有足夠堅牢度、覆蓋度、合體度，通常不要裝飾，避免把外界目光引向自己小腹而尷尬；其次是按照測得的腰臀傾角，做好褲子的重力平衡。

褲子在臀圍線以下部分只有遮蔽功能，其造型和裝飾設(shè)計，要有利于修飾人體腿型和身材比例。裝飾的重點應(yīng)該是遠端，即褲口附近，一是為了避免把目光引向襠部；二是褲口動作幅度最大，更能動態(tài)展示服裝韻味和律動。

褲腿部分的設(shè)計，必須滿足褲腿的重力平衡狀態(tài)，才能使褲子更加合體。一般褲腿有懸垂、約束、失控3種重力平衡狀態(tài)。

1)懸垂。此時褲腿自上而下是一個直筒，在臀圍線(承重面)的水平投影內(nèi)。褲腿表面只有豎直方向拉力，沒有水平方向拉力，呈懸垂狀態(tài)。

2)約束。一種約束形式是褲腿呈上大下小的錐形，褲腿在臀圍線(承重面)的水平投影內(nèi)。褲腿表面有豎直方向拉力，也有水平方向拉力，褲腿呈懸垂態(tài)，但水平運動生硬。還有一些約束是特殊腿型造成的，如X型腿，如果兩膝蓋內(nèi)拐呈貼近狀態(tài)，就在褲腿內(nèi)側(cè)形成約束點，阻礙褲腿自然下垂；O型腿，兩膝蓋外翻，如果超出臀圍線水平投影范圍，膝蓋處就形成約束點，阻礙褲腿自然下垂。X型腿和O型腿人穿褲子時的重力平衡狀態(tài)如圖5所示。

圖5 兩種腿型的人穿褲子時重力平衡狀態(tài)Fig.5 Gravity balance state of three kinds of leg type

3)失控。褲腿上小下大，或下邊有一段喇叭形，圍度開始變大后，褲腿局部超出承重段的水平投影范圍，缺少向上拉力，只有水平方向的拉力，處于豎向失控狀態(tài)，但失控不是失衡。

通過分析褲子的表面應(yīng)力，理解不同形體上褲子的重力平衡機理，即使給特殊體形的人設(shè)計制作褲子也容易達到預(yù)想的效果[10]。例如設(shè)計一款燈籠褲，首先，設(shè)計師腦海中要有穿著人的形象，并想像穿著人的體形；其次，要設(shè)定穿著效果，明確懸垂度、飄逸度、堆疊度、扭曲度；最后，應(yīng)用“2A”原理，確定造型參數(shù)，選擇材料及數(shù)量，確定加工工藝，由此完成燈籠褲的基礎(chǔ)型設(shè)計。如果要制作一系列燈籠褲，或者是高級定制作品，還需要在基礎(chǔ)型上進行韻律設(shè)計。

3.2 用“2A”原理解決褲子制板問題

褲子的制作需要經(jīng)過設(shè)計、制板、裁剪和加工等過程，任何一個環(huán)節(jié)的失誤都會造成褲子的質(zhì)量問題。相對而言，制板環(huán)節(jié)技術(shù)要求高，出現(xiàn)錯誤的可能性最大。例如，給大肚腩的人所穿著的褲子制板，容易出現(xiàn)褲子前直襠過長，穿著時前腰下滑，前襠部堆褶；褲子前直襠角度不對，易造成外側(cè)縫彎曲，扯出指向腹部的綹；后直襠短，傾角過小，造成褲腿向后，堆壓腳面，跨步時壓腿；后直襠過長，引起臀下褲腿堆橫褶；后直襠傾角過大，引起臀上起空、堆橫褶；襠部曲線不對，“兩心”不合，襠縫附近出現(xiàn)順向褶或放射狀的綹；“轉(zhuǎn)角”不對，褲腿中心線不豎直，容易出現(xiàn)外側(cè)起吊等歪斜現(xiàn)象；“轉(zhuǎn)角”不對，喇叭褲下部起豎向的綹。

以上問題是現(xiàn)有制板方法無法避免的，其原因就是褲子與人體“兩心”不合或“轉(zhuǎn)角”不對，造成褲子重力不平衡。應(yīng)用“2A”原理，針對“兩心”不合的情況，可以通過采集著裝人股骨頭等關(guān)鍵點數(shù)據(jù)，用以確定褲腿的中心線；而解決“轉(zhuǎn)角”不對的問題，可以通過采集著裝人腰臀傾角數(shù)據(jù)，用以確定褲子后直襠傾角；最后用“2A”原理把關(guān)鍵點和關(guān)鍵角數(shù)據(jù)科學(xué)地落實在褲子制作上，使褲子達到重力平衡狀態(tài)，就可避免以上問題的產(chǎn)生。利用“2A”原理制作的褲子更容易實現(xiàn)預(yù)期效果，而且給任何體形的人的褲子制板，都不需要多次修改。

4 結(jié) 語

通過物理學(xué)方法分析褲子在人體的受力狀態(tài)，再利用人體工學(xué)方法剖析人體跨步時褲子的最佳幾何形態(tài)，從而找到褲子和人體運動相關(guān)的關(guān)鍵點和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，總結(jié)出重力平衡下褲子的“2A”原理，并依據(jù)此原理進行褲子制板，使高級定制的褲子更加美觀、舒適、合體。