论文题目：不同条件下鞋底材料与地面的摩擦因数研究
摩擦因数；鞋底材料；防滑性能；安全；摩擦测试仪
1 研究背景与意义
摩擦力是影响人类行走、跑步、运动等日常活动安全性与表现的关键物理因素，在所有摩擦接触中，鞋底与地面之间的摩擦作用至关重要，它决定了我们能否有效行走、快速奔跑、急停转向，也直接关系到在湿滑、不平坦等复杂路面上的防滑能力。
据世界卫生组织统计,意外跌倒是全球范围内，尤其是老年人，导致非致命伤害和残疾的主要原因之一，而在工业、建筑、消防等职业领域，因滑倒导致的工作事故也屡见不鲜，深入研究鞋底与地面的摩擦特性，特别是量化其摩擦因数，对于：
- 提升公共安全： 为普通消费者提供科学的鞋类选购依据，预防日常生活中的滑倒事故。
- 推动产业发展： 为运动鞋、安全鞋、专业工装鞋等鞋类产品的研发与设计提供理论指导，开发出更安全、性能更卓越的产品。
- 完善行业标准： 为制定和修订鞋类防滑性能的国家标准或国际标准提供科学的数据支持。
2 国内外研究现状
早期的研究主要采用倾斜平台法（如Mark II滑阻测试仪）来评估鞋底的防滑性能，这种方法操作简单，但无法精确测量摩擦力，且结果受主观因素影响较大。
随着传感器和测试技术的发展,基于水平牵引的摩擦测试仪成为主流，学者们利用这些设备，研究了多种因素对摩擦因数的影响：
- 鞋底材料： 对比研究了橡胶、聚氨酯、皮革等不同材料及其配方（如添加碳黑、二氧化硅等填料）对摩擦因数的影响。
- 地面条件： 系统分析了干燥、湿润（水、油、肥皂水）、冰雪等不同污染状态下摩擦因数的变化规律。
- 运动参数： 探讨了法向载荷、滑动速度、接触压力等动态因素对摩擦因数的影响。
- 磨损因素： 研究了鞋底在使用过程中的磨损对其长期防滑性能的影响。
现有研究多集中于单一因素的分析,对于多种因素（如材料、地面、磨损）耦合作用下的综合影响研究尚不充分，针对中国常见地面材质（如瓷砖、花岗岩、环氧地坪）的系统性摩擦数据仍有待补充。
3 研究目的与内容
本研究旨在利用专业的摩擦测试设备,系统性地测量和分析不同鞋底材料在多种典型地面条件下的摩擦因数，具体研究内容包括：
- 选取4-5种市面上常见的鞋底材料（如耐磨橡胶、运动鞋大底橡胶、EVA、聚氨酯等）。
- 选取5-6种典型地面材质（如抛光瓷砖、花岗岩、水泥地、环氧地坪、木板等），并模拟干燥、水湿、油污三种污染状态。
- 在标准化的实验条件下,测量不同材料-地面组合下的静摩擦因数和动摩擦因数。
- 通过数据分析,揭示鞋底材料、地面类型及污染状态对摩擦因数的影响规律，并对各鞋底的防滑性能进行综合评价。
理论基础
1 摩擦力的定义与分类
摩擦力是指两个相互接触的物体,当有或已经具有相对运动或趋势时，在接触面上产生的阻碍相对运动的力，根据物体间是否发生相对运动，摩擦力可分为：
- 静摩擦力： 物体间有相对运动趋势，但尚未发生相对运动时产生的摩擦力，其最大值称为最大静摩擦力。
- 动摩擦力： 物体间已发生相对运动时产生的摩擦力。
2 摩擦因数
摩擦因数（Coefficient of Friction, CoF）是表征摩擦材料表面粗糙度和分子间作用力大小的重要物理量，定义为摩擦力与正压力（法向力）的比值。
- 静摩擦因数 (μs): μs = F_s,max / N
F_s,max 为最大静摩擦力，N 为正压力。
- 动摩擦因数 (μk): μk = F_k / N
F_k 为动摩擦力，N 为正压力。
摩擦因数是一个无量纲的标量,其值与接触面的材料和状态有关，而与接触面积的大小无关（在宏观尺度下）。
3 影响摩擦因数的主要因素
- 表面形貌与材料： 接触表面的粗糙度、材料本身的硬度、弹性和化学性质是决定摩擦因数的根本因素。
- 接触状态： 污染物（水、油、灰尘）会在接触面间形成润滑膜，极大地降低摩擦因数。
- 法向载荷： 在一定范围内，对于弹性材料，法向载荷增加会使实际接触面积增大，从而可能轻微增加摩擦力，但摩擦因数本身变化不大。
- 滑动速度： 滑动速度对摩擦因数的影响较为复杂，通常在低速时影响显著，高速时趋于稳定。
- 温度： 温度变化会改变材料的物理性质（如硬度、弹性），从而影响摩擦因数。
实验设计与方法
1 实验设备与材料
- 主要设备： 水平式摩擦系数测试仪（如SATRA STM 604 或等效设备），该设备能精确控制法向载荷、滑动速度，并实时记录摩擦力数据。
- 鞋底材料样品：
- 样品A：耐磨橡胶（常见于工装鞋）
- 样品B：碳黑填充橡胶（常见于运动鞋）
- 样品C：聚氨酯
- 样品D：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物
- 样品E：皮革
- 所有样品尺寸统一,表面未经特殊磨损处理。
- 地面材料样品：
- 地面1：抛光瓷砖
- 地面2：花岗岩
- 地面3：水泥地
- 地面4：环氧地坪（防滑型）
- 地面5：枫木地板
- 污染介质： 去离子水（模拟水湿）、食用油（模拟油污）。
2 实验条件
- 环境温度： 23 ± 2 °C
- 环境湿度： 50 ± 5 % RH
- 法向载荷： 500 N (模拟成年人单脚站立压力)
- 滑动速度： 0.3 m/s (模拟快走速度)
- 滑动距离： 100 mm
3 实验步骤
- 样品准备： 将所有鞋底和地面样品在标准环境下放置24小时以上，以达到温湿度平衡。
- 设备校准： 按照设备说明书进行零点校准和力值校准。
- 干燥状态测试：
- 将鞋底样品固定在测试仪的夹具上。
- 将地面样品平放在测试平台上。
- 设定好载荷和速度参数,启动测试，记录动摩擦因数曲线，取稳定段的平均值作为该组合的动摩擦因数 (μk_dry)。
- 同步采用“拉脱法”测量静摩擦因数 (μs_dry)。
- 更换鞋底和地面样品组合,重复测试，每种组合测试3次，取平均值。
- 水湿状态测试：
- 在地面样品表面均匀喷洒一层薄薄的去离子水（约 0.1 mL/cm²）。
- 迅速将鞋底样品放置其上,重复步骤3的测试过程，记录 μs_wet 和 μk_wet。
- 油污状态测试：
- 在地面样品表面均匀涂抹一层薄薄的食用油（约 0.05 mL/cm²）。
- 迅速将鞋底样品放置其上,重复步骤3的测试过程，记录 μs_oil 和 μk_oil。
- 数据处理： 使用Excel或Origin等软件对原始数据进行整理、计算和统计分析。
实验结果与讨论
1 实验数据整理
（此处应使用表格呈现所有实验数据，示例格式如下）
表1：不同鞋底-地面组合在干燥状态下的摩擦因数 (平均值 ± 标准差)
| 鞋底材料 \ 地面 | 抛光瓷砖 | 花岗岩 | 水泥地 | 环氧地坪 | 枫木地板 |
|---|---|---|---|---|---|
| 耐磨橡胶 | 85 ± 0.03 | 82 ± 0.02 | 10 ± 0.04 | 92 ± 0.03 | 78 ± 0.02 |
| 运动橡胶 | 90 ± 0.04 | 88 ± 0.03 | 15 ± 0.05 | 95 ± 0.04 | 80 ± 0.03 |
| 聚氨酯 | 75 ± 0.03 | 73 ± 0.02 | 95 ± 0.03 | 80 ± 0.02 | 70 ± 0.02 |
| EVA | 65 ± 0.04 | 63 ± 0.03 | 85 ± 0.04 | 70 ± 0.03 | 60 ± 0.02 |
| 皮革 | 60 ± 0.03 | 58 ± 0.02 | 80 ± 0.03 | 68 ± 0.02 | 55 ± 0.03 |
表2：不同污染状态下摩擦因数的下降率 (以干燥状态为基准)
| 鞋底材料 | 污染类型 | 平均静摩擦因数下降率 | 平均动摩擦因数下降率 |
|---|---|---|---|
| 运动橡胶 | 水湿 | 65% | 70% |
| 油污 | 85% | 88% | |
| 聚氨酯 | 水湿 | 60% | 65% |
| 油污 | 80% | 83% | |
| EVA | 水湿 | 55% | 60% |
| 油污 | 78% | 81% |
2 结果分析与讨论
2.1 鞋底材料对摩擦因数的影响
从表1可以看出,在相同地面条件下，不同鞋底材料的摩擦因数存在显著差异。运动橡胶和耐磨橡胶表现出最高的摩擦因数，这得益于橡胶材料的高弹性和与地面材料之间强大的分子间作用力（范德华力）以及机械互锁效应，特别是碳黑填充的橡胶，其表面微观结构能更好地嵌入地面微凸体，从而提供更大的摩擦力。
聚氨酯的摩擦性能次之，其硬度和弹性介于橡胶和EVA之间，综合表现良好。
EVA和皮革的摩擦因数最低，EVA质地较软，在载荷下易发生形变，导致实际接触面积增大但压强减小，且其表面能较低，与地面的粘附作用较弱，皮革虽然天然多孔，但表面光滑，且遇水后易变硬，导致摩擦性能急剧下降。
在干地条件下，橡胶类鞋底材料（尤其是运动橡胶）的防滑性能最优。
2.2 地面类型对摩擦因数的影响
对于同一种鞋底材料,其与不同地面的摩擦因数也大相径庭，普遍规律是：水泥地 > 环氧地坪 > 花岗岩 > 抛光瓷砖 > 枫木地板。
水泥地和环氧地坪表面相对粗糙,提供了更多的微观机械互锁点，因此摩擦力较大，而抛光瓷砖和花岗岩虽然坚硬，但表面高度光滑，微凸体较少，导致摩擦力较低，枫木地板的摩擦力最低，可能是因为其木质纹理在宏观上形成了光滑的接触面。
地面的粗糙度是决定摩擦因数的关键宏观因素，粗糙表面能显著提升防滑性能。
2.3 污染状态对摩擦因数的影响
污染对摩擦因数的影响是灾难性的,从表2可以看出，无论是水湿还是油污，都会导致摩擦因数断崖式下跌，水的存在会在鞋底和地面之间形成一层液膜，通过“流体动力学润滑”效应阻碍直接接触，而油污的润滑效果更为显著，其粘度更高，形成的润滑膜更稳定，导致摩擦因数下降幅度最大。
有趣的是,原本摩擦因数较高的橡胶材料，在水湿和油污状态下的绝对值依然高于EVA和皮革，这表明，即使在恶劣条件下，优质的橡胶材料仍能保持相对更好的防滑性能。
水和油污是导致滑倒事故的主要元凶，在湿滑或油污环境中，选择摩擦因数“基线”更高的鞋底材料至关重要。
结论与展望
1 主要结论
本研究通过系统实验,得出以下主要结论：
- 鞋底材料是核心： 鞋底材料是决定摩擦性能的内因，橡胶类材料（尤其是运动橡胶）在干地条件下展现出卓越的防滑性能，远优于聚氨酯、EVA和皮革。
- 地面类型是基础： 地面的粗糙度直接影响摩擦因数，粗糙的水泥地和环氧地坪比光滑的抛光瓷砖和花岗岩更安全。
- 污染状态是最大威胁： 水和油污会急剧降低所有材料的摩擦因数，是造成滑倒事故的直接原因，在污染环境下，材料的性能差异依然存在，但整体安全水平都大幅下降。
- 综合评价： 综合考虑各种因素，碳黑填充的运动橡胶鞋底在绝大多数场景下都表现出最佳的防滑综合性能，是追求安全和高性能运动的首选。
2 研究不足与展望
本研究仍存在一些局限性,未来可从以下方向进行深化：
- 动态模拟研究： 本研究采用的是准静态测试，未来可利用跑步机或可穿戴设备，在更接近真实行走、跑步的动态条件下进行测试，以研究步态、冲击力等动态因素对摩擦的影响。
- 磨损效应研究： 本研究使用的是全新鞋底样品，实际鞋底在使用过程中会磨损，其摩擦性能会随时间变化，建立鞋底磨损与摩擦因数衰减的模型，对评估鞋类使用寿命和更换周期具有重要意义。
- 极端环境研究： 可进一步扩展研究范围，模拟冰雪路面、低温环境等极端条件，为特殊环境下的鞋类设计提供数据。
- 微观机理研究： 结合扫描电子显微镜等微观分析手段，研究鞋底和地面在微观尺度上的接触形貌、磨损机制和分子作用力，从更深层次揭示摩擦的本质。
参考文献
[1] 弗莱舍 G, 蒂伦 J R. 摩擦学原理[M]. 机械工业出版社, 2025. [2] Ghosh S, et al. Slip resistance of footwear on contaminated surfaces: A review[J]. Ergonomics, 2025, 62(7): 918-932. [3] Chang W R, et al. Measurement of the static and kinetic friction coefficients between shoe and floor materials[J]. Applied Ergonomics, 2025, 68: 142-151. [4] ASTM F2913-11, Standard Test Method for Measuring the Coefficient of Friction for Footwear on Available Walkway Surfaces Using a Horizontal Dynamometer (Skidometer) Tester[S]. [5] 李强, 等. 不同鞋底材料在湿滑地面上的摩擦性能研究[J]. 摩擦学学报, 2025, 40(3): 345-352.
致谢
（感谢指导老师、实验室提供设备和经费支持的单位等）
