IT201700013637A1 - Energy release system for shoes during the walking and running phases for different types of sports - Google Patents
Energy release system for shoes during the walking and running phases for different types of sportsInfo
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Description
Sistema di rilascio energetico per scarpa durante le fasi di camminata e corsa Energy release system for the shoe during the walking and running phases
L'invenzione descritta nel presente documento riguarda un sistema meccanico da applicare sotto la pianta del piede, in sostituzione o in combinazione con la suola della scarpa. The invention described in the present document relates to a mechanical system to be applied under the sole of the foot, in place of or in combination with the sole of the shoe.
Più in dettaglio, il trovato ha la capacità di accumulare l'energia, generata durante le fasi di camminata o di corsa quando il piede viene a contatto con il suolo, e restituirla durante la fase di sollevamento della pianta del piede e conseguente perdita di contatto con il terreno. Il rendere più efficiente la camminata (o corsa) dell'utente, restituendo buona parte dell'energia accumulata, è la caratteristica peculiare dell'invenzione. More in detail, the invention has the ability to accumulate the energy generated during the walking or running phases when the foot comes into contact with the ground, and to return it during the lifting phase of the sole of the foot and consequent loss of contact. with the ground. Making the user's walk (or running) more efficient, returning a good part of the accumulated energy, is the peculiar feature of the invention.
Le attuali suole di calzature, utilizzate da atleti e corridori professionisti ma anche da persone interessate a percorrere distanze solo camminando, sono realizzate in materiali in grado di garantire un contatto morbido con il terreno ed utilizzano tipicamente materiali con bassa rigidità quali spugne, o espansi a base di poliuretano o altre materie plastiche. Questi materiali sono caratterizzati da buona formabilità durante le fasi di lavorazione ma, d'altro canto, tendono ad avere una bassa durabilità e resistenza. Come conseguenza, le prestazioni meccaniche delle attuali suole tendono a decadere anche dopo distanze dell'ordine di qualche decina di chilometri. Specie in presenza di un utente in grado di usare la scarpa tradizionale con alte frequenze di carico, quale un maratoneta, il deterioramento della suola è tale da rendere meno efficace la corsa (o camminata) nelle ultime fasi di una competizione proprio quando è richiesto un maggior sforzo. Questo deterioramento porta ad avere un diverso contatto con il suolo rendendo la corsa meno efficiente anche a causa di un cambiamento nella postura dell'utente a seconda delle diverse condizioni della suola o nelle diverse fasi di utilizzo della scarpa. The current shoe soles, used by athletes and professional runners but also by people interested in walking distances only, are made of materials capable of guaranteeing a soft contact with the ground and typically use materials with low rigidity such as sponges, or foam based on polyurethane or other plastic materials. These materials are characterized by good formability during the processing phases but, on the other hand, they tend to have a low durability and resistance. As a consequence, the mechanical performances of the current soles tend to decline even after distances of the order of a few tens of kilometers. Especially in the presence of a user able to use the traditional shoe with high load frequencies, such as a marathon runner, the deterioration of the sole is such as to make running (or walking) less effective in the last stages of a competition just when a more effort. This deterioration leads to a different contact with the ground, making running less efficient also due to a change in the user's posture according to the different conditions of the sole or in the different phases of use of the shoe.
I materiali sino ad ora utilizzati per la realizzazione di suole per scarpe hanno avuto una lenta evoluzione. A partire dalla prima metà dell'ottocento, in seguito all'introduzione di trattamenti di produzione delle gomme, quali la vulcanizzazione, si sono iniziati ad utilizzare questi ultimi materiali, caratterizzati dal permettere un miglior contatto con il terreno ed allo stesso tempo, grazie alla loro alta deformabilità anche un maggior confort nella camminata. L'impiego di gomme è diventato sempre più comune e sofisticato con il passare del tempo sino ad arrivare all'impiego di soluzioni polimeriche specificatamente dedicate alle scarpe quali l'EVA (vinil-acetato di etilene), un prodotto in grado di assicurare una elevata elasticità in un volume relativamente ridotto. Aspetto quest'ultimo interessante in quanto in grado di dar maggior contatto tra il terreno ed la pianta del piede e garantire una miglior stabilità e correttezza della postura dell'utente. I materiali usati sino ad oggi, tuttavia, non agiscono in maniera attiva sulla camminata (o corsa), hanno invece un effetto fortemente smorzante e quindi inficiano parte della camminata (o corsa) riducendo quelle che potrebbero essere le prestazioni per via dell'effetto ammortizzante della suola. Altro importante elemento a favore dei materiali espansi è la loro leggerezza. Specie nella percorrenza di lunghe distanze, lo sforzo compiuto da un utente, quale può essere un corridore, è una componente significativa. Maggiore è la leggerezza della calzatura più si riesce ad alleviare la fatica compiuta durante la corsa. The materials used up to now for the production of shoe soles have had a slow evolution. Starting from the first half of the nineteenth century, following the introduction of rubber production treatments, such as vulcanization, the latter materials began to be used, characterized by allowing better contact with the ground and at the same time, thanks to the their high deformability also a greater comfort in walking. The use of rubbers has become increasingly common and sophisticated with the passage of time up to the use of polymeric solutions specifically dedicated to shoes such as EVA (vinyl-ethylene acetate), a product capable of ensuring a high elasticity in a relatively small volume. This latter aspect is interesting as it is able to give greater contact between the ground and the sole of the foot and guarantee better stability and correctness of the user's posture. The materials used up to now, however, do not act actively on walking (or running), they instead have a strongly damping effect and therefore affect part of the walk (or run) reducing what could be the performance due to the shock-absorbing effect. of the sole. Another important element in favor of expanded materials is their lightness. Especially when traveling long distances, the effort made by a user, such as a runner, is a significant component. The greater the lightness of the shoe, the more it is possible to relieve the fatigue made during the race.
Le attuali suole sono pertanto afflitte da alcuni aspetti quali la loro breve durata se soggette a cicli di lunga camminata (o corsa), e il dispendio di buona parte dello sforzo dell'utente in deformazione elastica. Ci sono poi aspetti, quali la leggerezza o il mantenimento delle prestazioni, anche dopo un lungo utilizzo, da essere ulteriormente migliorati considerando soluzioni alternative. Current soles are therefore affected by some aspects such as their short duration if subjected to long walking (or running) cycles, and the expenditure of a large part of the user's effort in elastic deformation. Then there are aspects, such as lightness or maintenance of performance, even after long use, to be further improved by considering alternative solutions.
E' oggetto della presente invenzione un sistema di rilascio energetico durante le fasi di camminata (o corsa) impiegante un sistema a molla realizzato in materiale tradizionale o composito in grado di restituire quasi totalmente la forza applicata quando il piede viene a contatto con il suolo durante la fase in cui il piede viene sollevato dal terreno. The object of the present invention is an energy release system during the walking (or running) phases using a spring system made of traditional or composite material capable of almost totally restoring the force applied when the foot comes into contact with the ground during the phase in which the foot is lifted off the ground.
Il presente trovato può essere usato in alternativa o in aggiunta alle tradizionali suole per scarpe. Specificatamente disegnato per corridori di lunga distanza quali maratoneti o podisti, il sistema meccanico può altresì funzionare anche per distanze più brevi o per utilizzo in altri sport sia per eventi competitivi e non. The present invention can be used alternatively or in addition to traditional shoe soles. Specifically designed for long distance runners such as marathon runners or runners, the mechanical system can also work for shorter distances or for use in other sports for both competitive and non-competitive events.
Il sistema meccanico consta di un sistema a molla agente principalmente nella zona di tallone ed avampiede, dove si va a scaricare la massima energia durante le fasi di corsa o camminata. E' caratteristica peculiare del trovato la capacità di non disperdere in deformazione elastica o calore l'energia generata quando l'utente poggia la pianta del piede al suolo ma accumularla per poi rilasciarla quando il piede perde il contatto con il terreno. L'impiego di materiali aventi proprietà meccaniche di durabilità a lunghi cicli di carico permette una maggior vita in servizio del sistema, e' questa una ulteriore nota positiva da annoverare tra le peculiarità del trovato. Affinché il sistema possa avere la massima efficacia, e' importante che il trovato sia saldamente fissato alla parte inferiore della scarpa (direttamente alla tomaia o integrato in una suola). Le dimensioni del sistema meccanico di rilascio energetico durante le fasi di camminata devono essere proporzionate all'utente e devono assicurare confort al piede e il mantenimento di una corretta postura durante la camminata (o corsa). L'invenzione sarà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui: The mechanical system consists of a spring system acting mainly in the heel and forefoot area, where the maximum energy is discharged during the running or walking phases. A peculiar characteristic of the invention is the ability not to disperse the energy generated when the user rests the sole of the foot on the ground in elastic deformation or heat, but to accumulate it and then release it when the foot loses contact with the ground. The use of materials having mechanical properties of durability at long load cycles allows a longer service life of the system, and this is a further positive note to be counted among the peculiarities of the invention. In order for the system to have maximum effectiveness, it is important that the invention is firmly fixed to the lower part of the shoe (directly to the upper or integrated into a sole). The dimensions of the mechanical energy release system during the walking phases must be proportionate to the user and must ensure comfort for the foot and the maintenance of correct posture during walking (or running). The invention will now be described for illustrative but not limitative purposes, with particular reference to the drawings of the attached figures, in which:
- La Figura 1 mostra l'invenzione montata sotto una tomaia di scarpa ginnica in vista assonometrica dall'alto (A) e dal basso (B); - Figure 1 shows the invention mounted under an upper of an exercise shoe in an axonometric view from above (A) and from below (B);
La Figura 2 mostra il dettaglio dei sistema di rilascio energetico presentato in Figura 1 in vista laterale in due differenti posizioni di moto: a contatto con il suolo (A) e mentre si solleva dal terreno (B); Figure 2 shows the detail of the energy release system presented in Figure 1 in side view in two different positions of motion: in contact with the ground (A) and while lifting from the ground (B);
- La Figura 3 mostra il dettaglio della parte anteriore (avanpiede) del trovato, Figura 3 (A) e posteriore (Tallone), Figura 3 (B), - Figure 3 shows the detail of the front (forefoot) of the invention, Figure 3 (A) and rear (Heel), Figure 3 (B),
La Figura 4 mostra una grafico comparativo tra le proprietà meccaniche di un materiale composito a matrice polimerica e rinforzo in fibra di carbonio e alcuni materiali metallici (più resistenti dei polimeri di cui sono fatte le suole in uso). Figure 4 shows a comparative graph between the mechanical properties of a composite material with a polymer matrix and carbon fiber reinforcement and some metallic materials (more resistant than the polymers of which the soles in use are made).
L'invenzione, riportata in Figura 1 (A), è costituita da un parte strettamente a contatto con la parte inferiore della tomaia ed un secondo pezzo che invece si distacca dal resto della scarpa restando collegato ad essa solo tramite la sezione anteriore e posteriore, Figura 1 (B). Il sistema a molla presentato in dettaglio in Figura 2 è caratterizzato dal fatto che, Comprimendolo al suolo, Figura 2 (A), esso accumula energia direttamente per azione meccanica dovuta alla pressione esercitata dall'utente quando poggia al terreno la pianta del piede. L'energia immagazzinata in questa prima fase verrà quindi resa indietro, Figura 2 (B), non appena si ha perdita dì contatto tra il trovato ed il suolo. L'effetto è quello di amplificare la falcata rendendo l'intera camminata (o corsa) più efficiente. L'invenzione rimane rigida ed indeformabile sotto l'avampiede, Figura 3 (A), e nella zona del tallone, Figura 3 (B), permettendo così di rilasciare l'energia accumulata. Le restanti parti, invece, sono flessibili per assicurare il confort dell'utente. The invention, shown in Figure 1 (A), consists of a part strictly in contact with the lower part of the upper and a second piece which instead detaches itself from the rest of the shoe remaining connected to it only through the front and rear section, Figure 1 (B). The spring system presented in detail in Figure 2 is characterized by the fact that, by compressing it to the ground, Figure 2 (A), it accumulates energy directly by mechanical action due to the pressure exerted by the user when the sole of the foot rests on the ground. The energy stored in this first phase will then be returned, Figure 2 (B), as soon as there is a loss of contact between the invention and the ground. The effect is to amplify the stride making the whole walk (or run) more efficient. The invention remains rigid and non-deformable under the forefoot, Figure 3 (A), and in the heel area, Figure 3 (B), thus allowing the accumulated energy to be released. The remaining parts, on the other hand, are flexible to ensure user comfort.
L'impiego di materiali compositi impieganti rinforzi in fibra lunga di Carbonio o Kevlar, caratterizzati da avere elevate resistenze meccaniche e basso densità, permette altresì di ridurre il peso totale della calzatura e quindi ridurre lo sforzo compiuto dall'utente . The use of composite materials using carbon or Kevlar long fiber reinforcements, characterized by having high mechanical strength and low density, also allows to reduce the total weight of the shoe and therefore reduce the effort made by the user.
E' ulteriore oggetto della presente invenzione un sistema alternativo alla tradizionale suola caratterizzato dall'avere un basso deterioramento sotto l'azione di carichi ciclici, quali il ciclo di alternato contatto e distacco dal suolo del piede, e quindi una più duratura vita in servizio. A further object of the present invention is an alternative system to the traditional sole characterized by having a low deterioration under the action of cyclic loads, such as the cycle of alternating contact and detachment from the ground of the foot, and therefore a longer life in service.
Analisi meccaniche Mechanical analysis
Per supportare la validità' di quanto asserto nel presente documento, si presentano dei valori illustrativi e non limitativi di proprietà' meccaniche per i materiali attualmente in uso per le normali suole di scarpe ginniche confrontati con alcuni valori utilizzabili per la realizzazione del trovato. Come si nota dai dati riportati in Tabella 1, l'utilizzo di materiali a bassa densità' ed elevato modulo elastico permette di incrementare le proprietà' di rilascio energetico e ridurre il peso totale della calzatura con il duplice vantaggio di aumentare le prestazioni e ridurre la leggerezza della scarpa utilizzante il trovato. To support the validity of what is stated in the present document, illustrative and non-limiting values of mechanical properties are presented for the materials currently in use for normal gym shoe soles compared with some values that can be used for the realization of the invention. As can be seen from the data reported in Table 1, the use of materials with low density and high elastic modulus allows to increase the energy release properties and reduce the total weight of the shoe with the double advantage of increasing performance and reducing the lightness of the shoe using the invention.
Modulo Elastico Densità' Elastic Modulus Density '
Peso (a 25°C) (a 25°C) Weight (at 25 ° C) (at 25 ° C)
ÈVA (Vinil-acetato 0.010-0.04 0.945-0.955 200-350 di etilene Giga Pascal Kg/m' grammi ÈVA (Vinyl-acetate 0.010-0.04 0.945-0.955 200-350 of ethylene Giga Pascal Kg / m 'grams
Composito (polimerico 135-70 1.6 150 con fibra di carbonio) Giga Pascal Kg/m' grammi Tabella 1 - Confronto densità' e modulo elastico Composite (polymeric 135-70 1.6 150 with carbon fiber) Giga Pascal Kg / m 'grams Table 1 - Comparison of density' and elastic modulus
Il minor peso del trovato e' ottenibile considerando che il sistema di rilascio energetico di fatto necessita' di parti di vuoto tra le parti costituenti, Figura 3. Queste cavita' hanno anche il vantaggio di ridurre la massa compessiva dell'intero trovato. The lower weight of the invention is obtainable considering that the energy release system in fact requires vacuum parts between the constituent parts, Figure 3. These cavities also have the advantage of reducing the overall mass of the entire invention.
Per supportare l'ipotesi presentata nel presente documento relativa alla maggior durabilità' di una scarpa utilizzante il trovato rispetto ad un modello di calzatura avente una suola tradizionale, si faccia riferiemto a Figura 4 in cui la resistenza a fatica di un materiale composito viene comparata con quella di piu' tradizionali materiali metallici utilizzati in strutture meccaniche. Il composito a matrice polimerica e fibra di carbonio risulta avere una vita a carichi ciclici molto maggiore dei normali metalli utilizzati in strutture meccaniche ed aventi proprietà' di durabilità' superiori a quelle dell'ÈVA o di altri materiali polimerici in uso nelle calzature odierne. To support the hypothesis presented in the present document relating to the greater durability of a shoe using the invention with respect to a shoe model having a traditional sole, refer to Figure 4 in which the fatigue resistance of a composite material is compared with that of more traditional metallic materials used in mechanical structures. The composite with polymeric matrix and carbon fiber has a life at cyclic loads much greater than the normal metals used in mechanical structures and having 'durability' properties superior to those of EVA or other polymeric materials used in today's footwear.
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