Obiettivi e principi
La biomeccanica è una disciplina che si avvicina allo studio del corpo come se fosse solo un sistema meccanico: tutte le parti del corpo sono assimilate a strutture meccaniche e come tali vengono studiate. Si possono ad esempio trarre le seguenti analogie:
- ossa: leve, elementi strutturali
- carne: volumi e masse
- articolazioni: superfici portanti e articolazioni
- rivestimenti dei giunti: lubrificanti
- muscoli: motori, molle
- nervi: meccanismi di controllo a feedback
- organi: alimentatori
- tendini: corde
- tessuto: molle
- cavità del corpo: palloncini.
Lo scopo principale della biomeccanica è studiare il modo in cui il corpo produce forza e genera movimento. La disciplina si basa principalmente su anatomia, matematica e fisica; discipline affini sono l'antropometria (lo studio delle misurazioni del corpo umano), la fisiologia del lavoro e la kinesiologia (lo studio dei principi della meccanica e dell'anatomia in relazione al movimento umano).
Nel considerare la salute occupazionale del lavoratore, la biomeccanica aiuta a capire perché alcuni compiti causano infortuni e malattie. Alcuni tipi rilevanti di effetti nocivi per la salute sono affaticamento muscolare, problemi articolari, problemi alla schiena e affaticamento.
Stiramenti e distorsioni alla schiena e problemi più gravi che coinvolgono i dischi intervertebrali sono esempi comuni di infortuni sul lavoro che possono essere evitati. Questi spesso si verificano a causa di un improvviso sovraccarico particolare, ma possono anche riflettere l'esercizio di forze eccessive da parte del corpo per molti anni: i problemi possono verificarsi improvvisamente o possono richiedere del tempo per svilupparsi. Un esempio di problema che si sviluppa nel tempo è il “dito della sarta”. Una descrizione recente descrive le mani di una donna che, dopo 28 anni di lavoro in una fabbrica di abbigliamento, oltre a cucire nel tempo libero, ha sviluppato una pelle ispessita e indurita e l'incapacità di flettere le dita (Poole 1993). (In particolare, soffriva di una deformità in flessione dell'indice destro, nodi di Heberden prominenti sull'indice e sul pollice della mano destra e una callosità prominente sul dito medio destro a causa del costante attrito delle forbici). le lastre delle sue mani mostravano gravi alterazioni degenerative nelle articolazioni più esterne dell'indice e del medio destro, con perdita di spazio articolare, sclerosi articolare (indurimento del tessuto), osteofiti (escrescenze ossee a livello dell'articolazione) e cisti ossee.
L'ispezione sul posto di lavoro ha mostrato che questi problemi erano dovuti alla ripetuta iperestensione (flessione verso l'alto) dell'articolazione più esterna delle dita. Il sovraccarico meccanico e la restrizione del flusso sanguigno (visibile come uno sbiancamento del dito) sarebbero massimi in queste articolazioni. Questi problemi si sono sviluppati in risposta allo sforzo muscolare ripetuto in un sito diverso dal muscolo.
La biomeccanica aiuta a suggerire modi di progettare compiti per evitare questi tipi di infortuni o per migliorare compiti mal progettati. I rimedi a questi particolari problemi sono la riprogettazione delle forbici e la modifica dei compiti di cucito per eliminare la necessità delle azioni eseguite.
Due importanti principi della biomeccanica sono:
- I muscoli vengono in coppia. I muscoli possono solo contrarsi, quindi per ogni articolazione deve esserci un muscolo (o gruppo muscolare) per muoverla in una direzione e un muscolo corrispondente (o gruppo muscolare) per muoverla nella direzione opposta. La Figura 1 illustra il punto per l'articolazione del gomito.
- I muscoli si contraggono in modo più efficiente quando la coppia muscolare è in equilibrio rilassato. Il muscolo agisce in modo più efficiente quando si trova nella fascia media dell'articolazione che si flette. Questo per due motivi: primo, se il muscolo cerca di contrarsi quando è accorciato, tirerà contro il muscolo opposto allungato. Poiché quest'ultimo è allungato, applicherà una forza contraria elastica che il muscolo contratto deve vincere. La Figura 2 mostra il modo in cui la forza muscolare varia con la lunghezza del muscolo.
Figura 1. I muscoli scheletrici si presentano in coppia per iniziare o invertire un movimento
Figura 2. La tensione muscolare varia con la lunghezza del muscolo
In secondo luogo, se il muscolo cerca di contrarsi in un punto diverso da quello medio del movimento dell'articolazione, funzionerà con uno svantaggio meccanico. La Figura 3 illustra la variazione del vantaggio meccanico per il gomito in tre diverse posizioni.
Figura 3. Posizioni ottimali per il movimento articolare
Un criterio importante per la progettazione del lavoro deriva da questi principi: il lavoro dovrebbe essere organizzato in modo che avvenga con i muscoli opposti di ciascuna articolazione in equilibrio rilassato. Per la maggior parte delle articolazioni, ciò significa che l'articolazione dovrebbe trovarsi all'incirca nella sua gamma media di movimento.
Questa regola significa anche che la tensione muscolare sarà al minimo durante l'esecuzione di un compito. Un esempio di violazione della regola è la sindrome da uso eccessivo (RSI, o lesione da sforzo ripetitivo) che colpisce i muscoli della parte superiore dell'avambraccio negli operatori di tastiera che operano abitualmente con il polso flesso verso l'alto. Spesso questa abitudine è imposta all'operatore dal design della tastiera e della postazione di lavoro.
Applicazioni
Di seguito sono riportati alcuni esempi che illustrano l'applicazione della biomeccanica.
Il diametro ottimale delle impugnature degli utensili
Il diametro di un manico influisce sulla forza che i muscoli della mano possono applicare a uno strumento. La ricerca ha dimostrato che il diametro ottimale dell'impugnatura dipende dall'uso a cui è destinato l'utensile. Per esercitare la spinta lungo la linea dell'impugnatura, il diametro migliore è quello che consente alle dita e al pollice di assumere una presa leggermente sovrapposta. Questo è di circa 40 mm. Per esercitare la coppia, un diametro di circa 50-65 mm è ottimale. (Sfortunatamente, per entrambi gli scopi, la maggior parte degli handle sono più piccoli di questi valori.)
L'uso delle pinze
Come caso particolare di un manico, la capacità di esercitare forza con le pinze dipende dalla separazione del manico, come mostrato nella figura 4.
Figura 4. Forza di presa delle ganasce delle pinze esercitata da utilizzatori di sesso maschile e femminile in funzione della separazione del manico
Postura seduta
L'elettromiografia è una tecnica che può essere utilizzata per misurare la tensione muscolare. In uno studio sulla tensione nel erettore spinale muscoli (della schiena) di soggetti seduti, si è riscontrato che appoggiarsi all'indietro (con lo schienale inclinato) riduceva la tensione in questi muscoli. L'effetto può essere spiegato perché lo schienale prende più del peso della parte superiore del corpo.
Studi a raggi X di soggetti in una varietà di posture hanno mostrato che la posizione di equilibrio rilassato dei muscoli che aprono e chiudono l'articolazione dell'anca corrisponde a un angolo dell'anca di circa 135º. Questo è vicino alla posizione (128º) naturalmente adottata da questo giunto in condizioni di assenza di peso (nello spazio). Nella postura seduta, con un angolo di 90º all'anca, i muscoli posteriori della coscia che corrono sia sulle articolazioni del ginocchio che su quelle dell'anca tendono a portare l'osso sacro (la parte della colonna vertebrale che si collega al bacino) in posizione verticale. L'effetto è quello di rimuovere la naturale lordosi (curvatura) della colonna lombare; le sedie dovrebbero avere schienali adeguati per correggere questo sforzo.
Avvitare
Perché le viti sono inserite in senso orario? La pratica è probabilmente nata riconoscendo inconsciamente che i muscoli che ruotano il braccio destro in senso orario (la maggior parte delle persone sono destrimani) sono più grandi (e quindi più potenti) dei muscoli che lo ruotano in senso antiorario.
Si noti che i mancini saranno in svantaggio quando si inseriscono le viti a mano. Circa il 9% della popolazione è mancino e richiederà quindi strumenti speciali in alcune situazioni: forbici e apriscatole sono due esempi di questo tipo.
Uno studio su persone che usano cacciaviti in un compito di assemblaggio ha rivelato una relazione più sottile tra un particolare movimento e un particolare problema di salute. È stato riscontrato che maggiore è l'angolo del gomito (più il braccio è dritto), più persone avevano infiammazioni al gomito. La ragione di questo effetto è che il muscolo che ruota l'avambraccio (il bicipite) tira anche la testa del radio (osso del braccio inferiore) sul capitulum (testa arrotondata) dell'omero (osso del braccio). L'aumento della forza all'angolo più alto del gomito ha causato una maggiore forza di attrito al gomito, con conseguente riscaldamento dell'articolazione, che ha portato all'infiammazione. All'angolo più alto, il muscolo doveva anche tirare con maggiore forza per effettuare l'azione di avvitamento, quindi veniva applicata una forza maggiore di quella che sarebbe stata richiesta con il gomito a circa 90º. La soluzione era spostare l'attività più vicino agli operatori per ridurre l'angolo del gomito a circa 90º.
I casi di cui sopra dimostrano che è necessaria una corretta comprensione dell'anatomia per l'applicazione della biomeccanica sul posto di lavoro. I progettisti di compiti potrebbero aver bisogno di consultare esperti di anatomia funzionale per anticipare i tipi di problemi discussi. (L'ergonomista tascabile (Brown e Mitchell 1986) basato sulla ricerca elettromiografica, suggerisce molti modi per ridurre il disagio fisico sul lavoro.)
Movimentazione manuale dei materiali
Il termine movimentazione manuale comprende il sollevamento, l'abbassamento, la spinta, la trazione, il trasporto, lo spostamento, la presa e il contenimento e comprende gran parte delle attività della vita lavorativa.
La biomeccanica ha un'ovvia rilevanza diretta per il lavoro di movimentazione manuale, poiché i muscoli devono muoversi per svolgere compiti. La domanda è: quanto lavoro fisico ci si può ragionevolmente aspettare che le persone facciano? La risposta dipende dalle circostanze; ci sono davvero tre domande che devono essere poste. Ognuno ha una risposta che si basa su criteri scientificamente ricercati:
- Quanto può essere gestito senza danni al corpo (sotto forma, ad esempio, di affaticamento muscolare, lesioni al disco o problemi articolari)? Questo è chiamato il criterio biomeccanico.
- Quanto può essere gestito senza sovraccaricare i polmoni (respirando a fatica fino al punto di ansimare)? Questo è chiamato il criterio fisiologico.
- Quanto le persone si sentono in grado di gestire comodamente? Questo è chiamato il criterio psicofisico.
C'è bisogno di questi tre diversi criteri perché ci sono tre reazioni ampiamente diverse che possono verificarsi alle attività di sollevamento: se il lavoro va avanti tutto il giorno, la preoccupazione sarà come la persona si sente sul compito: il criterio psicofisico; se la forza da applicare è grande, la preoccupazione sarebbe che i muscoli e le articolazioni lo siano non sovraccarico fino al danno: il criterio biomeccanico; e se il tasso di lavoro è troppo grande, allora può ben superare il criterio fisiologico, ovvero la capacità aerobica della persona.
Molti fattori determinano l'entità del carico posto sul corpo da un'attività di movimentazione manuale. Tutti suggeriscono opportunità di controllo.
Postura e movimenti
Se l'attività richiede che una persona si torchi o si protenda in avanti con un carico, il rischio di lesioni è maggiore. La workstation può spesso essere riprogettata per impedire queste azioni. Si verificano più lesioni alla schiena quando il sollevamento inizia a livello del suolo rispetto a metà coscia, e questo suggerisce semplici misure di controllo. (Questo vale anche per il sollevamento elevato.)
Il carico.
Il carico stesso può influenzare la movimentazione a causa del suo peso e della sua posizione. Altri fattori, come la sua forma, la sua stabilità, le sue dimensioni e la sua scivolosità, possono influire sulla facilità di movimentazione.
Organizzazione e ambiente.
Anche il modo in cui il lavoro è organizzato, sia fisicamente che nel tempo (temporalmente), influenza la movimentazione. È meglio distribuire l'onere di scaricare un camion in una baia di consegna su più persone per un'ora piuttosto che chiedere a un lavoratore di dedicare tutto il giorno all'attività. L'ambiente influenza la manovrabilità: scarsa illuminazione, pavimenti ingombri o irregolari e scarsa pulizia possono far inciampare una persona.
Fattori personali.
Anche le capacità personali di manipolazione, l'età della persona e l'abbigliamento indossato possono influenzare i requisiti di manipolazione. L'istruzione per l'allenamento e il sollevamento sono necessarie sia per fornire le informazioni necessarie sia per consentire il tempo per lo sviluppo delle capacità fisiche di manipolazione. I giovani sono più a rischio; d'altra parte, le persone anziane hanno meno forza e meno capacità fisiologiche. Gli indumenti stretti possono aumentare la forza muscolare richiesta in un'attività mentre le persone si sforzano contro il tessuto stretto; esempi classici sono l'uniforme del camice dell'infermiera e le tute attillate quando le persone lavorano sopra le loro teste.
Limiti di peso consigliati
I punti sopra menzionati indicano che è impossibile stabilire un peso che sia "sicuro" in ogni circostanza. (I limiti di peso tendono a variare da paese a paese in modo arbitrario. Ai portuali indiani, ad esempio, una volta era "permesso" di sollevare 110 kg, mentre i loro omologhi nell'ex Repubblica democratica popolare di Germania erano "limitati" a 32 kg .) Anche i limiti di peso tendevano ad essere eccessivi. I 55 kg suggeriti in molti paesi sono ora considerati troppo grandi sulla base di recenti prove scientifiche. Il National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) negli Stati Uniti ha adottato 23 kg come limite di carico nel 1991 (Waters et al. 1993).
Ogni attività di sollevamento deve essere valutata in base ai propri meriti. Un approccio utile per determinare un limite di peso per un'attività di sollevamento è l'equazione sviluppata da NIOSH:
RWL = LC x HM x VM x DM x AM x CM x FM
Dove
RWL = limite di peso consigliato per l'attività in questione
HM = la distanza orizzontale dal baricentro del carico al punto medio tra le caviglie (minimo 15 cm, massimo 80 cm)
VM = la distanza verticale tra il baricentro del carico e il pavimento all'inizio del sollevamento (massimo 175 cm)
DM = la corsa verticale del sollevatore (minimo 25 cm, massimo 200 cm)
AM = fattore di asimmetria: l'angolo da cui il compito devia direttamente davanti al corpo
CM = moltiplicatore di accoppiamento: la capacità di ottenere una buona presa sull'oggetto da sollevare, che si trova in una tabella di riferimento
FM = moltiplicatori di frequenza: la frequenza del sollevamento.
Tutte le variabili di lunghezza nell'equazione sono espresse in unità di centimetri. Va notato che 23 kg è il peso massimo raccomandato da NIOSH per il sollevamento. Questo è stato ridotto da 40 kg dopo che l'osservazione di molte persone che effettuano molti compiti di sollevamento ha rivelato che la distanza media dal corpo dell'inizio del sollevamento è di 25 cm, non i 15 cm ipotizzati in una versione precedente dell'equazione (NIOSH 1981 ).
Indice di sollevamento.
Confrontando il peso da sollevare nell'attività e l'RWL, un indice di sollevamento (LI) si ottiene dalla relazione:
LI=(peso da movimentare)/RWL.
Pertanto, l'uso particolarmente prezioso dell'equazione NIOSH è la collocazione delle attività di sollevamento in ordine di gravità, utilizzando l'indice di sollevamento per stabilire le priorità di azione. (L'equazione ha una serie di limitazioni, tuttavia, che devono essere comprese per la sua applicazione più efficace. Vedi Waters et al. 1993).
Stima della compressione spinale imposta dall'attività
È disponibile un software per computer per stimare la compressione spinale prodotta da un'attività di manipolazione manuale. I programmi di previsione della forza statica 2D e 3D dell'Università del Michigan ("Backsoft") stimano la compressione spinale. Gli input richiesti al programma sono:
- la postura in cui viene eseguita l'attività di manipolazione
- la forza esercitata
- la direzione dell'esercizio della forza
- il numero di mani che esercitano la forza
- percentile della popolazione studiata.
I programmi 2D e 3D differiscono in quanto il software 3D consente calcoli applicati alle posture in tre dimensioni. L'output del programma fornisce i dati sulla compressione spinale ed elenca la percentuale della popolazione selezionata che sarebbe in grado di svolgere il compito specifico senza superare i limiti suggeriti per sei articolazioni: caviglia, ginocchio, anca, primo disco lombare-sacro, spalla e gomito. Questo metodo ha anche una serie di limitazioni che devono essere pienamente comprese per ottenere il massimo valore dal programma.