Humans&Power -1

1. LA MANOVELLA E LA PEDIVELLA • CONSIDERAZIONI GENERALI •

Storicamente, prima dei “motori” a più elevato contenuto energetico e dove il motore “animale” aveva delle limitazioni d’uso e di condizione, il “motore” umano è stato certamente il primo, naturale e più importante “trasformatore” di energia.

Per il miglior sfruttamento abbiamo cercato continuamente organi di trasferimento e trasmissione della sua “potenza” relativamente alle esigenze di utilizzo.

Nella applicazione, ad esempio, della “ruota” come meccanismo di comando, oltre che di più efficiente trasmissione del moto nell’interazione con l’ambiente esterno, l’uomo ha dovuto adattare al suo corpo organi di presa di tale elemento in modo da poter trasmettere, sotto forma di forza e spostamento, la propria potenza e costruire poi “macchine” e “meccanismi” che, sfruttandola, potessero migliorarne l’attività e la vita.

Sono nate così, la “manovella” comandata dagli arti superiori attraverso la presa delle mani, e la “pedivella” comandata dagli arti inferiori attraverso l’appoggio dei piedi.

Applicazioni tipiche si riconoscono ,ad esempio, nell’argano manuale e nella bicicletta a pedali, quest‘ultima certamente primo mezzo di trasporto terrestre (e ancora oggi, in numero, il più diffuso) a forza motrice umana.

L’analisi dell’interazione uomo-macchina relativa in particolare al collegamento arti inferiori - pedivella ha posto in evidenza anomalie tanto importanti da non poterne escludere lo studio per definirne la soluzione ed apprezzarne le conseguenze. Insomma fare girare un cerchio con le gambe forse non è così semplice e scontato.

Vediamo perché.

Sia nel caso della manovella che della pedivella si nota già, in prima istanza, come il moto circolare completo di 360°, per far sì che la forza si esplichi sempre in modo più tangenziale possibile, sfruttando così il migliore e più costante braccio di leva,imponga rotazioni angolari alle giunzioni articolate di entrambi (polsi e caviglie), di 180°.

Se l’articolazione al polso della mano approssima tali condizioni (angoli di rotazione ammissibili di circa 120°-130°), l’articolazione alla caviglia le limita fortemente (angoli compresi tra 40° e 60°) . vedi Fig. 1.

Nel caso della pedivella, proprio per questo motivo, per questa ridotta mobilità angolare, per mantenere il più possibile la direzione tangenziale della forza durante la sua applicazione sfruttando al massimo le condizioni di ridotta articolazione, è necessario che l’appoggio tra il piede e la pedivella sia il più lontano possibile dal centro di rotazione del piede stesso (malleolo), e che sia ancora in grado di sopportare per pressione i carichi, cioè la zona del metatarso.

Si comprende che in angoli ridotti,gli archi più lontani dal centro di rotazione degli stessi concedono proporzionalmente più ampi spostamenti, che di conseguenza facilitano le variazioni delle direzioni delle forze.

Vedi Fig. 2

Ne consegue, sfortunatamente, che tale appoggio al metatarso (approssimabile ad una posizione in “punta di piedi”) produce una condizione muscolare assai sfavorevole dato il suo forte ma necessario disallineamento con la gamba responsabile di forti coppie reattive poco presenti, al contrario, nella manovella, dove la mano rimane molto allineata al braccio.

In riferimento alla fig.2 risulta anche evidente come, per l’articolazione della mano, è estremamente semplice realizzare un organo di presa “logico” e naturale ( un tondo a rotazione libera sul suo asse) e di conseguenza realizzare il trasferimento delle forze mantenendole il più tangenziali possibili riguardo il cerchio e più assiali possibili riguardo le varie parti componenti il braccio.

Per il piede dell’uomo, non essendo di tipo prensile (ad esempio come quello della scimmia) risulta possibile unicamente un appoggio al posto di una presa e dato questo, il trasferimento delle forze verticali o radiali non può che risultare preponderante su quelle trasmesse tangenzialmente.

E ancora, nel caso del piede, si nota come anche un appoggio dello stesso sul tondo a rotazione libera rappresentato dal “pedale” assunto uguale ad una “manopola”,(qualsivoglia foggia gli si possa conferire, rimane un tondo a rotazione libera !) in una zona differente da quella del metatarso, produce comunque in modo intrinseco, una condizione di instabilità della caviglia sul suo asse di rotazione ben oltre il necessario.

Questo perché da un lato, mancante di possibilità di presa e, dall’altro, comunque fortemente disallineato con il punto più delicato di trasferimento delle forze rappresentato dal ginocchio. Ricordiamo anche che, senza apposite calzature e organi di presa meccanici,( sistemi clipless) l’arto inferiore può unicamente trasmettere al pedale forze di “spinta” e non di “tiro”.

1. THE HAND CRANK AND THE PEDAL CRANK • GENERAL CONSIDERATIONS•

In the past, before higher energy “motors” were invented and in circumstances where the “animal” motor had limitations in use, the human “motor” was certainly the first, natural and most important “transformer” of energy.

In order to exploit this “transformer of energy” to the upmost, man has continuously searched for mechanisms to transfer its “power” to satisfy his needs of use.

In the discovery and the application, for example, of the “wheel” as an operating mechanism, in addition to a more efficient transmission of movement interacting with the external environment, man had to adapt suitable grasping mechanisms to his body so as to transmit his own power as force and motion and then build “machinery” and “mechanisms” that, by exploiting them, could improve his activity and life.

This led to the invention of the “hand crank” operated by the gripping action of the hand, and the “pedal crank” operated by the positioning of the feet.

Typical applications can be found, for example, in the hand-operated hoist and in the pedal bicycle which was certainly the first means of ground transport operated by human power (and in numerical terms, is still today the most diffused).

Analysis of man-machine interaction, particularly as regards the lower limb-pedal crank connection, revealed anomalies that were so considerable as to oblige us to conduct further studies with a view to defining a solution and appreciating its consequences.

Having your legs turn in circles is not so easy and natural after all.

Let’s see why. In both the hand crank and the pedal crank, we can immediately see how the complete 360° circular motion required for the force to continually act as tangentially as possible, thus exploiting optimal and constant leverage, demands 180° rotations from both (wrists and ankles).

While the wrist almost satisfies these conditions (the maximum angle of rotation is approximately 120°-130°), the ankle joint severely limits them (maximum angle of rotation is between 40° and 60°). See Fig. 1. (the maximum angle of wrist and ankle joint)

As concerns the pedal crank, due to this limited angular mobility of the ankle, in order to maintain as much as possible the tangential direction of the force and fully exploiting this limited articulation, the support between the foot and the pedal crank must be as far away as possible from the centre of rotation of the foot itself (malleolus), though it must still be able to support the pressure loads, i.e.: the metatarsal area.

Clearly, for small angles, the arcs further away from their centre of rotation allow proportionately wider movements.

This simplifies changes in the directions of the forces. See Fig. 2

Unfortunately, this support on the metatarsus (similar to standing on “tiptoes”) produces an extremely

unfavourable muscular condition due to the acute but necessary misalignment with the leg which produces strong reactive torques which are not so notable with the hand crank, where the hand remains perfectly aligned with the arm.

Fig. 2 clearly illustrates how, due to the articulation of the hand, it is extremely easy to realize a natural and “logical” grasping organ, a hollow rod rotating freely on its axis, and consequently to realize the transfer of the forces keeping them as tangential as possible to the circle and as axial as possible to the components of the lever arm.

Man’s foot, not being prehensile (like the monkey’s for example), cannot grasp but can only be positioned and due to this, the transfer of the vertical or radial forces can only result as being preponderant on those transmitted tangentially.

Furthermore, in the case of the foot, it can be noted also how the placement of the same, on a freely rotating hollow rod, represented by the “pedal”, supposing it to be a “hand crank” (whatever its shape, it is and will always be a freely rotating hollow rod!), in an area other than the metatarsus, produces intrinsically, the uncomfortable condition of ankle instability on its rotation axis.

This is due to the lack of prehensile ability as well as to the severe misalignment with the knee, which is the most delicate point of the transfer of the forces.

It’s also necessary to remember that without specialized shoes and mechanical clipless systems the lower limb can transmit only “push” forces, and non “pull” forces, to the pedal.