Humans&Power -7

7.• UNA VANGA COME ESPERIMENTO •

Con questo semplice ma importante esperimento si vuole comprendere quanto la stabilità articolare, la rimozione delle coppie del piede come coppie di comando, e la conseguente distribuzione dello sforzo su un massa muscolare elevata quindi a basso carico specifico, sono in grado di migliorare il rendimento riguardo il trasferimento di “potenza” delle forze generate dal corpo umano e trasmesse dagli arti inferiori.

Si è utilizzata, modificandolo opportunamente, un badile in modo da trasformarlo nella miglior vanga possibile.

Il funzionamento della vanga si ritiene essere forse, uno degli esempi più semplici riguardo la meccanica del nostro corpo e delle sue azioni e limitazioni, quando esso realizza moti con trasferimento di forze risultanti quasi esclusivamente verticali o meglio, con direzione principale lungo l’asse esteso della gamba.

È noto come essa sia uno strumento antichissimo, nato per lo scavo del terreno.

La sua forma dritta e tagliente tende a favorire l’operazione di “inserimento” (taglio), cercando di sfruttare al meglio la massima forza di spinta verticale dell’uomo.

Essa viene esercitata attraverso l’interazione con gli arti inferiori e corrisponde, nel suo massimo, alla forza peso derivata dalla gravità.

Dopo l’”inserimento” segue poi l’azione di “estrazione” effettuata ruotando, attraverso gli arti superiori, all’indietro il manico e, di conseguenza, il cucchiaio, saldamente collegati tra loro.

Nella fig. 11 si può notare come, durante la distensione dell’arto inferiore, siano fondamentali le coppie rotatorie dell’anca, del ginocchio e della caviglia, che, componendosi, rendono uno stato motorio in grado di trasmettere forze verticali attraverso i membri strutturali (ossa) e le relative giunzioni (anca, ginocchio, caviglia) dello scheletro.

In particolare, si nota, come, l’ultima giunzione a trasmettere la forza (malleolo), non sia in realtà, la vera interfaccia con gli elementi esterni, riconoscibile invece nel piede.

Esso, come è naturale, svolge la sua insostituibile funzione nel gesto del camminare, ma per moti risultanti non espressamente orizzontali, costituisce, con la sua particolare conformazione “a mensola”, ortogonale a gamba e coscia, un elemento non privo di complicazioni.

Quante discipline sportive e non, hanno avvertito la necessità di “calzature” tecniche specifiche e specializzate: si pensi agli scarponcini semirigidi per il trekking, agli scarponi da sci, alle scarpe chiodate di calciatori e velocisti, agli strani ramponi dei tagliaboschi canadesi ……

Analizzando i fenomeni correlati tra la forza di spinta verticale e la meccanica del piede (nella sua interazione con il resto del corpo e quindi tenendo ben presente i punti descritti in precedenza), abbiamo tradotto questi in una nuova realizzazione della vanga che ne aumenta significativamente l’efficienza.

Fig. 12 illustrates the modified shovel.

It comprises a standard shovel with a special tibia support fastened to the handle by means of a simple friction ring.

With reference to Fig. 13 there follows a brief explanation of how it works.

Come si può vedere dallo schema a sinistra, l’impiego del badile non è stata una scelta “provocatoria” nei confronti dei costruttori di vanghe, ma una scelta tecnica ben ponderata.

Il badile, attrezzo normalmente impiegato per la “raccolta” ed il trasferimento di conglomerati fini, è caratterizzato, per questo, da un cucchiaio molto curvo.

Tale curvatura, permette e provvede, nell’utilizzo del nostro nuovo attrezzo, a fornire un braccio reattivo K, che sotto l’azione della forza G produce una coppia Cr atta ad innescare il contatto tra la tibia ed il suo supporto.

Con riferimento ora allo schema di destra, possiamo notare come la coppia limitante del piede normalmente generata dalle forze e reazioni G1 e GR1 e dal relativo braccio X, sia contrastata ed annullata da una coppia contraria determinata dalle reazioni R1 (per pressione all’appoggio della tibia ed incastro della stessa) ed R2 ( per attrito tra piede e cucchiaio) e relativo braccio Y.

L’annullamento della coppia al piede permette alla forza principale Fr passante per il centro dello snodo del ginocchio di espletarsi completamente, come conseguenza di una ottimale distribuzione muscolare priva di sforzi massimali.

L’articolazione del piede, data la possibilità di ruotare intorno all’appoggio, non viene in alcun modo compromessa dall’incastro della tibia, anzi naturalmente assecondata.

Se così non fosse, il blocco angolare alla caviglia produrrebbe, per ergonomia interna,(l’angolo tra piede e tibia deve avere libertà di “naturale” variazione durante l’estensione o la contrazione della gamba), altre importanti tipologie di disagio muscolare..

Ed ecco il risultato dell’esperimento in fig.14:

Si potrebbe pensare che, correlato ad un risultato così macroscopico, compreso tra valori del 150% relativi alla fase di “taglio” fino al 250% a quella di “estrazione”, vi sia comunque un maggior impegno-fatica muscolare.

La terra che si estrae in più, è invece solo la reale rappresentazione e proporzione di quanto, per “fatica” come conseguenza dell’inefficienza, si disperde internamente se privi del semplice ma efficace asservimento.

7. • A SPADE AS EXPERIMENT •

This simple but important experiment wants to help the understanding of how the joint stability, the removal of the foot torques as control torques and the resulting distribution of the effort on a high muscular mass, and therefore to a very low specific load, are capable of increasing the output in the “power” transfer of the forces exploited by the human body and transferred to the lower limbs.

A shovel was suitably modified to become the best spade possible.

The work of a spade can be considered one of the simplest examples, in reference to the mechanics of the human body and its actions and limitations, when the same body exploits movements by the transfer of almost exclusively vertical resulting forces, or better, in the direction principally along the axis of the extended leg.

It’s known that the spade is an ancient tool, created to dig the land.

Its straight shape and sharp edge facilitate “insertion“ (cutting) by attempting to fully exploit the vertical thrust applied by the human body.

This insertion action is exerted by interaction with the lower limbs and at most corresponds to the weight force derived from gravity.

The action of “extraction” which follows that of “insertion” is performed by the upper limbs which rotate back the handle of the spade.

Fig. 11 shows how fundamental the rotation torques of the hip, knee and ankle are during lower limb extension, which, compounding themselves, create a state of motion capable of transmitting vertical forces through the structural members (the bones) and the relative joints (hip, knee, ankle) of the skeleton.In particular, it can be seen that the foot, rather than the last joint transmitting the force (the malleolus), is the true interface with the external elements.

As is natural, the foot performs its irreplaceable function in the act of walking, but when performing movements that are not expressly horizontal, its particular “shelf” conformation, orthogonal to the leg and the thigh, makes it a biomechanical element with significant limitations.

How many sporting and non-sporting activities require specialised technical “footwear”?

Think of semi-rigid hiking boots, ski boots, spiked soccer and running shoes, not to mention the strange crampons worn by Canadian woodcutters…………

We have analysed the phenomena connected with vertical thrust and the mechanics of the foot, in its interaction with the rest of the human body, and bearing in mind the points previously described, we translated these concepts in the design of a new spade which significantly increases the overall efficiency.

Fig. 12 illustrates the modified shovel.

It comprises a standard shovel with a special tibia support fastened to the handle by means of a simple friction ring.

With reference to Fig. 13 there follows a brief explanation of how it works.

As we can see in the diagram on the left, the shovel was not chosen to “provoke” spade manufacturers; the choice was based on pondered technical considerations.

As the shovel is normally used to “collect” and move loose conglomerates, it is characterised by an extremely curved scoop.

With our new tool, this curve allows and provides a reactive arm K which, under the action of force G, produces a torque Cr that engages the contact between the tibia and its support.

Referring to the diagram on the right, we can see how the limiting torque of the foot, usually generated by the forces and reactions G1 and GR1 and by the relative arm X, is opposed and cancelled by an opposing torque determined by reactions R1 (due to the pressure of the tibia on the support and due to the fixed joint of the same tibia) and R2 (due to the friction between the foot and the scoop) and the relative arm Y.

The elimination of the foot torque allows the main force Fr, passing through the centre of the knee hinge, to fully exploit as a consequence of an optimal muscular distribution without maximal efforts.

Given that the foot articulation can rotate around the support, it is in no way compromised by the fixed joint of the tibia, on the contrary, it is naturally encouraged.

If this were not the case, the angle block of the ankle would produce, for internal ergonomics (the angle between the foot and the tibia must be free to change “naturally” during leg extension or contraction) other significant kinds of muscular discomfort.

And in Fig. 14 and the video in ahed illustrate the results of the experiment:

Given such macroscopic differences (from 150% for the “cutting” phase up to 250% for the “extraction” phase), one would expect an increase in muscle use-fatigue.

The extra soil that is extracted, is instead simply the real representation and proportion of how much energy, for “fatigue” as consequence of the inefficiency, is internally wasted without a simple but effective “servocontrol”.