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adeguatamente ai rischi da vibrazione.
Infine viene introdotto un esempio di modello sintetico di vibrazione
per il corpo umano che fornisce senza dubbio, pur presentando dei
limiti, una base scientifica per la formulazione di determinate linee
guida ergonomiche che mirano a ridurre ulteriormente i rischi da
vibrazione. Si spera che questo lavoro di tesi, basato su di una
raccolta organica dell’ampia letteratura scientifica e di riferimento
fornisca in modo esaustivo un quadro completo sulle principali
problematiche legate alla presenza delle vibrazioni nelle postazioni
di lavoro e sulle relative misure di sicurezza alla luce dell’ultimo
decreto di legge 187/05 approvato dal Consiglio dei Ministri il 19
agosto del 2005.
12
1. Generalità sulle vibrazioni
1.1 Definizioni e caratteristiche
Prima di descrivere gli effetti delle vibrazioni sul corpo umano, è
opportuno riportare il significato di vibrazione stessa.
Le vibrazioni non sono altro che delle oscillazioni meccaniche
determinate da onde di pressione che si trasmettono attraverso corpi
solidi. L’oscillazione è il moto che un punto mobile compie per
ritornare alla posizione di partenza: infatti, spesso si parla anche di
piccoli moti intorno alla posizione di equilibrio.
Il moto oscillatorio può compiersi in modo periodico o alternativo.
Se si osserva un oggetto durante il moto vibratorio (figura 1.1), si
possono osservare degli spostamenti movimenti periodici; il tempo
che intercorre tra due passaggi di un punto per la posizione di
riferimento (posizione di equilibrio o di partenza) è detto periodo (o
ciclo) e il numero di cicli che un oggetto vibrante completa in un
secondo è proprio la frequenza.
L’unità di misura della frequenza è l’Hertz (abbreviato Hz) che
è pari proprio ad un ciclo al secondo; vale dunque la relazione:
f = 1/T (1)
dove f = frequenza, T = periodo.
Oltre che dalla frequenza, le vibrazioni sono caratterizzate da altri tre
parametri strettamente connessi tra loro:
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ξ ampiezza dello spostamento (espressa in m secondo lo
Standard Internazionale, qualche volta anche in pollici);
ξ velocità (espressa in m/s);
ξ accelerazione (espressa in m/s ² o in multipli della
accelerazione di gravità g: 1 g = 9.8 m/s ² ).
Figura 1.1: caratteristiche della vibrazione
L’accelerazione, come è noto, è una misura di quanto la velocità
cambia rapidamente nel tempo: essa va da zero in corrispondenza
della posizione di stazionarietà ad un valore massimo.
Nel presente studio l’accelerazione è il parametro più importante per
la valutazione della risposta corporea alle vibrazioni in quanto
l’uomo avverte più la variazione di uno stimolo che il suo perdurare.
L’intensità delle vibrazioni è definita come il rapporto fra il flusso
dell’energia oscillatoria e l’unità di superficie nell’unità di tempo e
viene espressa in ( W s/cm ² ).
L’energia vibratoria, che si indica con I, è direttamente
proporzionale al quadrato della frequenza (f) e dell’ampiezza (A) e
dipende dalla massa del corpo vibrante (m) per cui risulta:
I = ( Σ f A) ² m (2)
14
Nel campo dell’igiene industriale l’intensità della vibrazione viene
rappresentata mediante il valore efficace dell’accelerazione che si
determina dalla radice quadrata della media dei quadrati dei valori
istantanei [a(t)
2
] in un certo intervallo di tempo T. In termini formali
il valore efficace si esprime mediante la relazione:
In cui T è funzione del tipo di campionamento che viene scelto.
1. 2 L’analisi di frequenza
Un secondo aspetto fondamentale nel processo di misura di una
vibrazione meccanica è l’analisi in frequenza. L’intervallo delle
frequenze di interesse viene suddiviso in domini di frequenze
adiacenti, dette bande, caratterizzati da un rapporto ben preciso tra il
limite superiore e quello inferiore. Usuale è l’utilizzo di bande di
ampiezza percentuale costante dette bande in un terzo d’ottava,
mentre sono in disuso le bande più ampie con ampiezza di un’ottava
(1/1 d’ottava). Le bande di frequenza sono caratterizzate da una
frequenza centrale che le individua e dai limiti di banda legati alla
frequenza dalla relazione:
_________
fc = ( f1) (f2) (4)
dove f2 è pari a 2 ª (f1) con a = 1 nel caso di bande di un’ottava
oppure si ha a = 1/3 nel caso di bande in un terzo di ottava.
15
L’analisi in frequenza consiste nel determinare, per ciascuna banda,
l’ampiezza complessiva delle frequenze componenti. Quando si
afferma che “l’ampiezza della vibrazione nella banda di un terzo
d’ottava centrata su 10 Hz vale 0,5 m/s
2
, si intende che l’ampiezza
di tutte le frequenze presenti nel fenomeno indagato e comprese
nella banda centrata su 10 Hz vale 0,5 m/s
2
.
1.3 Fenomeno di risonanza nel corpo umano
L’energia di vibrazione viene trasmessa al corpo umano tramite il
contatto con un utensile o una superficie vibrante: il nostro corpo,
come molti sistemi meccanici, ha la capacità di smorzare le
oscillazioni riducendone così l’ampiezza.
Nella posizione eretta gli arti inferiori smorzano le vibrazioni
verticali mentre le vibrazioni orizzontali, che si trasmettono
prevalentemente attraverso le mani, si riducono progressivamente
nelle mani stesse, sui gomiti e sulle spalle.
Ogni parte del nostro corpo ha una frequenza propria di oscillazione
per cui anche le reazioni alle vibrazioni risultano differenti a seconda
delle regioni interessate.
A titolo esemplificativo, la frequenza di risonanza degli organi
addominali è di 4 – 8 Hz, quella delle spalle è di 4 – 5 Hz, per
la testa si ha una frequenza di 20 – 30 Hz mentre per le gambe, a
seconda dell’angolatura, si hanno valori di 2 – 20 Hz. Il numero di
coordinate indipendenti richieste per rappresentare la configurazione
di un corpo durante l’oscillazione dipende dal numero dei suoi
gradi di libertà o meglio dal numero di gradi di libertà del
modello utilizzato per rappresentarlo.
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L’insieme che si sviluppa, tra il nostro corpo e le strutture che ad
esso trasmettono le vibrazioni, è quello tipico di un sistema a più
gradi di libertà: ne sono un esempio il sistema torace – testa, il
sistema braccio – mano ed il sistema uomo – macchina vibrante.
1.4 Parametri da considerare per gli effetti da
vibrazione
Per poter valutare l’effetto delle vibrazioni sull’uomo bisogna
considerare diversi parametri quali:
1) la regione di ingresso delle vibrazioni e la loro direzione lungo il
sistema di coordinate biodinamiche X, Y, Z;
2) le caratteristiche fisiche delle vibrazioni:
¾ frequenza;
¾ intensità;
¾ accelerazione;
3) le caratteristiche meccaniche del corpo umano: frequenza
caratteristica dei singoli organi (con i relativi fenomeni di
risonanza), caratteristiche di smorzamento, trasmissibilità e
impedenza dei tessuti o di altri ostacoli indossati o utilizzati;
4) la durata di esposizione;
5) la modalità di trasmissione.
In funzione degli effetti fisiopatologici sull’uomo le vibrazioni
vengono ripartite secondo tre principali bande di frequenza:
ξ oscillazioni a bassa frequenza, generate dai mezzi di
trasporto (terrestri, aerei e marittimi), comprese fra 0 e 2 Hz;
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ξ oscillazioni a media frequenza, generate da macchine e
impianti industriali, comprese fra i 2 e i 20 Hz;
ξ oscillazioni ad alta frequenza, oltre i 20 – 30 Hz, generate da
una vasta gamma di strumenti vibranti di sempre maggiore
diffusione in ambito industriale, coinvolgenti moltissime
attività lavorative, dalle più semplici a quelle più sofisticate.
1.5 Esposizione alle vibrazioni
Le parti del corpo attraverso cui più frequentemente le vibrazioni si
trasmettono sono le mani (utilizzo di utensili o macchinari vibranti
(figura 1.2), mentre piedi, fondoschiena e mani sono le vie
anatomiche di trasmissione quando il soggetto si trova , per esempio,
alla guida di un automezzo (figura 1.3) o si trova in postura eretta su
di una superficie in movimento o su una piattaforma vibrante.
Oltre al punto di ingresso, è importante conoscere anche la direzione
di propagazione che può essere, ad esempio, verticale (testa – piedi)
oppure antero – posteriore.
Figura 1.2: trasmissione attraverso le mani
18
Figura 1.3: trasmissione attraverso il corpo intero
L’essere umano possiede una moltitudine di recettori che sono
distinti in funzione della loro prontezza di risposta allo stimolo
meccanico. I meccanocettori cutanei si dividono in due tipi:
ξ “a lento adattamento” (slow adapting, SA1 e SA2);
ξ “a pronto adattamento” (fast adapting, FA1 e FA2).
I recettori presenti nelle strutture tessutali interne, nelle quali le
vibrazioni possono propagarsi, sono situate a livello del labirinto
membranoso: vi è, ad esempio, l’utricolo che è particolarmente
sensibile alle vibrazioni orizzontali e il sacculo, sensibile a quelle
verticali. Le problematiche connesse all’esposizione da vibrazione
sono ricondotte essenzialmente a due tipologie parallele e ben
distinte:
1. Vibrazione generalizzata: agisce sul corpo intero ed è infatti nota
come vibrazione del corpo intero (WBV: whole body
vibration);
2. Vibrazione localizzata: coinvolge solo alcune parti del corpo e
appartengono a questa categoria le vibrazioni al sistema
mano – braccio (HAV: hand – arm vibration).
19
La tabella 1.I indica degli esempi di esposizione alle vibrazioni in
varie industrie.
1.5 Metodi di misura per l’esposizione a vibrazione
Le vibrazioni vengono rilevate direttamente sull’elemento vibrante
da trasduttori collegati ad un sistema digitale che fornisce in uscita
dei valori numerici.
Per poter accertare in modo sufficientemente esauriente
l’esposizione alle vibrazioni è necessario misurare l’accelerazione in
ben definite direzioni, la frequenza e la durata di esposizione. Molte
giurisdizioni e agenzie utilizzano soprattutto l’accelerazione come
misura dell’esposizione, per i seguenti motivi:
1. la rilevazione dell’accelerazione può fornire informazioni
sulla velocità e sull’ampiezza di vibrazione;
2. sono disponibili molti tipi di strumenti per la misurazione
dell’accelerazione che rappresenta l’andamento della
variazione della velocità in termini di direzione per unità di
tempo (e.g. per secondi);
3. il grado del danno è legato all’ampiezza di accelerazione.
In riferimento al punto (2) va detto che l’output di svariati trasduttori
di vibrazione è legato all’accelerazione in quanto esso dipende dalla
forza agente sulla massa (alla quale è applicato il trasduttore) e,
come è sicuramente noto, per una massa fissa, forza e accelerazione
sono direttamente collegate tramite la seconda legge della dinamica:
Forza = massa x accelerazione (5)
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Industria Tipo di
vibrazione
Fonte comune della
vibrazione
Agricoltura Corpo Intero Trattori
Costruzione Corpo Intero
Mano – braccio
Veicoli pesanti
Attrezzi pneumatici
Taglio del
diamante
Mano – braccio Attrezzi di vibrazione
della mano
Silvicoltura Corpo Intero
Mano – braccio
Trattori
Troncatrici a catena
Fabbricazione
della mobilia
Mano – braccio Scalpelli pneumatici
Legname Mano – braccio Troncatrici a catena
Macchine
utensili
Mano – braccio Attrezzi di vibrazione
della mano
Estrazione
mineraria
Corpo Intero
Mano – braccio
Funzionamento del
veicolo
Perforatrici da roccia
Rivettamento Mano – braccio Attrezzi per la mano
Gomma Mano – braccio Attrezzi per
pneumatici
Cantieri navali Mano – braccio Attrezzi pneumatici
Tessile Mano – braccio Macchine per cucire
Trasporto Corpo Intero Veicoli
Tabella 1.I: esempi di esposizione professionale alle vibrazioni
21
Un tipico sistema di misurazione della vibrazione include un
dispositivo (figura 1.4) per rilevare la vibrazione (accelerometro), un
registratore, un analizzatore di frequenza, un filtro per la
ponderazione in frequenza e un display così come un contatore, una
stampante o un registratore.
Figura 1.4: strumentazione sul sedile di guida
L’accelerometro produce un segnale elettrico (di bassa potenza): il
valore di questo segnale, come detto, è proporzionale
all’accelerazione applicata. Siccome il trasduttore di vibrazione
misura l’accelerazione solo in una direzione, per poter meglio
quantificare la vibrazione su di una superficie, sono necessari
almeno tre accelerometri: uno per ogni asse del sistema di
riferimento ortogonale come illustrato in figura 1.5 .
L’analizzatore di frequenza determina la distribuzione di
accelerazione nelle diverse bande di frequenza; il filtro per la
ponderazione della frequenza esprime la sensibilità umana alle
22
diverse frequenze della vibrazione: l’uso di questi filtri permette di
ottenere un singolo valore numerico come misura dell’accelerazione.
Figura 1.5: assi di misurazione per la vibrazione
I misuratori di vibrazione forniti con gli accelerometri possono
essere utilizzati per la misurazione di vibrazioni istantanee; anche
alcuni tipi di misuratori del livello sonoro possono essere utilizzati
per misurare la vibrazione (in acustica i segnali vengono scomposti
secondo frequenze note fissate da norme ISO: bande di “ottava” o di
“terzi di ottava”).
L’utilizzo degli accelerometri piezoelettrici con amplificatore
integrato può consentire la riduzione di problematiche legate alle
induttanze dei cavi che condizionano le misure eseguite da normali
accelerometri capacitivi.
23
Tuttavia essi presentano anche difetti non trascurabili: quello
principale è che l’analizzatore di spettro comporta una
complicazione di impiego legato alla necessità di operare con un
comune notebook e ad altre delicate componenti elettroniche in
posizioni scomode o pericolose.
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