Comunemente un utensile comprende una testa e un manico, talvolta con un'asta, o, nel caso dell'utensile elettrico, un corpo. Poiché lo strumento deve soddisfare i requisiti di più utenti, possono sorgere conflitti di base che potrebbero dover essere affrontati con un compromesso. Alcuni di questi conflitti derivano da limitazioni nelle capacità dell'utente, altri sono intrinseci allo strumento stesso. Va ricordato, tuttavia, che i limiti umani sono intrinseci e in gran parte immutabili, mentre la forma e la funzione dello strumento sono soggette a una certa quantità di modifiche. Pertanto, al fine di effettuare un cambiamento desiderabile, l'attenzione deve essere rivolta principalmente alla forma dell'utensile e, in particolare, all'interfaccia tra l'utente e l'utensile, vale a dire l'impugnatura.
La natura della presa
Le caratteristiche di presa ampiamente accettate sono state definite in termini di a presa di potere, un presa di precisione e impugnatura a gancio, con cui praticamente tutte le attività manuali umane possono essere compiute.
In una presa di forza, come quella usata per martellare i chiodi, l'utensile è tenuto in un morsetto formato dalle dita parzialmente flesse e dal palmo, con contropressione applicata dal pollice. In una presa di precisione, come quella che si usa quando si regola una vite di fermo, lo strumento viene pizzicato tra gli aspetti flessori delle dita e il pollice opposto. Una modifica dell'impugnatura di precisione è l'impugnatura a matita, che si spiega da sé e viene utilizzata per lavori complessi. Una presa di precisione fornisce solo il 20% della forza di una presa di potenza.
Una presa a uncino viene utilizzata dove non è richiesto altro che tenere. Nella presa a uncino l'oggetto è sospeso dalle dita flesse, con o senza l'appoggio del pollice. Gli strumenti pesanti dovrebbero essere progettati in modo da poter essere trasportati con una presa a uncino.
Spessore dell'impugnatura
Per impugnature di precisione, gli spessori consigliati variano da 8 a 16 millimetri (mm) per i cacciaviti e da 13 a 30 mm per le penne. Per le prese di forza applicate attorno a un oggetto più o meno cilindrico, le dita dovrebbero circondare più della metà della circonferenza, ma le dita e il pollice non dovrebbero incontrarsi. I diametri consigliati vanno da un minimo di 25 mm a un massimo di 85 mm. L'ottimale, che varia con la dimensione della mano, è probabilmente di circa 55-65 mm per i maschi e di 50-60 mm per le femmine. Le persone con mani piccole non devono eseguire azioni ripetitive con prese elettriche di diametro superiore a 60 mm.
Forza di presa e apertura della mano
L'uso di uno strumento richiede forza. Oltre che per la presa, il più grande requisito per la forza della mano si trova nell'uso di strumenti di azione a leva incrociata come pinze e strumenti di frantumazione. La forza effettiva nello schiacciamento è una funzione della forza di presa e della portata richiesta dell'utensile. La distanza funzionale massima tra l'estremità del pollice e l'estremità delle dita di presa è in media di circa 145 mm per gli uomini e 125 mm per le donne, con variazioni etniche. Per un'apertura ottimale, che va da 45 a 55 mm sia per gli uomini che per le donne, la forza di presa disponibile per una singola azione di breve durata varia da circa 450 a 500 newton per gli uomini e da 250 a 300 newton per le donne, ma per azioni ripetitive il fabbisogno raccomandato è probabilmente più vicino a 90-100 newton per gli uomini e 50-60 newton per le donne. Molti morsetti o pinze di uso comune vanno oltre la capacità di utilizzo con una sola mano, in particolare nelle donne.
Quando un'impugnatura è quella di un cacciavite o di un utensile simile, la coppia disponibile è determinata dalla capacità dell'utilizzatore di trasmettere la forza all'impugnatura, e quindi è determinata sia dal coefficiente di attrito tra mano e impugnatura che dal diametro dell'impugnatura. Le irregolarità nella forma dell'impugnatura fanno poca o nessuna differenza sulla capacità di applicare la torsione, sebbene i bordi taglienti possano causare disagio ed eventuali danni ai tessuti. Il diametro di un'impugnatura cilindrica che consente la massima applicazione della coppia è da 50 a 65 mm, mentre quello per una sfera è da 65 a 75 mm.
Maniglie
Forma del manico
La forma di un manico dovrebbe massimizzare il contatto tra la pelle e il manico. Dovrebbe essere generalizzato e di base, comunemente di sezione cilindrica o ellittica appiattita, con lunghe curve e piani piatti, o un settore di una sfera, messo insieme in modo tale da conformarsi ai contorni generali della mano che afferra. A causa del suo attacco al corpo di un utensile, il manico può anche assumere la forma di una staffa, una forma a T o una forma a L, ma la porzione che entra in contatto con la mano sarà nella forma base.
Lo spazio racchiuso dalle dita è, ovviamente, complesso. L'uso di curve semplici è un compromesso destinato a soddisfare le variazioni rappresentate da mani diverse e diversi gradi di flessione. A questo proposito, è indesiderabile introdurre qualsiasi adattamento del contorno delle dita flesse nell'impugnatura sotto forma di creste e avvallamenti, scanalature e rientranze, poiché, in realtà, queste modifiche non si adatterebbero a un numero significativo di mani e potrebbero anzi, oltre un periodo prolungato, causare lesioni da pressione ai tessuti molli. In particolare sono sconsigliati incavi superiori a 3 mm.
Una modifica della sezione cilindrica è la sezione esagonale, che è di particolare pregio nella progettazione di utensili o strumenti di piccolo calibro. È più facile mantenere una presa stabile su una sezione esagonale di piccolo calibro che su un cilindro. Sono state utilizzate anche sezioni triangolari e quadrate con vari gradi di successo. In questi casi, i bordi devono essere arrotondati per evitare lesioni da pressione.
Superficie e consistenza della presa
Non è un caso che da millenni il legno sia il materiale d'elezione per manici di utensili diversi da quelli per la frantumazione di utensili come pinze o morsetti. Oltre al suo aspetto estetico, il legno è stato facilmente reperibile e facilmente lavorato da lavoratori non specializzati, e ha qualità di elasticità, conducibilità termica, resistenza all'attrito e relativa leggerezza rispetto alla massa che lo hanno reso molto accettabile per questo e altri usi.
Negli ultimi anni, le impugnature in metallo e plastica sono diventate più comuni per molti utensili, questi ultimi in particolare per l'uso con martelli leggeri o cacciaviti. Un manico in metallo, invece, trasmette più forza alla mano, e preferibilmente dovrebbe essere racchiuso in una guaina di gomma o plastica. La superficie di presa dovrebbe essere leggermente comprimibile, ove possibile, non conduttiva e liscia, e l'area della superficie dovrebbe essere massimizzata per garantire la distribuzione della pressione su un'area quanto più ampia possibile. È stata utilizzata un'impugnatura in gommapiuma per ridurre la percezione dell'affaticamento e della tenerezza della mano.
Le caratteristiche di attrito della superficie dell'utensile variano con la pressione esercitata dalla mano, con la natura della superficie e la contaminazione da olio o sudore. Una piccola quantità di sudore aumenta il coefficiente di attrito.
Lunghezza dell'impugnatura
La lunghezza del manico è determinata dalle dimensioni critiche della mano e dalla natura dello strumento. Per un martello da utilizzare con una sola mano in power grip, ad esempio, la lunghezza ideale va da un minimo di circa 100 mm ad un massimo di circa 125 mm. I manici corti non sono adatti per una presa elettrica, mentre un manico più corto di 19 mm non può essere afferrato correttamente tra pollice e indice e non è adatto a nessun attrezzo.
Idealmente, per un utensile elettrico o una sega a mano diversa da una sega da traforo o da traforo, l'impugnatura dovrebbe accogliere al livello del 97.5° percentile la larghezza della mano chiusa inserita in essa, vale a dire da 90 a 100 mm sull'asse lungo e 35 a 40 mm nel corto.
Peso ed equilibrio
Il peso non è un problema con gli strumenti di precisione. Per martelli pesanti e utensili elettrici è accettabile un peso compreso tra 0.9 kg e 1.5 kg, con un massimo di circa 2.3 kg. Per pesi superiori a quelli raccomandati, l'attrezzo deve essere sostenuto da mezzi meccanici.
Nel caso di uno strumento a percussione come un martello, è auspicabile ridurre il peso del manico al minimo compatibile con la resistenza strutturale e avere il maggior peso possibile nella testa. In altri strumenti, il saldo dovrebbe essere distribuito uniformemente ove possibile. Negli utensili con teste piccole e manici ingombranti questo potrebbe non essere possibile, ma il manico dovrebbe essere reso progressivamente più leggero man mano che l'ingombro aumenta rispetto alle dimensioni della testa e del manico.
Significato dei guanti
A volte viene trascurato dai progettisti di strumenti che gli strumenti non sono sempre tenuti e azionati a mani nude. I guanti sono comunemente indossati per sicurezza e comfort. I guanti di sicurezza sono raramente ingombranti, ma i guanti indossati in climi freddi possono essere molto pesanti, interferendo non solo con il feedback sensoriale ma anche con la capacità di afferrare e trattenere. L'uso di guanti di lana o di pelle può aggiungere 5 mm allo spessore della mano e 8 mm alla larghezza della mano al pollice, mentre i guanti pesanti possono aggiungere rispettivamente da 25 a 40 mm.
manualità
La maggioranza della popolazione dell'emisfero occidentale favorisce l'uso della mano destra. Alcuni sono funzionalmente ambidestri e tutte le persone possono imparare a operare con maggiore o minore efficienza con entrambe le mani.
Sebbene il numero di persone mancine sia ridotto, ove possibile, l'installazione di impugnature sugli utensili dovrebbe rendere l'utensile utilizzabile sia da mancini che da destrimani (gli esempi includono il posizionamento dell'impugnatura secondaria in un utensile elettrico o il passanti per le dita in forbici o morsetti) a meno che non sia chiaramente inefficiente farlo, come nel caso di dispositivi di fissaggio a vite che sono progettati per sfruttare i potenti muscoli supinatori dell'avambraccio in una persona destra mentre precludono la sinistra- impediscono di usarli con pari efficacia. Questo tipo di limitazione deve essere accettata poiché la fornitura di filettature sinistre non è una soluzione accettabile.
Significato del genere
In generale, le donne tendono ad avere mani più piccole, una presa più piccola e circa il 50-70% di forza in meno rispetto agli uomini, anche se ovviamente alcune donne all'estremità del percentile più alto hanno mani più grandi e una forza maggiore rispetto ad alcuni uomini all'estremità del percentile più basso. Di conseguenza esiste un numero significativo, anche se indeterminato, di persone, per lo più donne, che hanno difficoltà a manipolare vari utensili manuali progettati per l'uso maschile, inclusi in particolare martelli pesanti e pinze pesanti, oltre a tagliare metalli, crimpare e strumenti di serraggio e spelafili. L'uso di questi strumenti da parte delle donne può richiedere una funzione indesiderabile a due mani invece che con una sola mano. In un ambiente di lavoro misto è quindi essenziale garantire che siano disponibili strumenti di dimensioni adeguate non solo per soddisfare le esigenze delle donne, ma anche per soddisfare quelle degli uomini che si trovano nel percentile basso delle dimensioni dell'estremità della mano.
Considerazioni speciali
L'orientamento dell'impugnatura di uno strumento, ove possibile, dovrebbe consentire alla mano operante di conformarsi alla naturale posizione funzionale del braccio e della mano, vale a dire con il polso più della metà supinato, abdotto di circa 15° e leggermente dorsiflesso, con il mignolo in flessione quasi completa, le altre meno e il pollice addotto e leggermente flesso, postura talvolta erroneamente chiamata posizione della stretta di mano. (In una stretta di mano il polso non è più della metà supinato.) La combinazione di adduzione e dorsiflessione al polso con flessione variabile delle dita e del pollice genera un angolo di presa comprendente circa 80° tra l'asse lungo del braccio e un linea passante per il punto centrale dell'ansa creata dal pollice e dall'indice, cioè l'asse trasversale del pugno.
Forzare la mano in una posizione di deviazione ulnare, cioè con la mano piegata verso il mignolo, come si trova utilizzando una normale pinza, genera pressione sui tendini, nervi e vasi sanguigni all'interno della struttura del polso e può dare origine a le condizioni invalidanti di tenosinovite, sindrome del tunnel carpale e simili. Piegando l'impugnatura e mantenendo il polso dritto (cioè piegando lo strumento e non la mano) si può evitare la compressione di nervi, tessuti molli e vasi sanguigni. Sebbene questo principio sia stato a lungo riconosciuto, non è stato ampiamente accettato dai produttori di utensili o dal pubblico utilizzatore. Ha una particolare applicazione nella progettazione di strumenti ad azione a leva incrociata come pinze, coltelli e martelli.
Pinze e strumenti a leva incrociata
Particolare attenzione deve essere prestata alla forma dei manici di pinze e dispositivi simili. Tradizionalmente le pinze avevano manici ricurvi di uguale lunghezza, la curva superiore che approssimava la curva del palmo della mano e la curva inferiore che approssimava la curva delle dita flesse. Quando l'utensile è tenuto in mano, l'asse tra i manici è in linea con l'asse delle ganasce delle pinze. Di conseguenza, nell'operazione, è necessario tenere il polso in estrema deviazione ulnare, cioè piegato verso il mignolo, mentre viene ripetutamente ruotato. In questa posizione l'utilizzo del segmento mano-polso-braccio del corpo è estremamente inefficiente e molto stressante sui tendini e sulle strutture articolari. Se l'azione è ripetitiva, può dar luogo a varie manifestazioni di lesioni da uso eccessivo.
Per contrastare questo problema è apparsa negli ultimi anni una nuova versione di pinza ergonomicamente più idonea. In queste pinze l'asse dei manici è piegato di circa 45° rispetto all'asse delle ganasce. I manici sono ispessiti per consentire una migliore presa con minore pressione localizzata sui tessuti molli. Il manico superiore è proporzionalmente più lungo con una forma che si adatta al palmo e intorno al lato ulnare. L'estremità anteriore dell'impugnatura incorpora un supporto per il pollice. L'impugnatura inferiore è più corta, con un codolo, o sporgenza arrotondata, all'estremità anteriore e una curva conforme alle dita flesse.
Sebbene quanto sopra sia un cambiamento in qualche modo radicale, diversi miglioramenti ergonomicamente validi possono essere apportati con le pinze in modo relativamente semplice. Forse il più importante, dove è richiesta una presa di forza, è nell'ispessimento e nel leggero appiattimento delle impugnature, con un supporto per il pollice all'estremità della testa dell'impugnatura e una leggera svasatura all'altra estremità. Se non parte integrante del design, questa modifica può essere ottenuta racchiudendo l'impugnatura metallica di base con una guaina non conduttiva fissa o staccabile in gomma o un materiale sintetico appropriato, e magari irruvidita bruscamente per migliorare la qualità tattile. La rientranza delle maniglie per le dita è indesiderabile. Per un uso ripetitivo può essere desiderabile incorporare una molla leggera nella maniglia per aprirla dopo la chiusura.
Gli stessi principi si applicano ad altri strumenti a leva incrociata, in particolare per quanto riguarda la modifica dello spessore e l'appiattimento delle impugnature.
Coltelli
Per un coltello per uso generale, cioè uno che non viene utilizzato in una presa a pugnale, è desiderabile includere un angolo di 15° tra il manico e la lama per ridurre la sollecitazione sui tessuti articolari. La dimensione e la forma delle impugnature dovrebbero essere conformi in generale a quelle di altri strumenti, ma per consentire mani di diverse dimensioni è stato suggerito di fornire due misure di manico del coltello, vale a dire una per adattarsi all'utente dal 50° al 95° percentile, e una dal 5° al 50° percentile. Per consentire alla mano di esercitare la forza il più vicino possibile alla lama, la superficie superiore del manico dovrebbe incorporare un poggiapolsi rialzato.
È necessaria una protezione del coltello per evitare che la mano scivoli in avanti sulla lama. La protezione può assumere diverse forme, come un codolo, o sporgenza ricurva, di circa 10-15 mm di lunghezza, sporgente verso il basso dall'impugnatura, o ad angolo retto rispetto all'impugnatura, o una protezione della cauzione comprendente un anello di metallo pesante dalla parte anteriore a posteriore del manico. Il poggiapolsi agisce anche per evitare lo slittamento.
L'impugnatura deve essere conforme alle linee guida ergonomiche generali, con una superficie cedevole resistente al grasso.
Martelli
I requisiti per i martelli sono stati ampiamente considerati sopra, ad eccezione di quello relativo alla piegatura del manico. Come notato sopra, la flessione forzata e ripetitiva del polso può causare danni ai tessuti. Piegando lo strumento invece del polso, questo danno può essere ridotto. Rispetto ai martelli sono state esaminate diverse angolazioni, ma sembrerebbe che piegare la testa verso il basso tra 10° e 20° possa migliorare il comfort, se non addirittura migliorare le prestazioni.
Cacciaviti e strumenti per raschiare
I manici di cacciaviti e altri strumenti tenuti in modo in qualche modo simile, come raschietti, lime, scalpelli manuali e così via, hanno alcuni requisiti speciali. Ciascuno in una volta o nell'altro viene utilizzato con una presa di precisione o una presa di potenza. Ciascuno fa affidamento sulle funzioni delle dita e del palmo della mano per la stabilizzazione e la trasmissione della forza.
I requisiti generali delle maniglie sono già stati considerati. Si è scoperto che la forma effettiva più comune dell'impugnatura di un cacciavite è quella di un cilindro modificato, a forma di cupola all'estremità per ricevere il palmo e leggermente svasato dove incontra l'asta per fornire supporto alle estremità delle dita. In questo modo, la coppia viene applicata in gran parte tramite il palmo, che viene mantenuto in contatto con l'impugnatura tramite la pressione applicata dal braccio e la resistenza di attrito sulla pelle. Le dita, pur trasmettendo una certa forza, occupano più un ruolo stabilizzante, che è meno faticoso in quanto è richiesta meno forza. Così la cupola della testa diventa molto importante nel design della maniglia. Se ci sono spigoli vivi o creste sulla cupola o dove la cupola incontra il manico, allora o la mano diventa callosa e ferita, oppure la trasmissione della forza viene trasferita verso le dita e il pollice meno efficienti e più facilmente affaticabili. L'asta è comunemente cilindrica, ma è stata introdotta un'asta triangolare che fornisce un migliore supporto per le dita, anche se il suo utilizzo può essere più faticoso.
Laddove l'uso di un cacciavite o di un altro dispositivo di fissaggio è così ripetitivo da comportare un rischio di lesioni da uso eccessivo, il driver manuale dovrebbe essere sostituito con un driver motorizzato appeso a un'imbracatura sopraelevata in modo tale da essere facilmente accessibile senza ostacolare il lavoro.
Seghe e utensili elettrici
Le seghe a mano, ad eccezione delle seghe da traforo e dei seghetti leggeri, dove è più appropriata un'impugnatura simile a quella di un cacciavite, hanno comunemente un'impugnatura che assume la forma di un'impugnatura a pistola chiusa attaccata alla lama della sega.
Il manico comprende essenzialmente un anello in cui sono poste le dita. L'anello è effettivamente un rettangolo con estremità curve. Per consentire i guanti dovrebbe avere dimensioni interne da circa 90 a 100 mm nel diametro lungo e da 35 a 40 mm nel corto. L'ansa a contatto con il palmo dovrebbe avere la già menzionata forma cilindrica appiattita, con curve composte per adattarsi ragionevolmente al palmo e alle dita flesse. La larghezza dalla curva esterna alla curva interna dovrebbe essere di circa 35 mm e lo spessore non superiore a 25 mm.
Curiosamente, la funzione di afferrare e impugnare un utensile elettrico è molto simile a quella di impugnare una sega, e di conseguenza è efficace un tipo di impugnatura in qualche modo simile. L'impugnatura a pistola comune negli utensili elettrici è simile a una maniglia di sega aperta con i lati curvi invece di essere appiattiti.
La maggior parte degli utensili elettrici comprende una maniglia, un corpo e una testa. Il posizionamento della maniglia è significativo. Idealmente manico, corpo e testa dovrebbero essere allineati in modo che il manico sia attaccato alla parte posteriore del corpo e la testa sporga dalla parte anteriore. La linea d'azione è la linea dell'indice esteso, in modo che la testa sia eccentrica rispetto all'asse centrale del corpo. Il baricentro dell'attrezzo è però davanti al manico, mentre la coppia è tale da creare un movimento rotatorio del corpo che la mano deve superare. Di conseguenza sarebbe più opportuno posizionare l'impugnatura primaria direttamente sotto il baricentro in modo tale che, se necessario, il corpo sporga dietro l'impugnatura oltre che davanti. In alternativa, in particolare in un trapano pesante, è possibile posizionare un'impugnatura secondaria sotto il trapano in modo tale che il trapano possa essere azionato con entrambe le mani. Gli utensili elettrici sono normalmente azionati da un grilletto incorporato nell'estremità anteriore superiore dell'impugnatura e azionato dal dito indice. Il grilletto dovrebbe essere progettato per essere azionato da entrambe le mani e dovrebbe incorporare un meccanismo di blocco facilmente reimpostabile per mantenere l'alimentazione quando necessario.