Transfer of the external loading such as shock or vibration to whole body could cause harmful effects, depending on exposure time, frequency and magnitude. Researchers showed that the foot and ankle system (FAS) plays an important role in vibration transmission since the transmissibility of the FAS was dominant in lower leg. The vibration absorbing capability of the human FAS was investigated using experimental methods and model development. The vibration transmissibility of the FAS has been studied under vertical sinusoidal vibration. The transmissibility of the foot was qualitatively divided into 5 different areas, given the relevant differences in the response at the heel, midfoot, forefoot, ankle and toes.
A lumped parameter model was developed to reproduce the experimental transfer function of the FAS exposed to vertical excitation. The linearized model has been developed by deriving the equations of motion of the model and fitting the response with the experimental data in a least square sense. Different experimental conditions were considered, with or without the shoes and with the standing subject assuming different postures (leaning forward, backward or neutral). The model has also been improved to fit the apparent mass in addition to the vibration transmissibility.
Le vibrazioni possono causare effetti dannosi al corpo umano, con effetti via via più severi all’aumentare del tempo di esposizione e dell'ampiezza dell'oscillazione. Molte ricerche mostrano che il sistema formato dal piede e dalla caviglia (FAS) ha un ruolo molto importante nella trasmissione delle vibrazioni, essendo il punto di ingresso dello stimolo meccanico nel corpo. La trasmissibilità delle vibrazioni nel FAS è stata studiata attraverso lo sviluppo di un modello a parametri concentrati che riproduce quanto identificato sperimentalmente applicando una vibrazione verticale sinusoidale. I dati sperimentali di partenza hanno mostrato che la risposta differisce nelle cinque aree del piede (tallone, pianta del piede, avampiede, caviglia e dita).
Nel presente lavoro di tesi è stato sviluppato un modello a parametri concentrati per definire la funzione di trasferimento del piede soggetto a una vibrazione verticale. I parametri modali sono stati calcolati attraverso un'ottimizzazione ai minimi quadrati, e tutte le non linearità sono state semplificate nell'ipotesi di piccole oscillazioni rispetto alla posizione di equilibrio. Il modello è stato utilizzato per riprodurre la risposta in posture differenti e per riprodurre l’effetto delle calzature. Sono state altresì effettuate ottimizzazioni multi-obiettivo per riprodurre, oltre alla trasmissibilità, la massa apparente del corpo. I risultati hanno mostrato la validità del modello sperimentale e la possibilità quindi di utilizzare il modello per identificare le caratteristiche ottimali di una calzatura per ridurre le vibrazioni trasmesse ad alcuni segmenti del piede.