مقاله ای در خصوص ارتعاشات مکانیکی و اثرات آن

حركت نوسانی یك متحرك را حول نقطه ایی با عنوان نقطه تعادل می توان ارتعاشات مکانیکی نامید . در حقیقت متحرك در زمان های مساوی و متوالی (زمان تناوب) حركت خود را عینا تكرار می كند . جابجایی هر ذره در حركت تناوبی را همواره می توان بر حسب سینوس و كسینوس بیان كرد . از آنجا كه اصطلاح هماهنگ (هارمونیك) به عبارت هایی اطلاق می شود كه شامل این توابع هستند، حركت تناوبی را اغلب هماهنگ گویند.

كمیت های ارتعاش :

۱- دوره تناوب : دوره تناوب حركت هارمونیك عبارتست از زمان لازم برای انجام یك رفت و برگشت . یعنی یك نوسان یا چرخه كامل
۲- بسامد(فركانس): عبارتست از تعداد نوسان ها در واحد زمان برحسب هرتز
۳- وضعیت تعادل: موضعی را كه در آن ، به ذر ه در حال نوسان هیچ نیرویی وارد نمی شود موضع تعادل می نامند.
۴- جابجایی ( خطی یا زاویه ایی) : عبارتست از فاصله خطی یا زاویه ایی ذره نوسان كننده از موضع تعادل آن در هر لحظه
۵- معادلات حركت نوسانی ساده : در نظر می گیریم كه ذره P روی دایره ایی كه شعاع آن برابر دامنه حركت نوسانی است و آن را دایره مرجع می نامیم با سرعت ثابت V و سرعت زاویه ایی ثابت W بر حسب رادیان بر ثانیه حركت می كند بطوری كه مدت یك دور حركت آن روی ا ین دایره برابر زمان
تناوب حركت نوسانی باشد.
۶- معادله سرعت : سرعت لحظه ایی مشتق معادله حركت است بنابراین برای بدست آوردن معادله سرعت لحظه ایی متحرك در حركت نوسانی ساده كافی است از معادله حركت مشتق بگیریم
۷- معادله شتاب: شتاب لحظه ای، مشتق معادله سرعت است
۸- انرژی ارتعاش: انرژی جرمی كه با حركت هارمونی ساده با دامنه A و فركانس زاویه ایی نوسان می كند، مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی آن می باشد.
۹- انرژی پتانسیل: مقدار كاری است كه جرم هنگام تغییر مكان از حالت تعادل برای تغییر طول فنر انجام می دهد. انرژی دستگاه به فركانس و دامنه بستگی دارد . این ارتباط در بیشتر پدیده های آگوستیكی بویژه در مورد منابع تولید صوت و موج های صوتی دیده می شود.
۱۰ – نیروی وارد بر ذره مرتعش: این نیرو در دو حد نوسان ثابت نیست
۱۱ – حركت هماهنگ میرا: اگر بر نوسانگر نیروی اصطكاكی وارد نمی شد، یك نوسانگر برای همیشه در حال نوسان بود . اما واقعیت این است كه در اثر اصطكاك دامنه نوسان رفته رفته كاهش می یابد و به صفر می رسد و میرا می شود. این حركت را حركت هماهنگ میرا می نامیم
اصطكاك غالبا از مقاومت هوا یا نیرو های داخلی ناشی می شود . بزرگی این نیرو معمولا به سرعت بستگی دارد و در بیشتر موارد با سرعت جسم متناسب ولی در خلاف جهت آن است. با در نظر گرفتن وجود یا عدم وجوب عامل میرا كننده، ارتعاش به شكل زیر تقسیم بندی می گردد:

۱- ارتعاش آزاد :

یك سیستم ارتعاشی را در نظر بگیرید . در این سیستم جرم M به فنری با ضریب فنریت K متصل است . هنگامی كه نیرویی مانند F جرم را از حالت تعادل خارج كند سیستم شروع به نوسان خواهد كرد. در صورتی كه وسیله ای سیستم را از حالت تعادل خارج كرده و نیروی دیگری بر آن وارد نشود سیستم به ارتعاش در آمده و حركت آن را ارتعاش آزاد می نامند . این ارتعاش نشان دهنده رفتار یا حركت سیستم است.

۲- ارتعاش واداشته :

در صورتی كه سیستم تحت تاثیر نیروی محركه سینوسی قرار گیرد ، با فركانس این نیرو، ارتعاش خواهد كرد و در صورت ادامه این نیرو، ارتعاش سیستم از نوع واداشته است.

اثرات ارتعاشات روی انسان :

واكنش انسان نسبت به ارتعاش بر اساس اثر برخی خصوصیات ارتعاش در بدن است . اثرات فیزیولوژیكی و روانی ارتعاشات مكانیكی در فرد ناشی از جابحایی نوسانی یا تغییر وضعیت ، اسكلت، اعضاء و انتهای بدن می باشد . بطوری كه باعث اختلاف عمل طبیعی و تحریك گیرنده های مكانیكی حساس به ارتعاش می گردد. ارتعاش اختصاصا در طیف فركانسی ۱ تا ۳۰ هرتز باعث تنزل یا گسیختگی در انجام كار وسیله تاثیر بر نوسانات جزئی بین فرد با نقطه دید یا محل تماس فیزیكی وی با كار می گردد.

 دریافت ارتعاشات توسط بدن :

۱- ارتعاش تمام بدن: در حالتی است كه تكیه گاه فرد به ارتعاش در می آید
۲- ارتعاش موضعی ( دست و بازو ) : در حالتی است كه قسمتی از بدن به ارتعاش در می آید
مراكز دریافت كننده ارتعاش شامل : دریافت كننده های پوستی و دریافت كننده نسج ها می باشند . تشكیلات گوش داخلی نیز در برابر تمامی ارتعاشات كه به بدن منتقل می شود واكنش نشان می دهد . آستانه دریافت ارتعاشات به نوع ارتعاش ، حساسیت دریافت كننده و وسعت سطح تماس بستگی دارد.
نتایج حاصل از دریافت ارتعاشات در بدن بسته به نوع فركانس دریافت شده متفاوت می باشد . در فركانس های بالا احساس سوزن سوزن شدن بوجود می آید و در فركانس های پایین فرد احساس حركتی مثل تاب خوردن و تكان خوردن می كند.

 اثر ارتعاش تمام بدن :

اگر بدن توسط یك محرك ارتعاشی قوی و با فركانس نزدیك به فركانس های تشدید بدن مرتعش گردد، تخریب ناشی از تشدید ارتعاش رخ می دهد. ارتعاش تمام بدن در وسایل حمل و نقل هوایی ، زمینی، دریایی، ساختمانها و محیط های كار وجود دارد . تمام بدن در تماس با انواع مته های برقی و چكش های بادی به ارتعاش در می آید . بطور كلی ارتعاش تمام بدن در محدوده ۱ تا ۲۰ هرتز برای شاغلین به عنوان یك عامل زیان آور محسوب می شود. اثرات فیزیولوژیكی و روانی ارتعاشات مكانیكی بر انسان در اثر به نوسان در آوردن بافت های بدن بوجود می آید.و سبب بر هم زدن اعمال طبیعی و همچنین تحریك گیرنده های مكانیكی در انسان می گردد.
جذب انرژی ارتعاشی در فركانس های پایین توسط بدن انسان و نیز تحریك گیرنده های مكانیكی مد های خاص ارتعاش ناشی از ارتعاش مداوم یا نیروی ضربه ایی به بدن بستگی به فاكتور های بیو دینامیكی داخلی و خارجی دارد.

الف- عوامل خارجی :

۱- شدت نیروی ارتعاش
۲- جهت، محل و سطح اعمال ارتعاش
۳- ماهیت حمایت و حفاظت از فرد
۴- قدرت مستهلك كنندگی سازه هایی كه ارتعاش از راه آنها وارد می شود
۵- ماهیت، توزیع و وزن هر بار خارجی روی بدن (لباس های كار،ابزار آلات چسبیده به بدن)

ب- عوامل داخلی :

۱- ساختمان فردی
۲- میزان میرایی و خاصیت فنریت بافت
۳- وضعیت نسبی اجزاء و اندام های بدن
۴- فعالیت فرد
۵- درجه سختی یا كشش عضلات

 فیزیولوژی ارتعاش تمام بدن :

اثرات فیزیولوژی ارتعاشات تمام بدن را می توان به دو دسته اساسی تقسیم نمود:
الف- تغییراتی كه می توان آنها را مستقیما به فركانس ارتعاش منسوب داشت و معمولا نتیجه تشدید بدن در فركانس های رزونانس می باشد.
ب- تغییراتی كه بیشتر در نتیجه شدت و مدت زمان مواجهه با ارتعاش بوجود آمده و كمتر به فركانس ارتعاش وابسته است.
صدماتی كه در اثر فركانس ارتعاش ایجاد می گردد معمولا پس از مواجهه طولانی با محرك ارتعاشی در گستره های فركانسی خاص بروز می نماید فركانس كم و شدت متوسط (در منطقه ۲ تا ۲۰ هرتز ) ایجاد یك واكنش عموم ی قلبی ریوی می نماید كه علائم آن مشابه با علائم حاصله از تمرینات متوسط بدنی است . نتایج حاصل از این واكنش ایجاد تغییرات فزاینده اعمال قلبی – تنفسی است كه به صورت برون ده قلب، ازدیاد تهویه ریوی و افزایش مصرف اكسیژن می باشد. فشار خون نیز ممكن است با افزایش كم یا متوسط روبرو گردد.
اثرات وابسته به شدت و طول مواجهه در نتیجه حركت اجزاء بدن در مقابل یكدیگر حادث می گردند . ارتعاشات مكانیكی تمام بدن یا ارتعاش عضلات یا تاندون های آنها باعث افزایش انقباض یا گرفتگی در آنها می گردد كه در نهایت می تواند سبب تداخل در وضعیت كاری اعضاء گردد.

اثرات مزمن ارتعاش تمام بدن :

از مدتها پیش تعدادی از ناراحتی های نخاعی را به مواجهه شغلی و مزمن با حركت شدید وسایل نقلیه در حال كار از قبیل تراكتور های كشاورزی و …. منسوب می دانستند.
اثر ارتعاشات با فركانس متوسط و بالا: این ارتعاشات بیشتر از دستگاههایی كه با هوای فشرده كار می كنند مانند قیچی ، مته، چكشهای سوراخ كننده و غیره حاصل می شود . دستگاه هایی مانند سنگ شكن نیز می توانند این ارتعاشات را ایجاد نمایند. این ارتعاشات بطور متوسط فركانسی بین ۱۱ تا ۱۵۰۰ هرتز دارند . یكی از مهمترین اثراتی كه توسط دستگاههای فوق الذكر به انسان اعمال می شود تاثیر بر دست و بازو است .
سندرم ارتعاش دست و بازو Hand Arm Vibration Syndrome – HAVS : این سندرم تركیب علائم و نشانه هایی است كه بیشتر اوقات در كارگرانی كه از ابزار مرتعش دستی استفاده می كنند بوجود می آید . بسیاری از علائم و نشانه های آن همچنین در دیگر موارد بالینی همانند بیماری رینولدز اولیه، بسته شدن عروق، سندرم تونل كارپال و … دیده می شود. یك مسئله ضروری در تشخیص HAVS حرفه ایی برای سابقه تماس و استفاده از ابزار های مرتعش چون دریل چكش های خرد كننده ، سنگ سنباده ، ابزار های پرچ كاری، اره های زنجیری و … است.

جهات ارتعاش :

این جهات با توجه به خصوصیات بدن و اینكه ارتعاش از چه ناحیه ایی وارد بدن شود بسیار مهم است . جهات بدن عبارتند از Z,Y،X كه محور Z عبارتست از محور طولی بدن، محور Y عبارتست از محور عرضی بدن و محور X عبارتست از محور عمقی بدن ( از پشت به جلو). لازم به ذكر است كه نقطه تقاطع این سه محور را قلب در نظر می گیرند.

بیماری های شغلی ناشی از ارتعاشات :

۱- اختلالات عروقی : این گروه به عنوان مهمترین ، خطر ناكترین و شایع ترین اثرات ارتعاش می باشند . بیماری رینولدز، سفید انگشتی و دارت در اثر اختلالات عروقی ناشی از ارتعاش ایجاد می شوند . بیماری رینولدز در اثر انتقال ارتعاش در محدوده فركانسی ۳۰ تا ۳۰۰ هرتز به بدن انسان ایجاد می گردد. چكش های بادی، مته ها و لرزاننده های بتون از جمله ابزاری هستند كه ارتعاش با فركانس یاد شده را از خود ساطع می كنند . بیماری سفید انگشتی به عنوان مهمترین و خطرناكترین اثر ناشی از اختلالات عروقی معرفی شده است . این بیماری به علت كاهش جریان خون ایجاد می گردد و بیشتر انگشتان دست (به خصوص انگشت سوم و چهارم ) به علت انقباض عضله جدار رگها آسیب می بینند . در این عارضه اعصاب و رگهای خونی دست دچار صدمه ایی دائمی شبیه به فلج انگشتان دست می گردند.
كاهش جریان خون سبب خشكی و بی حسی انگشتان و از دست رفتن تدریجی قدرت كنترل عضله های دست می شود در این صورت گرفتگی و چنگالی شدن ایجاد شده و كار مختل می گردد .
بیماری سپید انگشتی در اثر عوامل تنگ كننده رگهای خونی مانند سرما و دخانیات تشدید می شود در این بیماری حالتی كه در دست ایجاد می شود كاملا شبیه به احساس خواب رفتگی پاها است و شكایاتی همچون احساس سوزش و خارش ، بی حسی و درد نیز وجود دارد . این علائم پس از ۳ ماه تا ۲ سال كار با ادوات مرتعش ایجاد می شوند.
در سال های اخیر بیماری دارت با منشاء شغلی شناخته شده است ولی شیوع آن كمتر است . این حالت در اثر امواج ارتعاشی با فركانس حدود ۱۰۰ هرتز ایجاد می گردد . علائم آن بر خلاف سفید انگشتی عبارتست از جمع شدن خون در دست ها و تورم، دردناكی و در نهایت آبی رنگ شدن آنها می باشد. یكی از راههای موثر در كنترل اختلالات عروقی استفاده از دستكش های لاستیكی مقاوم می باشد.
۲- ضایعات استخوانی : در این ضایعات عمل خروج املاح آهكی و كلسیم دار از استخوان ها صورت می پذیرد. در این حالت لكه های كوچك در استخوان های كف دست ایجاد می گردد كه با رادیو گرافی مشخص است . این لكه های كوچك محل خروج املاح بوده كه در نهایت باعث پوكی استخوان می گردند.
۳- ضایعات بافت نرم: در اثر ارتعاش سلول های انتهای ماهیچه ها از بین رفته و معمولا پوست ضخیم شده و ماهیچه لاغر می گردد. این حالت به نام بورسیت معروف است.
۴- ضایعات مفصلی : در این حالت شاخ قدامی نخاع آسیب دیده و احتمال فلج شدن وجود دارد . این وضعیت به خصوص در افرادی دیده می شود كه با پاهای خود با وسایل مرتعش كار می كنند یا در ارتباط هستند.
عارضه مفصلی دیگر آرتروزهیپراستئوزانت می باشد و دستگاههایی با ریتم ۲۵۰ تا ۴۰۰۰ دور در دقیقه ( فركانس متوسط ) باعث آن می شوند . در این ضایعه مفاصل دست صدمه می بینند و تورم مفاصل ایجاد می گردد. در این بیماری حركت مفصل آرنج مشكل و با درد همراه است.
۵- عوارض عمومی : شامل عدم تمایل به كار، بیحوصلگی، حساس شدن، عصبانیت، بیخوابی، اختلال در شنوایی و …

 كنترل ارتعاشات :

یكی از معمولی ترین منابع تولید صدا در صنایع در اثر ارتعاش سیستم ها می باشد.بطور كلی برای كنترل ارتعاش سه اصل مهم وجود دارد.
۱- جداسازی بخشی از دستگاه از ساختمان یا زمین كه باعث انتقال ارتعاش دیگر منابع می شود . این حالت می تواند از وسایل مكانیكی ظریف یا دستگاه های كنترل الكترونیكی كه تحت تاثیر ماشین های مرتعش قرار می گیرند ناشی می شود. مثال های دیگر در این رابطه لوله های قابل انعطاف و اتصالات لوله ای و نیز سقف های كاذب معلق می باشند.
۲- به حداقل رساندن انتقال ارتعاشات از یك قطعه دستگاه مرتعش به ساختمان كه این شاید معمولی ترین روش باشد.
۳- كاهش حركات ارتعاشی ناشی از ماشین آلاتی كه از نظر ارتعاش ایزوله شده اند . این حالت در نتیجه جداسازی ماشین از جای نخست آن ناشی می شود و ارتعاش با استفاده ار قالب هایی كه لرزش ها را خنثی می كنند از بین می رود.(آخرین مرحله كنترل)

كنترل ارتعاشات در منبع :

یكی از معمولی ترین و موثر ترین روشها، كنترل ارتعاش در منبع می باشد . یكی ا ز بیشترین منابع معمول ارتعاش مكانیكی در ماشین آلات گردنده عدم توازن می باشد كه با بالانس كردن به راحتی قابل رفع می باشد.

ایزولاسیون ارتعاشات :

یكی از جنبه های مهم در كنترل ارتعاش جلوگیری از انتقال ارتعاش می باشد . در مبحث ایزولاسیون ارتعاش دو قسمت عمده مورد بررسی قرار می گیرد:
۱- جلوگیری از انتقال ارتعاشات به سیستم های حساس دستگاه كه انرا ایزولاسیون غیر فعال می گویند و برای كم یا جلوگیری كردن از انتقال ارتعاش و كم كردن اثرات آن روی دستگاهها و ماشین آلات آنها را توسط وسائلی مثل فنر یا لاستیك به محل اتكاشان وصل می نماید . در صورتی كه یك نیروی اعمال شده نیرویی مانند FT باشد این نیرو سیستم را به ارتعاش در می آورد
۲- جلوگیری از انتقال ارتعاشات ایجاد شده در ماشین و اطراف كه این نوع ایزولاسیون را اكتیو (فعال) گویند.

عایق های ارتعاشی :

سه نوع عایق اصلی وجود دارد : فنر های فلزی، بست های قابل ارتجاع لاستیك و بالشتك های قابل ارتجاع كه استفاده از هر یك به درجه ایزولاسیون مورد نیاز ، فركانس نیرو، وزن دستگاه و درجه حرارت بستگی خواهد داشت . عایق ساری بیش از ۹۰ درصد تنها هنگامی امكان پذیر است كه فركانس نیرو بیش از ۳ برابر از فركانس طبیعی سیستم كمتر باشد.
۱- پایه های فلز ی: این گروه وسیعترین كاربرد را در بین انواع عایق ها دارا باشد و به ویژه در ایزولاسیون تجهیزات سنگین و بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند . مهمترین ویژگی پایه های فلزی قابلیت آنها در تحمل تغیر شكل های نسبتا زیاد در فراهم آوردن ایزولاسیون مناسب در فركانس های پایین می باشد.
۲- عایق های قابل ارتجاع: در رنج محدودی از فشار ، عایق های قابل ارتجاع را می توان به طور موثری برای رفع مشكلات گوناگون ایزولاسیون ارتعاش مورد استفاده قرارداد . این نوع پایه برای ماشین های كوچك و فركانس های نیروی بالا بیشترین بازده را دارد.
۳- بالشتك های عایق سازی : احتمالا ساده ترین و پركارترین پایه های ایزولاسیون از نوع بالشتك است. این گروه معمولا از لاستیك طبیعی، مصنوعی یا بلوك های چوب پنبه ایی ، نمدی و یا فایبر گلاس ساخته شده اند. مزایای بالشتك ها به قرار زیر است:
۱- براحتی در زیر دستگاه قرار می گیرند و پاره نمی شوند
۲- بصورت ورقه ورقه در ضخامت های مختلف در دسترس هستند
۳- می توان آنها را روی هم انباشته نمود و تغییر شكل های بزرگ و مطابق آن تراز های بزرگی از ایزولاسیون فركانس پایین بدست آورد.

انواع بالشتك ها :

۱- لاستیكی
۲- چوب پنبه ایی كه شاید قدیمی ترین و موثر ترین ماده عایق ساز باشد.
۳- نمدی كه بیشترین ضخامت استفاده از آنها ۱ اینچ است
۴- فایبر گلاس كه جدیدترین ایزولاتور می باشد . در این بالشتك ها احتمالا ایزولاسیون موثر زیر ۲۰ هرتز بدست نمی آید.
۴- عایق ساز ی مارپیچی: این عایق سازها كابل های ضد زنگ هستند كه به گره های فلزی متصل شده اند.
۵- عایق های پنوماتیك: برای تجهیزاتی كه در معرض فركانس های پایین و یا شوك هستند مانند پرس های قوی، چكش های آهنگری یا فشاری و… پایه های پنوماتیك كارایی مناسبی دارند . در پایان متذكر می شود كه از كار افرادی با ناراحتی های زیر در محیط های مرتعش باید جلوگیری نمود:
۱- ناراحتی های شنوایی
۲- اختلالات قلبی و عروقی
۳- اختلالات عصبی
۴- اختلالات استخوانی
۵- اعتیاد به الكل، سیگار و مواد مخدر

ضمنا در صورت مشاهده علائم زیر حتما به پزشك مراجعه نمایید:
۱- درد، تورم و قرمزی دستها
۲- درد مفاصل مچ، آرنج و شانه
۳- بی حوصلگی و بی خوابی
۴- ناراحتی های شنوایی و عصبانیت
۵- گزگز كردن اندام ها
۶- بی حسی ماهیچه ها