Tekerlekli Sandalye Fiziği

Tekerlekli sandalyelerin engelli bireylerin engel özelliklerine göre kişiye özel ölçülerde üretilmesi çok önemlidir. Bu sayede tekerlekli sandalyenin kişinin vücudunun bir parçasıymış gibi olması sağlanabilir. Sporcu tekerlekli sandalyeleri, yapılan sporun özelliğine göre ve oyun kuralları çerçevesinde, sporcunun oyun içi klasifikasyon puanı ve engel özeliğine göre üretilmeli ve tekerlekli sandalyeden maksimum verim alması sağlanmalıdır. Kapak fotoğrafında Extra Wheelchairs olarak Dünyanın en iyi kadın tekerlekli sandalye basketbol sporu oyuncusu  Bo Kramer (Hollanda tekerlekli sandalye basketbolu kadın milli takımı) için ürettiğimiz tekerlekli sandalyeyi inceleyebilirsiniz.

İlk olarak, tekerlekli sandalyeyi itmek hakkında konuşalım. Kullanıcı ya tekerlekleri ya da tekerleklere bağlı bir tekerlek jantını iter. Tekerlekler döner ve tekerleğin bu dönüşü, tekerlek zemine doğru itildiğinde doğrusal hareket haline gelir. 

Dönme merkezinden r uzaklıkta uygulanan kuvvet bir torka neden olur.

Bir cismi döndürmek için, cisme dönme merkezinden r kadar uzaklıkta bir F kuvveti uygulamamız gerekir. Biz fizikçiler buna tork diyoruz. Mühendisler buna bir dönüm anı diyebilir. Aynı şeydir. Tork, tekerleğin dönme hareketinde bir değişikliğe neden faktördür. Tekerleğe ne kadar fazla tork uygulanırsa o kadar iyidir, çünkü dönme hareketini daha fazla değiştirecek ve tekerlekli sandalyenin daha fazla hızlanmasına izin verecektir. Şimdi, bu durumda, tork, aşağıdaki denklemle kuvvet ve r mesafesi ile ilgilidir:

Tork = kuvvet (F) x mesafe (r)

Bu, kuvvet ve mesafenin birbirine dik açılarda olduğundaki durumdur. Değillerse, açıyı içeren ek bir faktör vardır. Denkleme bakarak, r mesafesinin boyutunu artırarak daha fazla tork elde ettiğinizi görebilirsiniz. Mesafe tekerleğin yarıçapı olduğundan, o zaman büyük tekerlekler kullanmak uygulanacak kuvvetin daha az olmasını sağlar. Kuvvet kullanıcının kollarından gelmelidir, bu nedenle herhangi bir fiziksel yapıya sahip herhangi bir kullanıcının sandalyeyi itebilmesini istersek ve kullanıcı yalnızca küçük bir kuvvet üretebiliyorsa, gerekli torku üretmek için r mesafesinin büyük olması gerekir. Ancak tekerleği çok büyük yapamayız, aksi takdirde kullanıcı kuvveti uygulamak için kollarını tekerleğe rahatça koyamaz. Ayrıca, daha büyük tekerlekler daha ağır olma eğilimindedir.

Şimdi bu kuvveti tekerleğe nasıl uygulayacağımıza bakalım. Kullanıcı tekerleği iter. Bu karmaşık bir harekettir. Çünkü önkollar doğrusal olarak hareket eder, ancak kollar hem dirsekte hem de omuzlarda döner.

Kolların ve omuzların hareketinin ve insan kas sisteminin karmaşıklığı göz önüne alındığında, optimum pozisyonun ne olduğu açık değil, fakat 80  ila 130  derece arasında bir dirsek açısının optimal olduğunu yaptığımız çalışmalarda gördük. Oldukça geniş bir aralık var, çünkü farklı ön kol uzunluğuna, üst kol uzunluğuna ve omuzların arka tekerlek aksından toplam yüksekliğine sahip insanlar vardır. Kol tork sırasında hareket ettiğinden açının kendisi de değişkendir. Bu kesinlikle size uyan uyumu elde etmek için kişisel uyum ve ayarlama gerektirir. Omuz yüksekliğinizi yükseltmek için oturma yerinde bir minder kullanarak bazı testler yapabilir ve aks konumunu koltuğa göre hareket ettirebiliriz. Kollarınızı hareket ettirirken yapılan vuruşun uzunluğu gibi dikkate alınması gereken ek faktörler de vardır.

Şimdi tekerlekleri düşünmemiz gerekiyor. Sandalye ve kullanıcısının birleşik ağırlığının, Ağırlık Merkezi olarak bilinen tek bir noktadan kaynaklandığı düşünülebilir. Buna Kütle Merkezi de diyebiliriz. Ağırlık merkezi ve Kütle merkezlerini aynı şeyler olmamalarına rağmen burada aynı düşünebiliriz. Bunu fiziği biraz daha basitleştirmek için yapıyoruz, ancak gerçekte sandalyenin ağırlığı ön ve arka tekerleklere dağıtılır. Ağırlık merkezi arka aksa daha yakın olduğu için, ağırlık genellikle arka tekerleklerde ön tekerleklerden daha fazladır. Bu genellikle %60 ila %40 oranındadır. Ağırlık merkezi arka aksa ne kadar yakınsa, arka tekerleklere o kadar fazla ağırlık biner. Bunu yapmanın nedenlerinden biri, sandalyenin yuvarlanma direncini azaltmaktır. Bu, tekerlekler yuvarlanırken ileri harekete direnen kuvvetlerden biridir. Bu, tekerlek çapı ile azalır, bu nedenle arka tekerlekler daha az direnç sağlar. Aynı zamanda, ağırlık dağılımına bağlı olarak zemin yüzeyinin tekerlek üzerindeki itmesine de bağlıdır. Tekerleği yere ne kadar fazla iterseniz, zemin o kadar fazla geri iter. Bu Newton'un Üçüncü Yasasıdır - “Her etkinin eşit ve zıt bir tepkisi vardır”. Ağırlığı küçük ön tekerleklerden kaydırmak, yuvarlanma direncini azaltır. Doğal olarak büyük arka tekerleklerin yuvarlanma direncinde artış var ama ön tekerleklerdeki düşüş kadar büyük değil. Bir kez daha, vücudun sandalyedeki pozisyonu arasında bir uzlaşmaya ihtiyacınız var, arka tekerlek aksının konumu ve istenen manevra kabiliyeti. Arka tekerlekler bombeli olabilir (üstte içe doğru eğimli). Bu, yuvarlanma direncini azaltır ve koltuğun yanal stabilitesini arttırır, ancak erişimi kısıtlayabilecek toplam genişliği arttırır.

Lastiklerin yapıldığı malzeme, zeminin yapıldığı malzeme ve pnömatik lastikleriniz varsa lastiklerdeki hava basıncı gibi yuvarlanma direncini değiştirebilecek başka faktörler de vardır. Genel olarak, kum gibi yumuşak yüzeylerde hareket etmek için lastiklerde düşük hava basıncı ve daha sert yüzeyler için daha yüksek bir basınç önerilir.

Yuvarlanma direncine ek olarak, bazen sürükleme kuvveti olarak adlandırılan hava direnci de vardır. Bu, hareket eden bir cisimle çarpışan hava tarafından üretilir. Tekerlekli sandalye hareketinde, genellikle tekerleklerdeki teller etrafında hava girdapları olarak üretilen bir miktar sürüklenme vardır. Bu, tekerleklerin üzerine sağlam kapaklar koyarak veya hatta sağlam tekerlekler kullanarak azaltılabilir.

Kütle, maddenin temel bir özelliğidir. Bir cismin üzerine bir kuvvet uygulandığında nasıl tepki vereceğini belirler. Kütle, Newton'un İkinci Hareket Yasasında kullanılır:

Net Kuvvet = kütle x ivme

Daha fazla kütle, belirli bir kuvvet tarafından üretilen daha az ivme. Kullanıcı ve sandalyenin birleşik kütlesini hareket ettirmeliyiz. İdeal olarak, ağırlığı düşük bir sandalye isteriz, bu yüzden sandalyeyi hareket ettirmek için boşa çaba harcamak istemeyiz. Düşük kütleli sandalyeler yapmanın birçok yolu vardır, ancak bunlar karbon fiber kompozitler gibi pahalı malzemeleri içerebilir. Ayrıca, malzemelerin sertliğini de göz önünde bulundurmalıyız. Hareket halindeyken bükülmeye karşı direnç göstermeleri gerekir, aksi takdirde tekerlekli sandalye yapısını ileri harekete iletmek yerine bükmek için değerli bir çaba harcarız.

Ağırlık, yerçekiminin kütleye uyguladığı kuvvettir. Ağırlık, bulunduğunuz yere göre değişebilir. Ay'daki bir astronot, Dünya'dakiyle aynı kütleye sahiptir, ancak ağırlığının yalnızca altıda biri. Bu nedenle, sandalyenin ağırlığını azaltmak kütleyi azaltır, bu da kullanıcının daha fazla kuvvetinin ivmeye dönüşmesi anlamına gelir, bu da hareketliliği artırır. Ağırlık, “g” sembolü verilen yerçekimi ivmesi ile kütle ile ilişkilidir.

Ağırlık = kütle x g

Ağırlık ve kütle arasındaki fark, fizikteki en temel kavramlardan biridir.

Sonuç olarak; tekerlekli sandalyelerin engellilerin engel tipine ve özel ölçülerine göre üretilmesi; hız, hareket, ergonomi ve verim açısından kullanıcı için kesinlikle uygulanmalıdır.