Стадниченко Л.И. Эргономика: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

тельности проявляется лишь у тренированных мышц. Общая мышеч-

ная тренировка мало влияет при локальной мышечной работе.

Мышечная работоспособность имеет два основных проявления:

сила и выносливость.

Сила мышц отражает возможности максимального кратковре-

менного напряжения. Сила мышц зависит как от свойств мышцы , так

и от управляющих влияний мозга.

Выносливость отражает способность к длительной работе, т.е.

работоспособность во времени . Люди с одинаковой силой могут

иметь разный уровень работоспособности .

Статическая работа. При статической работе мышцы не движут -

ся , например, когда человек держит груз на вытянутой руке. Статиче -

ская работа проявляется в двух формах : поддержания позы и удержа-

ние груза. Если заставить человека удерживать груз весом в несколько

килограммов на вытянутой руке, т.е. выполнять мышцами плеча и

плечевого пояса статическую работу, то очень скоро человек почувст -

вует в большинстве нагруженных мышцах явно выраженное неприят-

ное ощущение и наступит момент , когда он не в состоянии уже удер-

жать вытянутую руку. Рука опускается , и человек чувствует , как бы -

стро прекращается болезненное ощущение и уже через несколько ми -

нут исчезают их последствия. Изучение статической работы показало,

что при ее выполнении имеет место низкое потребление кислорода.

Обмен кислорода между кровью и тканями происходит в капиллярах ,

т.е. в тончайших сосуда, которые образуют тонкую сеть вокруг всех

клеток тела. Во время сокращения мышцы в ней повышается внут -

реннее давление. Как только давление внутри мышцы превысит дав -

ление в капиллярах , последние сдавливаются и через мышцы протека-

ет меньше крови. В этом случае мышечная ткань не получает доста-

точного количества кислорода и очень быстро приходит в состояние

крайнего утомления. При статической работе в состоянии напряжения

находится не только мышечные приборы , но и нервные центры , регу-

лирующие их деятельность. Поэтому статическое напряжение утомля -

ет организм значительно быстрее, чем достаточно интенсивная рабо-

та. Напряжение при статической работе в 5 раз превышает напряже-

ние, вызванное динамической работой , и требуется в 3-4 раза больше

времени на восстановление энергии. Таким образом, статическая ра-

бота менее эффективна, необходимо стремиться исключить этот вид

работы . Но полностью устранить статическую нагрузку в большинст -

ве случаев невозможно. Поэтому при использовании статической ра-

боты следует соблюдать следующие принципы :

а) статическая нагрузка, возникающая при манипулировании

органами управления, не должна превышать 15 % максимального

усилия соответствующей конечности ;

б) в случае, когда при статической работе требуется усилие, не

превышающее 15% максимального мышечного усилия, имеется воз-

можность сохранить мышечную нагрузку в течение более продолжи-

тельного периода времени . При усилии, превышающем 25% макси -

мального усилия, физическая усталость наблюдается уже спустя 5

мин, а при усилии, превышающем 50% максимального усилия, мыш -

цы выдерживают статическое напряжение не более 1 мин.

Рабочее место и рабочие движения должны выбираться таким

образом, чтобы ограничить статическую работу до возможного мини -

мума или вовсе исключить. Для этого необходимо:

ограничить до минимума выполнение работы в неудобном (не-

естественном) положении тела или конечностей ;

исключить выполнение работ в течение продолжительного пе-

риода времени в положении, когда руки разведены в стороны , подня -

ты вверх , вытянуты вперед ;

ограничить продолжительность удерживания инструмента, ма-

териала или переноски груза;

ограничить случаи сохранения неподвижного положения тела

при выполнении работ или очень медленных рабочих движений рука-

ми .

Когда нельзя избежать статической работы , выполняющему ее

рабочему по возможности представлять короткие паузы для отдыха.

Статическая работа оценивается временем , в течение которого

развивается данная сила сокращения: если группа мышц поддержива-

ет силу (Р) в течение времени (t), то совершаемая работа определяется

произведением (P*t) и выражается в килограммо-секундах или кило-

граммо-минутах (

∑

= tpB *

кг /сек ).

Динамическая работа. Под динамической работой понимается

мышечная деятельность, когда мышечное напряжение сопровождает -

ся изменением длины мышц и вызывает перемещение рабочего орга-

на. При этом рабочий орган производит определенное количество ме-

ханической работы , различное при разных видах профессиональной

деятельности .

Для динамической работы характерна более или менее регуляр-

ная смена между сокращением и расслаблением мышц. При сокраще-

нии так же, как и при статистической работе, ток крови либо прерыва-

ется , либо уменьшается . При этом кровь выдавливается из мышцы . Но

так как в артериальных сосудах имеет место давление, то кровь вы-

талкивается в венозную систему. В момент расслабления сосуды

опять наполняются кровью . Благодаря чередованию между выдавли -

ванием крови и ее пополнением (что подобно действию насоса) про-

исходит повышение кровоснабжения мышцы , которое в 10-20 раз мо-

жет превышать кровоснабжение в состоянии покоя. Динамически ра-

ботающая мышца снабжается кровью и кислородом более интенсив-

но , чем работающая статически . Поэтому она менее утомляема, чем

при статической работе.

Все основные трудовые операции выполняются посредством

динамической работы . Однако каждое движение содержит в себе эле-

менты динамики и статики и поэтому в любой работе присутствуют

статические компоненты . От этого в большей степени и зависит утом-

ляемость работы . Поэтому необходимо стремиться уменьшить стати -

ческий компонент к минимуму.

4.4. Биомеханические законы работы двигательного

аппарата

Комментарий к 4.4.

Биомеханика – «биос» (греч.) – жизнь, «механе» (греч.) – ору-

дие. Наука о движении тела . Одна из основных ее задач состоит в изу-

чении закономерностей и условий, при которых живой организм вы-

полняет движения. Зная закономерности движения, можно в тех или

иных условиях предвидеть их результат, вскрыть источники ошибок,

правильно оценить эффективность движения, найти путь их совер-

шенствования.

Практическое применение

- организация рабочих мест ;

-организация рабочих движений;

-конструкция оборудования;

-нормирование труда;

-определение грузооборота за смену;

-нормирование труда.

Биомеханика

раздел физиологии, изучающий условия вне

ш -

него протекания движения и условия равновесия тела

Законы биомеханики

- Закон координации движений

-Закон кинематических пар

-Закон рычагов

-Закон сохранения энергии

Изучение закономерностей двигательного аппарата человека и

его использование в процессе труда имеет значение при решении це-

лого ряда вопросов : разработки и внедрения наиболее рациональных

приемов и движений, правильной организации рабочего места, конст -

руировании инструментов , приспособлений и рабочей мебели , полу-

чении исходных данных для научно обоснованных норм времени , раз -

работки методик обучения рабочих новым приемам и методам работы .

Огромное разнообразие движений человека и небольшое число

двигательных приборов вызывают необходимость применять один и

тот же прибор для выполнения многих двигательных задач. В этом

одно из существенных отличий двигательного аппарата человека от

технической машины , образ действий которой задан раз и навсегда.

Движение человеческого тела осуществляется по законам механики ,

но проявляются они в тесной взаимосвязи с законами физиологии.

Свободно подвижное тело может передвигаться максимально в

шести направлениях : поступательные движения в трех взаимно пер-

пендикулярных направлениях и вращательные движения также в трех

взаимно перпендикулярных направлениях . На языке механики это оз-

начает , что свободно подвижное твердое тело обладает шестью степе-

нями свободы . В двигательном приборе человека встречаются соеди -

нения с одной степенью свободы (одноосные), с двумя степенями

свободы (двуосные) и с тремя степенями свободы (трехосные). К со -

гленениям с одной степенью свободы относятся межфаланговые со -

единения пальцев , плече – локтевое и коленное согленение. К согле-

нениям с двумя степенями свободы относятся плече- лучевые, лучеза-

пястные, атлантозатылочное. К согленениям с тремя степенями сво-

боды относятся лопаточно - плечевые и тазобедренные соединения.

С механической точки зрения простейшим элементом исполни -

тельного двигательного прибора (руки , ноги) является кинематиче-

ская пара , т.е. совокупность двух тел (звеньев ), взаимно ограничи -

вающих движение (например, плечо - предплечье, бедро- голень и т .д.).

Типичной связью кинематических пар является шарнир, т.е. связь

обеспечивается только качанием , но не вращением на полный оборот.

Если с этих позиций рассматривать возможности движения в

суставах , то видно , что в организме полностью отсутствуют прямоли -

нейные поступательные движения одной кости относительно другой .

Движение в суставах вращательного типа, одна кость поворачивается

относительно другой на определенный угол по тем или иным осям.

Движения определяются геометрической формой сустава. Возможно -

сти двигательного аппарата увеличиваются благодаря тому, что в на-

шем теле пары костей соединены в кинематические цепи . В организме

выделяют 14 главных кинематических звеньев : голова-туловище и по

3 на каждой из 4 конечностей (кисть- предплечье - плечо у рук и стопа-

голень-бедро у ног ). Свойства кинематической цепи подчиняются

правилу: число степеней свободы периферического звена равно сумме

степеней свободы предшествующих звеньев . Кисть руки имеет 7 сте-

пеней свободы (3 оси плечевого сустава и по 2 локтевого и лучезапя -

стного). Другими словами , кисть руки представляет собой абсолютно

свободное тело. Если бы организм использовал одновременно все

имеющиеся в его распоряжении степени свободы , то было бы невоз-

можно строго направленное действие. Из всего множества разнооб-

разных степеней свободы приходится избирать одну, чтобы выпол-

нить целесообразное движение. Точное выполнение нужной траекто-

рии движения требует ограничения всех избыточных степеней свобо-

ды . Другими словами , осуществляется функция координации движе-

ний. Центральная нервная система устанавливает порядок и очеред -

ность использования двигательных механизмов в соответствии с воз-

никающими потребностями деятельности .

На основании вышеизложенного можно сформулировать законы

координации движений и кинематических пар. В условиях живого ор-

ганизма устанавливается порядок и очередность использования двига-

тельных механизмов с возникающими потребностями деятельности .

Координация движений осуществляется центральной нервной систе-

мой путем отсечения ненужных степеней свободы при помощи разви-

тия тормозного процесса. Суть закона кинематических пар состоит в

том, что движения во всех суставах вращательного типа. Это необхо-

димо учитывать при конструировании оборудования, организации ра-

бочих мест и рабочих движений.

Передача механической энергии в двигательном приборе осу-

ществляется через посредство рычагов . Рычагом называют звено,

имеющее ось вращения. Двигательный аппарат человека в целом

можно рассматривать как систему рычагов , в которых оси вращения

совмещены с шарнирными связями звеньев . Двигательный прибор

становится рычагом с того момента, когда к звеньям прикладывается

сила. В двигательных аппаратах человеческого тела представлены ры -

чаги всех трех родов : увеличивающие силу движения, увеличивающие

скорость и поддерживающие равновесие тела. Примером рычага пер-

вого рода может служить балансирование черепа на шейных позвон-

ках (рис. 6).

(а) (б) (в)

Рис. 6. Рычаги:

а – рычаг первого рода; б – рычаг второго рода; в – рычаг

третьего рода.

Примером рычага второго рода является мышечно-скелетный

механизм ступни при ходьбе в момент отталкивания от опоры .

Но большинство наших костно- мышечных рычагов относится к

третьему роду – сгибательные механизмы пальцев , локтя, колена, же-

вательные механизмы и т. д.

Известно , что на рычагах третьего рода происходит проигрыш в

силе. Так, например, для случая сгибания в локте рычаг формируется

таким образом, что плечо тяги мышцы имеет длину порядка 3 см . (би -

цепс плеча прикрепляется ниже локтевого сгиба), в то время как плечо

груза, удерживаемого в кисти , составляет около 30 см . В итоге проис-

ходит проигрыш в силе в 10 раз и для того, чтобы удержать в согну-

той руке 10 кг ., мышца должна напрягаться с силой 100 кг . Аналогич-

ные отношения имеют место на стопе, задняя часть которой , где при -

крепляется Ахиллово сухожилие икроножной мышцы , в 6 раз короче

передней части , опирающейся при ходьбе на землю и несущей вес те-

ла . Для того, чтобы человек весом 60 кг ., мог подняться на носок од-

ной ноги, икроножные мышцы должны развивать усилие в 420кг .

Большая ягодичная мышца может развивать в точках своего прикреп-

ления усилие порядка 700 кг .

Проигрыш в силе на костно - мышечных рычагах не является

ошибкой эволюции, ибо он сопровождается соответствующим выиг-

рышем в скорости движений. Для животных это было наиболее важ -

но , и природа пошла на потери в силе во имя выигрыша в скорости

движений. Таким образом, наши мышцы фактически развивают зна-

чительно более интенсивные усилия, чем это проявляется в отноше-

нии преодолеваемых внешних нагрузок.

Закон сохранения энергии, открытый М .В. Ломоносовым, уни -

версален и в равной степени применим как к органическим, так и не-

органическим телам . Данилевский В.Я. опытным путем доказал дей -

ствие закона сохранения энергии при мышечной работе. Сумма внеш -

не произведенной работы и выделенного тепла в любом соотношении

равна изменению внутренней энергии. Этот закон может быть осно -

вой при разработке норм нагрузки в течение рабочего дня .

5 Динамика вегетативных и психических функций в процес-

се

труда

5.1. Общая характеристика функционального состояния

5.2. Энергетические потребности организма при работе

5.3. Дыхание и газообмен при работе

5.4. Влияние работы на состояние сердечно - сосудистой системы

и морфологический состав крови

5.5. Теплопродукция организма и ее обмен при работе

5.6. Роль желез внутренней секреции в регуляции трудовой дея -

тельности

5.7. Психические состояния в трудовой деятельности

5.1. Общая характеристика функционального состояния

Функциональное состояние - это комплекс физиологических, психологиче-

ских и поведенческих реакций, обусловленных выполняемой деятельно-

стью [18].

Показатели функционально -

го состояния.

Субъективные реакции:

- изменение вегетативно - соматических функций;

- изменение психических функций;

-продуктивность и качество работы .

Формирование функцио-

нального состояния.

- под влиянием особенностей субъекта труда;

- под влиянием особенностей деятельности и усло-

вий труда.

5.2. Энергетические потребности организма при работе

Обмен энергии при работе

единицы измерения

Калория (кал), килокалория (ккал)

1ккал = 1000 кал

1 кал = количество энергии, необходимой для нагрева 1 г. воды на 1

затраты энергии [16]

Энергетические затраты Затраты энергии при 8-

часовом рабочем дне в ккал

Затраты энергии в

1 минуту.

ккал/ мин

Оптимальные 2000 4.0

Допустимые 2500 5.0

Комментарий к 5.2.

Основным энергетическим источником в организме является

окисление углеводов , следовательно, успешное протекание деятель-

ности требует бесперебойного выполнения следующих условий: уси -

ленной доставки углеводов к рабочему органу; усиленной доставки

кислорода для окисления углеводов ; быстрое удаление образующихся

продуктов обмена (шлаков ).

Для выполнения этих условий в работу втягиваются все систе-

мы организма и часто их деятельность бывает весьма напряженной .

Интегральным показателем деятельности организма является уровень

затрат энергии. Основные затраты энергии при трудовой деятельности

связаны с работой мышц. Вместе с тем расход энергии меняется также

под влиянием других особенностей труда – эмоций, условий окру-

жающей среды , статических напряжений, связанных с удержанием

груза, поддержанием определенной позы .

Энергетические затраты при трудовой деятельности складыва-

ются из затрат энергии на выполнение различной работы и затрат на

основной обмен (на поддержание жизни в состоянии покоя). Основ -

ной обмен в среднем составляет 1 ккал на 1 килограмм веса в 1 час,

т.е. около 1500 ккал в сутки . При различных работах затраты энергии

колеблются в самых широких пределах и составляют в сутки вместе с

основным: у студентов – 3000 ккал, у токарей – 3300 ккал, у кузнецов

– -3500-4000 ккал, у рабочего литейного производства – 4000-4500

ккал, у каменщика – 5000 ккал, у тракториста – 3000 ккал, косцы при

ручной косьбе затрачивают – 7200 ккал.

Важнейшим является вопрос о том, какая предельно допустимая

трата энергии возможна при длительной работе. По мнению Г . Лема-

на, число калорий, затрачиваемых в производственном процессе од-

ним человеком, не должно превышать 2500ккал (при 8-часовом рабо-

чем дне), что составляет около 5 ккал/мин и соответствует работе

средней интенсивности [16].

В качестве нормальной величины энергетических затрат, соот-

ветствующей возможностям человеческого организма, Г . Леман пред -

лагает принять величину 4300 ккал/сутки , в том числе 2000 ккал на

производственные работы . При 8-часовом рабочем дне энергетиче -

ские затраты в этом случае составляют только 4.0 ккал/ мин (таб. 1).

Таблица 1

Классификация работ в зависимости от общего расхода энергии и ко-

личество калорий, затрачиваемых на производственную работу

(по Г . Леману).

Степень интенсивно-

сти работы

Величина общего расхо -

да энергии, ккал / сутки

Количество калорий, затра-

чиваемых на производст-

венную работу (за сутки)

Легкая

Умеренная

Средняя

Тяжелая

Очень тяжелая

2300-2800

2800-3300

3300-3800

3800-4300

4300-4800

0-500

500-1000

1000-1500

1500-2000

2000-2500

Выполнение такой работы оказывается возможным в течение

десятилетий, не приводя к истощению жизненных сил организма.

Очень тяжелая работа, связанная с длительными большими за-

тратами энергии, вредит здоровью , особенно если режим жизни не

обеспечивает полного восстановления в нерабочие часы . Тяжелый фи-

зический труд , регулярно оставляющий после работы выраженное

утомление, уменьшает возможность развития человека, оказывает

меньшее удовлетворение, чем при выполнении более легкого труда.

При современном развитии техники не только служащие, но

также большинство рабочих трудятся в условиях низких уровней за-

трат энергии. Чрезмерное уменьшение мышечных усилий, обозначен-

ное как гипокинезия, очень распространено как в производительной

деятельности , так и в быту и на отдыхе. Двигательная активность лю -

дей становится недостаточной , в результате создается перспектива та-

ких резких степеней физической нетренированности , при которых

создается прямая угроза здоровью .

В настоящее время медицинская наука рассматривает низкий

уровень двигательной активности как один из так называемых факто-

ров риска по отношению к ряду заболеваний сердечно -сосудистой

системы и обмена веществ . Гипокинезия способствует развитию ги-

пертонической и ишемической болезни .

Особенно неблагоприятным оказывается сочетание низкого

уровня двигательной активности и частого эмоционального возбуж -

дения, вызванного отрицательными эмоциями . Для таких эмоций

мышечная деятельность оказывается своеобразной разрядкой . Все

вышесказанное позволяет сделать вывод, что при организации труда

следует обращать внимание на важность не только верхних, но и

нижних границ оптимизации энергии.

Если условия производства обязывают находиться в условиях

гипокинезии, требуются меры коррекции во внутрисменном режиме

труда и отдыха– производственная гимнастика, а также компенсация

средствами физической культуры в нерабочее время. В качестве ори -

ентировочного уровня двигательной активности предполагается 0,5

ккал/мин. как среднесменные затраты на работу, ниже которого ком-

пенсаторные мероприятия должны быть обязательными для поддер-

жания здоровья .

Неблагоприятное влияние оказывают также такие факторы , как

фиксированная рабочая поза, отсутствие пауз в работе. Переменные

позы и микропаузы между отдельными операциями могут уменьшить

неблагоприятный эффект гипокинезии.

5.3. Дыхание и газообмен при работе.

Характеристики функции дыхания.

Легочная вентиляция Количество воздуха, пропускаемая легкими в

минуту:

- в покое 4-7 л/мин;

- при выполнении тяжелой работы 80-100 л\мин.

Количество дыханий - в покое 16-20 дых/мин.

- при работе 30-40 дых/мин.

Коэффициент использова-

ния кислорода

.)/(

100*.)/(

минмлеОпотреблени

минллегкихвентиляция

ОК

- в состоянии покоя 3-3,5%

- при работе >5%

Комментарий к 5.3.

По мере возрастания тяжести работы увеличивается и потреб-

ность организма в кислороде. Значительное усиление газообмена и

обмена веществ приводит к повышению активности органов дыхания

(учащается ритм дыхания, повышается легочная вентиляция и коэф -

фициент использования кислорода). В альвеолах происходит обмен

газов между альвеолярным воздухом и кровью . Кислород переходит

из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ выделяется из

крови в альвеолярный воздух . Состав воздуха в альвеолах непрерывно

обновляется . Во время мышечной работы усиленное потребление ки -

слорода приводит к быстрому увеличению легочной вентиляции. В

спокойном состоянии взрослый человек делает 16-20 вдохов в минуту,

легочная вентиляция, т.е. количество воздуха, пропускаемого легки -

ми , составляет от 4 до 7 л/мин. При выполнении работ повышенной