Читать книгу "Эргономика"

5.3. Основы физиологии труда

Под работой понимаются все виды превращения энергии и в том числе те, которые связаны с деятельностью человека. В этом смысле можно говорить о работе рук, ног и других органов или организма в целом. Работа в физиологическом смысле имеет место и в игре, и в танцах, и в спортивных упражнениях – в любых движениях в процессе отдыха и быта.

В зависимости от доли физического и умственного компонентов в реализации стадий самого действия различают следующие формы труда: труд, требующий значительной мышечной активности, механизированный, полуавтоматизированный, автоматизированный, групповой (конвейерный), связанный с использованием дистанционного управления, умственный (интеллектуальный).

Труд, требующий значительной мышечной активности – это труд, который характеризуется значительной тяжестью выполнения (труд землекопов, лесорубов, строителей, грузчиков, кузнецов).

Данной форме труда присущи:

а) повышенные энергетические затраты;

б) стереотипность, повторяемость движений, что ведет к гипертрофии в основном проксимальных мышечных групп конечностей и вспомогательной мускулатуры;

в) социальная неэффективность, выражающаяся в том, что для достижения оправдывающей себя производительности требуется высокое, неоптимальное напряжение физических сил.

Физический труд отличается нагрузкой как на опорно-двигательный аппарат, так и на все функциональные системы организма человека, обеспечивающие его деятельность. Из положительных сторон физического труда можно отметить развитие мышечной системы, стимулирование обменных процессов.

Для физического труда необходимы значительное пространство, приток воздуха (часто труд происходит на открытом воздухе), а также место для продолжительного отдыха.

Механизированные формы труда требуют средних или легких мышечных усилий – это труд токарей, фрезеровщиков, станочников и др.

Механизированный труд характеризуется:

а) средними энергетическими затратами (по сравнению с трудом, требующим значительной мышечной активности);

б) определенной направленностью мышечных усилий; в) усложнением программы действий.

Механизация обеспечивает значительное разнообразие двигательных актов, роль крупных мышц уменьшается, а значение более мелких мышечных групп увеличивается. Появляется тонкая градация мышечных движений для управления механизмами (станками).

С развитием техники роль операций по планированию и организации труда, контролю и управлению производственными процессами со стороны человека увеличивается.

Полуавтоматизированный труд – это труд, который выключает человека из процесса непосредственной обработки предмета труда. Работу выполняет механизм. Человек лишь обслуживает станок: запускает механизм, подает заготовку, снимает готовую деталь. Однообразие простых и большей частью локальных действий (например, при штамповке одних и тех же деталей) приводят к монотонности труда. Работа не требует специальной квалификации, осуществляется за счет двигательного аппарата (его точности и скорости).

Характерные черты этого вида труда – повышенный темп работы, напряженность, неудовлетворенность содержанием труда, так как человек выполняет простые операции и становится, по сути, придатком машины.

Автоматизированный труд – труд, меняющий роль человека. Человек уже не просто дополняет механизм, а управляет этим механизмом, обеспечивает его бесперебойную работу. Данная форма труда по содержанию многообразна.

Основная черта такого труда – постоянная готовность человека к деятельности. Автоматизированный труд заставляет оператора находится в длительном нервном напряжении. Пространство для работы, как правило, не предусматривается, так как нахождение человека у механизма непостоянно.

Групповой (конвейерный) труд – труд, который характеризуется синхронизацией деятельности его участников. Синхронизация труда связана с тактом (интервалом времени) работы конвейера и требует упрощения рабочих операций. Поскольку для человека характерна естественная вариабельность реакций, четкий ритм конвейера в сочетании с упрощенными рабочими операциями представляет собой неблагоприятный фактор для его самочувствия. Основой высокой производительности на конвейере являются дифференциация труда и автоматизация двигательных навыков человека, что создает условия для развития гипокинезии.

Труд, связанный с использованием дистанционного управления – труд, который реализуется с помощью пультов управления. При данной форме труда человек все более удаляется от управляемых объектов. По сути, его рабочее место представляет собой пульт управления.

Осуществляя дистанционное управление, человек при помощи средств отображения информации получает необходимую информацию в закодированном виде, что обусловливает его напряженную мыслительную деятельность. Пульт, требующий редкого вмешательства оператора, обусловливает его нахождение в состоянии постоянной готовности к действию; труд без переключения внимания и активизации двигательной сферы вызывает быстрое развитие утомления.

Умственный (интеллектуальный) труд – это труд, связанный с приемом и переработкой информации, требующей повышенной активности сенсорных систем, концентрации внимания, активизации памяти, мыслительного процесса, эмоциональной сферы. Для большинства современных профессий, связанных с умственным трудом, характерны резкое увеличение объема и разнородности информации, скорость принятия решений, возрастание социальной значимости этих решений и личной ответственности работника. Нервно-психическая напряженность такого труда возрастает постоянно.

Энергия, необходимая человеку для совершения различных видов работы, высвобождается в его организме в процессах окислительно-восстановительного распада углеводов, белков, жиров и других органических соединений, содержащихся в продуктах питания. Окислительно-восстановительные реакции в живых организмах могут протекать как с участием кислорода (аэробное окисление), так и без его участия (анаэробное окисление). Анаэробное окисление характеризуется меньшим количеством высвобождаемой энергии и имеет ограниченное значение у высших организмов.

Высвобожденная энергия частично расходуется на совершение полезной работы, а частично (до 60 %) рассеивается в виде тепла в живых тканях, нагревая тело человека.

Совокупность химических реакций в организме, необходимых для жизнедеятельности, называется обменом веществ. Для обозначения минимального уровня энергетического обмена используют понятие «основной обмен».

Основной обмен характеризуется величиной энергетических затрат в состоянии полного мышечного покоя в стандартных условиях (при комфортной температуре окружающей среды в течение 2–6 ч после приема пищи в положении «лежа»). Расход энергии в этих условиях составляет 87,5 Вт для человека массой 75 кг, а потребление кислорода – 0,2–0,25 л/мин.

Расход энергии и потребность организма в кислороде тем больше, чем тяжелее работа, и зависит от позы человека. Условием поддержания позы оператора является сохранение равновесия частей тела. Общий центр тяжести тела человека расположен несимметрично и постоянно смещается вследствие деятельности внутренних органов (дыхание, кровообращение, пищеварение), а также совершаемых движений. Поддержание равновесия производится опорно-двигательным аппаратом человека и достигается путем изменения напряжения различных мышц и вариантов положения отдельных частей тела.

В положении «сидя» за счет работы мышц туловища затраты энергии на 5–10 % превышают уровень основного обмена, в положении «стоя» – на 10–15 %, при вынужденной неудобной позе – на 40–50 %. К вынужденным неудобным позам относятся позы: лежа, на коленях, на корточках, с изгибом туловища назад и т. п.

При интенсивной интеллектуальной работе потребности мозга в энергии составляют 15–20 % основного обмена, хотя масса мозга составляет около 2 % массы тела, поэтому назначение сна часто сводится к экономии необходимых энергетических ресурсов. Молодой организм требует большего времени для сна, чем организм человека среднего возраста, поскольку у него выше расход энергии во время бодрствования; кроме того, сон молодого организма более глубокий. Старики спят меньше, потому что для обмена веществ им нужно меньше энергии, а значит, и меньше времени для ее сохранения, а сон менее глубокий.

Любой вид трудовой деятельности представляет собой сложный комплекс физиологических процессов, в которые вовлекаются все органы и системы человеческого тела.

Центральная нервная система

Центральная нервная система обеспечивает координацию функциональных изменений, развивающихся в организме при выполнении работы.

Все рабочие движения и их характер зависят, с одной стороны, от импульсов, идущих из коры головного мозга, с другой – от импульсов, поступающих в центр из периферии (из мышц).

В процессе выполнения работы в ЦНС усиливаются процессы возбуждения. Одновременно углубляются и процессы торможения, благодаря чему между этими основными процессами сохраняется равновесие. При относительно легкой работе подобное состояние может сохраняться в течение всего рабочего дня; при тяжелой работе с определенного момента в коре большого мозга начинают преобладать процессы охранительного торможения.

Фазность изменения функционального состояния центральной нервной системы определяется характером и длительностью выполняемой работы.

В фазе возбуждения наблюдают повышение величины условных рефлексов, увеличение скорости сенсомоторных реакций.

В фазе торможения наблюдаются обратные процессы: снижение величины условных рефлексов, уменьшение скорости сенсомоторных реакций. Характер изменений определяется тяжестью, длительностью работы, а также тренированностью человека.

Нервная ткань состоит из нервных клеток (нейроны, нейроциты) и нейроглий – клеток, заполняющих пространство между нейронами. Нейроны воспринимают раздражение, приходят в состояние возбуждения и передают нервный импульс. Нервные волокна – это отростки нервных клеток, а нервные окончания – концевые аппараты отростков нейронов. Рецепторные нервные окончания (рецепторы) воспринимают раздражение извне (зрительные, слуховые, вкусовые, обонятельные, тактильные, температурные и болевые рецепторы), а также сигналы о состоянии самого организма (рецепторы внутренних органов, рецепторы двигательного аппарата).

Скелетно-мышечная система

К скелетным тканям относятся хрящевые и костные ткани, выполняющие в основном опорные функции.

Костная ткань представлена в организме тремя видами: грубоволокнистая (первичная), пластинчатая (вторичная) и дентин (зубы). Костные ткани состоят из клеток и межклеточного вещества. Благодаря высокой минерализации межклеточного вещества (70 %) они отличаются особой прочностью и твердостью.

Хрящевая ткань находится в хрящевой части ребер (в области соединения с грудиной), в воздухоносных путях (гортань, трахея, бронхи), на суставных поверхностях костей. В органах, подверженных изгибам (например, ушная раковина), находится эластичная хрящевая ткань. Волокнистая хрящевая ткань имеется в межпозвоночных дисках, в местах прикрепления сухожилий к суставам и т. д.

Все двигательные процессы в организме обеспечиваются мышечными тканями. Почти все клетки организма обладают способностью сокращаться, но именно в мышечных тканях эта функция достигает наивысшего развития, так как они обладают специальными сократительными структурами – миофибриллами. Мышечные ткани делятся на две большие группы – гладкие и поперечно-полосатые.

Гладкие мышцы, состоящие из одноядерных веретенообразных клеток, не имеют поперечной исчерченности. Они входят в состав кишечника, кровеносных сосудов, дыхательных путей, выделительных и половых органов, многих желез. Поперечно-полосатые мышцы составляют скелетную и сердечную мускулатуру. Они состоят из многоядерных мышечных волокон и имеют поперечную исчерченность, обусловленную чередованием в их миофибриллах участков с разными свойствами. Поперечно-полосатая мышечная ткань обладает большей силой и скоростью сокращения, чем гладкая. Источником химической энергии, превращающейся в механическую работу мышц, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Под влиянием нервных импульсов эта кислота взаимодействует с сократительной белковой структурой мышцы. Это ведет к сокращению мышечного волокна. Во время расслабления мышцы АТФ восстанавливается вновь.

С повышением интенсивности выполняемой нагрузки увеличивается количество потребляемого мышцами кислорода в единицу времени.

Для энергообеспечения мышечной работы используются питательные вещества – углеводы (гликоген, глюкоза), жиры (жирные кислоты) и белки (аминокислоты).

Во время выполнения легкой работы большая часть энергии для сокращения мышц образуется за счет окисления жиров. Во время более тяжелой работы значительную часть энергопотребления обеспечивают углеводы. При очень тяжелых работах энергопотребление осуществляется только за счет углеводов. При этом кровоток в мышцах может увеличиваться в 20–40 раз, рост кровоснабжения происходит постепенно и достигает максимума через 60–90 с.

Конечные продукты – вода, углекислый газ, продукты распада.

Кровь

При выполнении мышечной работы в крови отмечаются некоторые характерные явления: увеличивается число эритроцитов – происходит повышение количества гемоглобина и некоторое повышение вязкости крови; количество лейкоцитов может возрасти в три раза. Сосуды расширяются и в целом увеличивается масса циркулирующей в организме крови (за счет выхода ее из депо – селезенки, печени, кожи). Аналогичным образом развивается лейкоцитоз – преимущественно за счет выхода нейтрофилов и лимфоцитов из депо. Число лейкоцитов может достигать 15–20·10⁹/л. Через 1–2 ч после тяжелой работы возможен вторичный лейкоцитоз за счет усиления кроветворения и поступления в кровь нейтрофилов.

Из биохимических изменений крови обращает на себя внимание динамика содержания сахара (глюкозы). Обычно в состоянии покоя содержание глюкозы в крови составляет 4,4–4,95 ммоль/л. В начале мышечной работы количество глюкозы в крови увеличивается, что объясняется условно-рефлекторными влияниями. При выполнении привычной работы (особенно тренированным человеком) содержание глюкозы в крови через некоторое время уменьшается, потом несколько повышается и держится примерно на одном уровне вследствие того, что повышается выход сахара из печени.

Выраженное снижение содержания глюкозы в крови наступает при выполнении тяжелой и длительной работы. Уровень глюкозы ниже 3,3 ммоль/л свидетельствует о тяжелой работе и недостаточной тренированности организма.

Падение уровня сахара во время работы нужно расценивать как неблагоприятный факт (истощение либо недостаточная мобилизация углеводных ресурсов). Организм дает сигнал о необходимости перерыва в работе для приема пищи.

При выполнении работ различной тяжести отмечается изменение содержания в крови молочной кислоты: если ее содержание в норме – 1,1–2,8 мкмоль/л, то при очень тяжелой работе – 5,6–6,7 мкмоль/л.

Повышение содержания молочной кислоты сопровождается одновременным падением резервной щелочности крови. Щелочной резерв крови является показателем способности крови связывать кислые продукты. При кратковременной интенсивной работе отмечается снижение щелочного резерва.

Необходимо также отметить, что в результате повышения концентрации водородных ионов при интенсивной работе значительно повышается коэффициент утилизации кислорода.

Особую роль в сосудистой регуляции играют продукты обмена (гистамин, адениловая кислота, ацетилхолин), а также адреналин, суживающий сосуды внутренних органов, и антидиуретический гормон (вазопрессин), действующий на артериолы и капилляры.

Содержание в крови углекислого газа зависит от содержания в ней катионов и интенсивности легочной вентиляции: в покое в артериальной крови его содержание составляет 44,6–54,7, в венозной – 48,3–60,4 объемных процента. При выполнении работы содержание углекислоты в крови уменьшается. Это обусловлено связыванием углекислого газа катионами и вымыванием из крови при гипервентиляции.

Сердечно-сосудистая система

Увеличение потребности работающих мышц в кислороде и питательных веществах ведет к усилению деятельности сердечно-сосудистой системы, что выражается в учащении сокращений и увеличении ударного объема сердца.

В состоянии покоя пульс составляет 60–70 ударов в минуту. Как правило, через 15–30 секунд после начала работы (а иногда рефлекторно и до работы) пульс учащается, достигает известной величины, зависящей от мощности работы, и держится на этом уровне в течение всей работы. Даже удобное положение «стоя» требует увеличения частоты сердечных сокращений на 10–15 ударов в мин.

В результате работы минутный объем крови, выбрасываемой сердцем, может возрасти с 3–5 до 30–40 л. На 5–30 мм рт. ст. может повыситься максимальное артериальное давление.

При легких работах частота пульса не превышает 100–120 ударов в мин.

При тяжелых работах частота пульса может достигать 140–160 и более ударов в минуту. Изменение пульса в процессе работы в значительной степени зависит от тренированности. У тренированного человека частота пульса при прочих равных условиях всегда меньше, чем у нетренированного. У нетренированных людей возрастание минутного объема сердца в процессе работы обеспечивается в основном за счет учащения числа сердечных сокращений, у тренированных – за счет увеличения систолического объема.

После прекращения работы частота пульса резко снижается. Однако время восстановления пульса до исходной величины в значительной степени определяется тяжестью выполненной работы. Восстановительный период составляет:

при легкой работе – 2–4 мин;

работе средней тяжести – 30 мин;

тяжелой – 65–70 мин.

Восстановительный период обусловлен накоплением в работающих органах недоокисленных продуктов обмена.

Под влиянием импульсов из центральной нервной системы, а также в результате сосудорасширяющего действия продуктов мышечного сокращения (молочная кислота) значительно расширяются кровеносные сосуды скелетных мышц, развивается сеть мышечных капилляров, но сами капилляры сужаются. Этим достигается лучшее кровоснабжение работающей мышцы и удаление продуктов обмена.

Дыхательная система

Число дыханий в минуту 8–22, а легочная вентиляция – 4–10 л/мин. При работе потребление кислорода увеличивается; при этом вентиляция достигается за счет учащения дыхания и увеличения глубины вдоха (у тренированных людей увеличение легочной вентиляции осуществляется главным образом за счет усиления глубины дыхания). Среднее количество выделяемого человеком пара составляет 900 г/сутки (через легкие около 300 г и соответственно 600 г через кожу). Человек выделяет до 16 л углекислого газа в час.

Количество кислорода в минуту, необходимое для полного окисления продуктов распада, называется кислородным запросом.

Важно заметить, что потребление кислорода в начале работы растет и только через 2–3 мин оно устанавливается на определенном уровне, т. е. наступает его устойчивое состояние.

Вначале работа производится при неполном удовлетворении кислородного запроса, поэтому накапливается кислородный долг. Такое явление объясняется тем, что доставка кислорода увеличивается не сразу, хотя энергетические процессы в мышце при ее сокращении происходят мгновенно. Только когда доставка кислорода соответствует кислородному запросу, наступает устойчивое состояние потребления кислорода.

Кислородный долг, образовавшийся в начале работы, полностью погашается после прекращения работы, в период восстановления.

Кожа

Кожа – наружный покров организма. Она состоит из эпидермиса и дермы. Эпидермис (верхняя часть кожи) представляет собой многослойный ороговевший эпителий. Жизнь клеток, составляющих эпителй, недолговечна: в течение примерно 26–28 дней они почти полностью обновляются.

Между коллагеновыми пучками располагаются эластические волокна – они придают коже эластичность.

Коллагеновые и эластические волокна сетчатого слоя переходят в подкожную основу – гиподерму. Подкожная основа в зависимости от того, на каком участке тела она находится, представляет собой преимущественно либо жировую ткань, либо рыхлую волокнистую соединительную ткань.

К производным кожи у человека относятся волосы, ногти, сальные, потовые и молочные железы.

Потовые железы представляют собой простые неразветвленные трубочки, закрученные в плотный клубок; их выводные протоки находятся на поверхности эпидермиса. Потовые железы подразделяются на апокриновые (в подмышечных впадинах и вокруг ануса) и мерокриновые, или эккринные (во всех остальных областях тела). Мерокриновые железы выделяют белково-полисахаридный секрет, соли и воду. Апокриновые потовые железы начинают функционировать с половым созреванием. В состав выделяемых ими секретов входят белковые продукты, которые на поверхности кожи разлагаются и придают поту характерный запах.

Сальные железы почти все открываются в волосяной фолликул. И лишь на тех частях тела, где волос нет (красная кайма губ, соски молочных желез), их выводной проток открывается на поверхность кожи самостоятельно. Сальные железы вырабатывают кожное сало, которое служит для смазки эпидермиса и волос. Если сальные железы работают плохо, кожа становится сухой, а волосы – ломкими.

Кожа мужчин отличается от женской – она толще, имеет лучшую упругость и увлажнение; содержит примерно в 2 раза больше сальных и потовых желез; кислотность (pH) мужской кожи вдвое выше; в ней больше сосудов (склонность к покраснению); она имеет значительный волосяной покров.

Кожа защищает организм от механических повреждений, микроорганизмов (через здоровую кожу большинство микробов проникнуть не может), от солнечной радиации (выделяя пигмент), а также осуществляет иммунологическую защиту.

Кожа регулирует обмен тепла между организмом и внешней средой – 80 % теплоотдачи происходит через кожу, в том числе за счет испарения пота. В среднем человек выделяет 600–900 мл пота в сутки. Испарение с поверхности кожи вызывает понижение температуры тела. Человеческий организм через кожу теряет около 1 % воды. Часть продуктов обмена веществ (шлаков) удаляется вместе с потом.

Кожа выделяет углекислый газ и поглощает кислород. Через кожу осуществляется 2 % всего газообмена организма. Кожное дыхание и окислительно-восстановительные процессы тесно связаны между собой и зависят от функций потовых желез.

Водорастворимые вещества могут всасываться через сальноволосяные фолликулы и выводные протоки потовых желез, а различные жирорастворимые вещества через эпидермис.

В коже синтезируются меланин, витамин D, кератин, секреты сальных желез, некоторые энзимы.

Кожа осуществляет функцию депо крови: до 1 л крови может задерживаться в венах подкожной жировой клетчатки и таким образом исключается из кровотока.

В коже располагаются болевые, тактильные, хемо-, механо– и терморецепторы.

Органы пищеварения

Человек в сутки потребляет около 3 кг пищи. В неактивном состоянии желудок имеет размер примерно с кулак. Чтобы вместить пищу, принятую во время обильной трапезы, он расширяется в 40 раз – до объема около 2 литров. При тяжелой физической нагрузке происходит торможение секреции и моторной функции желудка и как следствие замедление переваривания и всасывания пищи. После еды возникает сонное состояние; это происходит потому, что до 1/3 крови отвлекается на кишечник. Чтобы не мешать его жизненно важной работе, другие части организма, в том числе мозг, снижают свою активность.

Печень выполняет следующие функции:

– выделяет желчные кислоты, участвующие в переваривании жиров;

– выводит из организма билирубин – желтый пигмент, который выделяется при разрушении эритроцитов;

– создает запас глюкозы, белков, витаминов и жиров для последующего выделение их в кровь;

– синтезирует белок альбумин, который обеспечивает доставку различных веществ к органам и тканям, а также регулирует прохождение воды через стенки кровеносных сосудов;

– синтезирует холестерин, участвующий в образовании новых желчных кислот;

– осуществляет функцию депо крови: в печени накапливается до 1/4 всего объема крови организма; если нагрузка организма повышается, кровь из печени поступает в общий кровоток;

– обезвреживает вредные и токсичные вещества (в том числе, алкоголь и лекарственные средства), поступающие с пищей или образующиеся в процессе обмена веществ.

Проходя через печень, кровь фильтруется: клетки Купфера разрушают содержащиеся в крови опасные для организма бактерии, вирусы, токсины и другие вредные вещества. Эти субстанции в обезвреженном виде попадают вместе с желчью в кишечник и выводятся из организма.

Печень играет важную роль в деятельности всех жизненно важных органов – почек, селезенки, желудка, сердца и др., поддерживает постоянство внутренней среды организма: определенный состав крови, лимфы, желчи и т. д.

Печень обладает феноменальной способностью к регенерации – седьмой части этого органа вполне достаточно для сохранения жизненных функций организма.

Температура тела

Во время работы происходит изменение температуры тела. При выполнении некоторых видов тяжелой мышечной работы она может доходить до 39,3°.

При интенсивной умственной работе может повышаться температура кожи головы.

Возрастание теплопродукции в работающих мышцах сопровождается увеличением теплоотдачи через расширяющиеся сосуды кожи (пот и его испарение).

Небольшое повышение температуры тела при работе является благоприятным фактором, стимулирующим обмен веществ, тканевое дыхание, улучшающим условия утилизации кислорода, но значительное ее повышение при работе нельзя признать благоприятным. При этом происходит усиленный распад белковых соединений, ухудшаются условия работы сердечно-сосудистой системы, нервных центров, значительно увеличивается расход энергии на внешнюю работу, усиливается потоотделение, изменяется водно-солевой режим организма (особенно при работе в горячих цехах или при выполнении тяжелой физической работы). При этом значительное повышение деятельности потовых желез может снижать выделительную функцию почек. Для пополнения влагопотерь рабочие, выполняющие тяжелые физические работы, должны выпивать большее количество жидкости, чем при легких работах (до 4–5 л за смену).