Текст книги "Эргономика"

4.2. Основные факторы, влияющие на антропометрические характеристики

В проектировании системы «человек-машина-среда» человеческое тело, его структура и механические функции занимают центральное место. Иногда отсутствие незначительного пространства в несколько сантиметров может оказаться критическим для деятельности человека, подвергнуть опасности его здоровье и работу. Эффективность любой человеческой деятельности определяется прежде всего условиями, в которой она происходит. Оптимальность условий деятельности предполагает, что параметры предметно-пространственной среды соответствуют антропометрическим характеристикам любого человека или группы людей.

От других элементов системы «человек-машина-среда» человек отличается своей природной вариативностью.

Антропометрические переменные имеют следующие составляющие: половые, возрастные, этнические (расовые, национальные), климатические, профессиональные, социальные, генетические.

Половые различия. Данные различия являются наиболее значительными и имеют неодинаковую направленность по отдельным группам размеров. Так, продольные размеры тела мужчин в положении «стоя» сегодня больше размеров тела женщин на 7–12 см, а в положении «сидя» – на 3–6; поперечные и обхватные размеры верхней части тела мужчин больше, чем у женщин, на 1–3 см, однако размеры таза и бедер у мужчин меньше, чем у женщин (на 2–4 см). Габаритные размеры тела мужчин также превышают габаритные размеры тела женщин: длина ноги на 6–19, руки на 7–15 см.

Возрастные различия. Возрастные различия взрослого населения выражаются в уменьшении продольных размеров тела и увеличении поперечных и обхватных размеров у лиц старшего возраста (30–50 лет).

Размеры человеческого тела могут меняться и через определенные периоды времени (например, американские солдаты времен Второй мировой войны были в среднем на 1,7 см выше и на 5,9 кг тяжелее американских солдат времен Первой мировой войны.

Этнические (расовые, национальные) различия. К этническим признакам человека относятся форма тела, его пропорции, форма лица. Ископаемые древние люди, создавшие археологические культуры палеолита – неандертальцы, жили в Европе 200–30 тыс. лет назад. Считается, что они стали родоначальниками некоторых наций (например, ирландцев). Неандертальцы были вытеснены кроманьонцами. Последствия тесных связей между двумя видами человека сохранились в геноме всех жителей Земли (за исключением коренных африканцев). В наших хромосомах содержится от одного до четырех процентов неандертальских генов. Разделение на расы произошло 100 тыс. лет назад. Первые европейцы появились около 40 тыс. лет назад. Вспомним, что их предками были негроиды. Со временем они поменяли цвет кожи под воздействием климата. Европеоидная раса близка по своим антропологическим признакам к эфиопам.

Одна из важнейших антропометрических характеристик человека – его рост. Рассмотрим этот параметр в отдельные периоды цивилизации (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Антропометрическая характеристика «рост человека» в отдельные периоды цивилизации.

В Древней Руси самыми высокими мужчинами были вятичи (173,3 см) и жители Смоленска (170 см), а самыми низкорослыми – группы словен новгородских (163 см) и жители Новгорода (164 см). Самые высокие женщины жили в Новгороде (163 см), а самые низкие – в новгородской сельской округе (155 см).

Климатические различия. Данные различия выражаются в основном в цвете кожи, в структуре волос, в форме глаз и радужной оболочке, в объеме мозга и др. Многие особенности сформировались под воздействием климатических условий. Прямые волосы северных народов имеют цилиндрическую форму, а вьющиеся волосы южных народов – эллиптическую (таким образом, они лучше предохраняют кожу от перегревания). Длину носа исследователи связывают с необходимостью нагрева вдыхаемого воздуха, поэтому он длиннее у северных народов и короткий с раздутыми ноздрями в Африке. Такая форма обусловлена необходимостью интенсивно вдыхать, а также для охлаждения тела.

Люди, живущие на севере Европы, имеют крупные глаза и массивную голову для того, чтобы справляться с условиями долгой зимы и недостатком света. Увеличенный объем мозга используется теми его структурами, которые отвечают за обработку зрительных образов. Кроме того, более крупные глазницы потребовались вследствие роста жировых тканей для защиты глаз от мороза. Наибольший объем мозга зафиксирован в Скандинавии, а наименьший – в Микронезии. Установлена связь между географической широтой, размером глазниц и объемом мозга. Рост объема мозга у людей, живущих на севере и на юге от экватора, не означает, что эти люди умнее, чем люди, живущие ближе к экватору.

Профессиональные различия. Профессиональные различия имеются во всех областях авиации, космонавтике, армии. Род занятий определяет антропометрические различия даже у людей одной национальности, пола и возраста – например, несложно отличить шофера грузового автомобиля от работника умственного труда. Менее очевидными, но иногда критическими причинами являются антропометрические различия, обусловленные родом занятий: например, по антропометрическим данным военно-воздушных сил США, летчики самолетов-бомбардировщиков выше летчиков самолетов-истребителей на 1,4 см.

Происходят изменения и в связи с деятельностью человека. Например, пловец Майкл Фелпс (США) на пекинской олимпиаде 2008 г. завоевал восемь золотых медалей. Своим достижениям он во многом обязан исключительным антропометрическим параметрам – длинным рукам и вытянутому торсу. Можно привести и другие примеры из области спорта – гимнасты и акробаты небольшого роста, баскетболисты – наоборот, а в гандболе и ватерполо подбирают людей с большой кистью руки.

Социальные различия. Социальные различия связаны с образом жизни, питанием. По этим причинам, например, северокорейские мужчины в среднем ниже своих южных собратьев на три – восемь сантиметров; мальчики – на четыре сантиметра, а девочки – на три.

Можно привести и другие примеры, связанные с образом жизни и питанием.

Более четверти взрослого населения Великобритании страдает ожирением, всего на два процента отстают от них ирландцы, далее следуют Мальта, Исландия и Люксембург.

Избыточный вес не является проблемой в Италии, а также в Нидерландах и Франции. Германия, которая среди европейских стран традиционно считается любящей поесть, имеет средние показатели.

С утра все люди на 1–2 см выше, чем после обеда.

Генетические различия. Данные различия обусловлены составом гена. У некоторых людей выявлена врожденная способность противостоять ожирению и стрессам (5 %); у некоторых людей имеются гены, позволяющие избегать заражения СПИДом; часть населения (15 %) характеризуется быстрым обменом веществ, который способствует выведению из организма вредных поступлений из окружающей среды.

Исследования среди жителей высокогорья Эквадора, которые страдают врожденным дефектом гена (карликовостью Ларона), вызывающего нечувствительность к действию гормона роста, показали, что они практически не болеют раком и диабетом.

Сегодня исследования показывают, что представители негроидной расы гораздо лучше защищены от диабета, болезней сердца, негативных последствий нездорового образа жизни – курения, гиподинамии, избыточного веса. В частности, средние показатели холестерина у черных младенцев в среднем на 12,1 % ниже, чем у белых. Разрыв сохраняется и у взрослых. Зато европейцы более устойчивы к ВИЧ. Есть предположения, что генная мутация, которая привела к бо́льшему иммунитету европейцев, произошла вследствие эпидемий бубонной чумы, свирепствовавшей в XIV в. Установлено, что эта мутация защищает и от чумы, и от ВИЧ. Наиболее сильным иммунитет оказался у шведов, что породило другую версию, согласно которой мутация генов произошла вследствие эпидемии СПИДа, которая бушевала в Скандинавии в VIII–IX вв. и распространителем которой были викинги.

В качестве примера генетического различия рассмотрим антропометрический признак – рост в положении «стоя» представителей различных национальностей, вызванные генетическими изменениями на протяжении исторического развития (табл. 4.2).

Таблица 4.2. Рост человека в зависимости от исторического развития.

*Средний вес мужчин стран ЕС – 79 кг.

**Ранее самыми высокими в Европе были мужчины Шотландии – 179 см.

С 1960-х гг. появилось понятие «акселерация» – ускорение роста и полового созревания детей и подростков по сравнению с предшествующими поколениями. За послевоенный период белорусы стали выше на 12 см.

На протяжении длительного времени считалось, что самые маленькие женщины живут во Вьетнаме: их средний рост составлял 144 сантиметра. Однако за последние годы благодаря улучшению условий жизни средний рост женщин Вьетнама увеличился на 8 см.

По данным за последние 10 лет средний рост россиянина сократился на 1,5 см. У детей это сокращение произошло еще в большей степени: девочки стали меньше на 1,67 см, а мальчики – на 1,9 см; соответственно показатель силы кисти снизился у девочек с 9,8 кг до 5,5 кг, а у мальчиков – с 13,9 кг до 6,5 кг. Данный факт говорит о завершении процесса акселерации.

Передают генетические изменения в основном мужчины. При расчете высоты оборудования и элементов среды следует учитывать, что наибольшие различия (половые, национальные и возрастные) наблюдаются в продольных размерах тела в положении «стоя». В продольных размерах тела в положении «сидя» эти различия уменьшаются или вовсе исчезают. Это объясняется тем, что в первом случае входящий в состав параметров тела антропометрический признак «длина ноги» – признак варьирующийся, увеличившийся за последние сто лет на 7–10 см. В продольные размеры тела в положении «сидя» входит антропометрический признак «длина туловища» – это слабо варьирующийся признак, изменившийся за то же время всего на 1 см.

4.3. Измерение антропометрических признаков

Антропометрические признаки – это свойства человека (линейные, периметрические, угловые размеры тела, сила мышц, масса, форма частей тела и т. д.), обусловливающие внутривидовые вариации его строения. Антропометрические признаки измеряются в линейных, угловых единицах, единицах массы, баллах и т. п. Антропометрическими характеристиками являются, например, рост человека, окружность головы, длина голени, масса тела, углы вращения в суставах и т. д.

В позвоночнике имеются четыре уравновешивающихся изгиба. Они предназначены для амортизации ударов и сотрясений тела, которые могут повредить центральную нервную систему.

Статические антропометрические признаки – это размеры отдельных частей тела и габаритные размеры (наибольшие и наименьшие размеры тела в различных его положениях). Используются для определения общих размеров рабочего места оператора, расположения и размеров сиденья, органов управления и др.

Габаритные размеры применяются при расчете максимального и минимального пространства, занимаемого телом человека при определении величины и конфигурации проходов, подходов, люков, лазов, замкнутых объемов.

Динамические антропометрические признаки – это размеры тела, изменяющие свою величину при угловых и линейных перемещениях частей тела в пространстве. Характеризуются линейными и угловыми изменениями (углы вращения в суставах, изменения длины руки при ее перемещениях). Эти признаки используются для определения амплитуды рабочих движений, размеров зон досягаемости, величины рабочих перемещений приводных элементов органов управления.

Ориентирами определения антропометрических признаков выступают антропометрические точки, линии и плоскости.

Точки имеют конкретную локализацию на костных образованиях или мягких тканях. Положение этих точек зависит от особенностей положения измеряемого тела (стоя, сидя). Фиксирование положения производится с помощью различных ограничительных плоскостей (стенка стенда, спинка сиденья и т. п).

Линии образуются с помощью соединения точек. Их проводят (мысленно или дермографическим карандашом) в системе двух перпендикулярных осей – вертикальной и горизонтальной. Наиболее употребительны вертикальные линии на туловище – передняя срединная, задняя срединная (позвоночная), а также горизонтальные линии, проходящие через центры вращения основных суставов.

Плоскости образуются на основании линий. Различаются три основные плоскости:

• срединно-сагиттальная – вертикальная плоскость, проходящая строго по середине тела через переднюю и заднюю срединные линии. Эта плоскость делит его на правую и левую половины;

• горизонтальная – плоскость, проходящая параллельно линии горизонта. Делит туловище на верхнюю и нижнюю части;

• фронтальная (front – лоб) – вертикальная плоскость, перпендикулярная горизонтальной и проходящая в плоскости лба. Эта плоскость делит тело на передний и задний отделы.

В процессе измерения обследуемый должен быть в обуви и одежде.

Выбор признаков для практических целей требует анализа трудовой деятельности, который проводится исходя из анатомо-физиологических позиций. Вначале рассматривается заданное положение тела, изучается рабочая поза, поза отдыха, характер перемещений и движений, выполняемых в процессе деятельности, затем выявляется вид опоры, положение звеньев тела и мышечные группы, на которые приходится основная нагрузка, и, наконец, определяется общее влияние на организм человека данной позы и выполняемых движений.

Параметры рабочих мест измеряются в различных положениях тела (стоя, сидя, лежа) и позах (руки вытянуты вверх или в стороны, корпус выпрямлен, наклонен вперед или откинут назад и др.), имитирующих рабочие позы и движения. При расчете параметров рабочего места на основе антропометрических данных необходимо учитывать следующие факторы:

• выбранную систему координат и соответствующие базы отсчета;

• рабочее положение человека в процессе деятельности;

• возможность изменения положения тела (величину размаха рабочих движений);

• количество элементов рабочего места;

• параметры обзорности;

• необходимость ограничения рабочего пространства;

• возможность регулирования параметров элементов рабочего места;

• возможность подвижности элементов рабочего места.

При измерении антропометрических признаков тела человека в положении «стоя» в качестве баз отсчета используют плоскость пола, стенку стенда.

Стоя на полу, измеряемый сохраняет выпрямленное положение звеньев тела без напряжения, голова фиксируется в глазнично-ушной горизонтали, руки опущены вдоль туловища, пальцы выпрямлены, ноги прямые, пятки соединены, носки раздвинуты под углом 45 °. Габаритные размеры и размеры досягаемости рук определяются с помощью стенда. При этом измеряемый касается стенки стенда ягодицами и лопатками.

Основные измеряемые параметры, необходимые при проектировании рабочих мест и их элементов, приведены на рисунках 4.1–4.7.

Наименование антропометрических точек тела человека:

• верхушечная – наиболее высокая точка головы при установке ее в глазнично-ушной горизонтали;

• внутренний угол глаза – точка внутреннего угла глаза в месте смыкания верхнего и нижнего века;

• затылочная точка – точка затылочной кости, наиболее выступающая назад;

• плечевая – центральная точка плечевого сустава;

• дельтовидная – самая выступающая наружная точка на внешней поверхности дельтовидной мышцы;

• локтевая – наиболее выступающая точка на вершине локтевого отростка локтевой кости (центр локтевого сустава);

Рис. 4.1. Основные измеряемые параметры тела человека в положении «стоя», необходимые при проектировании рабочих мест и их элементов

Рис. 4.2. Основные измеряемые параметры тела человека (горизонтальные) в положении «стоя»

• шейная – наиболее выступающая точка в области вершины остистого отростка седьмого шейного позвонка;

• пальцевая – самая удаленная точка мякоти ногтевой фаланги третьего пальца;

• остисто-подвздошная точка (центр тазобедренного сустава);

• верхнеберцовая точка – центр коленного сустава;

• нижнеберцовая – центр голеностопного сустава.

Рассмотрим обозначения антропометрических признаков (размеров) тела человека в положении «стоя», см:

h₁ – высота верхушечной точки над полом (рост стоя);

h₂ – высота глаз над полом;

h₃ – высота шейной точки над полом;

h₄ – высота плеча над полом – вертикальное расстояние от пола до плечевой точки;

h₅ – высота локтя над полом – вертикальное расстояние от пола до локтевой точки;

h₆ – длина ноги – высота «центра» тазобедренного сустава над полом;

h₇ – высота колена над полом – вертикальное расстояние от пола до верхнеберцовой точки;

h₈ – высота подколенного угла над полом;

h₉ – высота нижнеберцовой точки над полом;

L₁ – вертикальная досягаемость руки – вертикальное расстояние от пола до пальцевой точки третьего пальца максимально вытянутой вверх правой руки;

L₂ – нижняя досягаемость руки – высота пальцевой точки третьего пальца от пола в опущенном положении;

L₃ – длина корпуса – высота от шейной точки до «центра» тазобедренного сустава (h₃ – h₆);

L₄ – длина руки – производный признак, определяемый путем вычитания высоты пальцевой точки третьего пальца над полом из высоты плеча над полом (L₁ – h₄);

d₁ – размах рук – горизонтальное расстояние между пальцевыми точками трех пальцев обеих рук, вытянутых в стороны на уровне плеч (рис. 4.2);

d₂ – размах рук, согнутых в локтях – расстояние между локтевыми точками. Локти находятся на уровне плеч, лопатки касаются стенки, кисти рук выпрямлены, ладони обращены вниз, большие пальцы прижаты к груди;

d₃ – межлоктевой диаметр – горизонтальное расстояние между центрами локтевых суставов свободно опущенных рук (см. рис. 4.1);

d₄ – наибольшая ширина бедер с учетом мягких тканей – расстояние между наиболее выступающими точками в области бедер (см. рис. 4.2);

d₅ – ширина плеч (бидельтоидный диаметр) – расстояние между дельтовидными точками (см. рис. 4.1).

При измерении антропометрических признаков тела человека в положении «сидя» (рис. 4.3) в качестве баз отсчета используют плоскость пола, плоскость сиденья, спинку сиденья, перпендикулярную заднему краю сиденья.

Рис. 4.3. Основные измеряемые параметры тела человека в положении «сидя»

Измеряемый сидит на стуле с плоским горизонтальным сиденьем и высокой плоской спинкой. Корпус выпрямлен, голова фиксируется в глазнично-ушной горизонтали, руки лежат на бедрах, ноги согнуты в коленных суставах под прямым углом.

Наименование антропометрических точек тела человека в положении «сидя» (наряду с точками, описанными для положения «стоя»):

• бедренная верхняя – наиболее выступающая вверх точка на внешней поверхности бедра;

• подколенный угол – точка, образованная мягкими тканями на внутренних поверхностях бедра и голени при установке их под прямым углом;

• точка надколенника – наиболее выступающая вперед точка на коленной чашечке.

Рассмотрим обозначения антропометрических признаков (размеров) тела человека в положении «сидя» (рис. 4.3), см:

h1 – высота верхушечной точки над сиденьем (рост сидя);

h₂ – высота глаз над сиденьем;

h₃ – высота затылочной точки над сиденьем;

h₄ – высота шейной точки над сиденьем;

h₅ – высота плечевой точки над сиденьем;

h₆ – высота локтя над сиденьем – вертикальное расстояние от сиденья до локтевой точки при согнутом под 90° предплечье;

h₇ – высота колена над полом;

h₈ – высота подколенного угла над полом;

h₉ – высота бедра над сиденьем – вертикальное расстояние от сиденья до бедренной верхней точки;

L₁ – вертикальная досягаемость руки над сиденьем;

L₂ – горизонтальная досягаемость руки от спинки (лопатка прижата);

L₃ – досягаемость руки при опущенном плече, согнутой руке.

При фронтальных измерениях используются следующие обозначения антропометрических признаков:

d₁ – межлоктевой диаметр – горизонтальное расстояние между центрами локтевых суставов рук, свободно лежащих на бедрах;

d₂ – ширина бедер с учетом мягких тканей.

В эволюции конечностей «гомо сапиенс» большую роль сыграла необходимость манипулировать различными предметами. Нашим предкам приходилось иметь дело со все более сложными операциями, и в соответствии с этим человеческая рука становилась все более совершенным инструментом.

Агрессия также играла значительную роль в формировании человеческого тела, и, когда рука при нападении сжата в кулак, сила удара в расчете на единицу площади будет больше, чем при любой другой конфигурации кисти. С другой стороны, для амортизации наносимого удара сжатый кулак представляет собой самую эффективную защиту для хрупких костей кисти – сжимая кулак, человек увеличивает жесткость пястно-фаланговых суставов в четыре раза, а эффективность наносимого удара в два раза.

Ближайшие наши родственники – шимпанзе – не могут сжать свою кисть в кулак. Самое большее, что они могут сделать – это согнуть пальцы, образуя неполную баранку.

Фридрих Энгельс рассматривал противопоставление большого пальца остальным как один из признаков Человека разумного. Такая конструкция кисти больше приспособлена к труду. Развивая идею связи параметров кисти и умственных способностей, ученые Кембриджского университета изучили статистику итогов работы биржевых маклеров Лондона за 20 месяцев и сопоставили результаты деятельности с пропорцией пальцев объектов. Оказалось, что маклеры с длинными безымянными пальцами (безымянные пальцы длиннее указательных) заработали в 11 раз больше, чем их коллеги, у которых безымянные пальцы короче указательных.

Очевидно, что размеры кисти склонны к изменению. Это важно учитывать при решении практических задач. Очевидно, что при измерении кисти человек сидит в удобной для него позе боком к столу, свободно положив на него правую руку ладонью вниз (рис. 4.4). Ось пальца должна совпадать с продольной осью предплечья. Пальцы могут быть сближены, разведены или согнуты в зависимости от измеряемого признака.

Наименование антропометрических точек кисти руки человека:

• первая шиловидная радиальная точка – самая низкая точка на шиловидном отростке лучевой кости предплечья;

• вторая шиловидная радиальная точка – самая низкая точка на шиловидном отростке локтевой кости предплечья;

• пястная внутренняя – наиболее выступающая в сторону точка пястно-фалангового сустава второго пальца;

Рис. 4.4. Основные измеряемые параметры кисти руки человека

• пястная наружная – наиболее выступающая в сторону точка на ульнарном крае ладони в области пястно-фалангового сустава пятого пальца;

• пястные точки (первая – пятая) – наиболее выступающие точки на запястьe в области суставов пальцев;

• пальцевые точки (первая – пятая) – наиболее выступающие точки мякоти ногтевых фаланг пальцев;

• межпальцевые точки.

Рассмотрим обозначения антропометрических признаков (размеров) кисти руки человека:

L₁ – длина кисти – вертикальное расстояние от шиловидной точки до пальцевой точки третьего пальца;

L₂ – длина первого пальца – расстояние от межпальцевой точки первого, второго пальцев до пальцевой точки первого пальца;

L₃ – длина от межпальцевой точки первого и второго пальцев до пальцевой точки второго пальца;

L₄ – длина второго пальца – расстояние от межпальцевой точки второго, третьего пальцев до пальцевой точки второго пальца;

L₅ – длина третьего пальца – расстояние от межпальцевой точки второго, третьего пальцев до пальцевой точки третьего пальца;

L₆ – длина четвертого пальца – расстояние от межпальцевой точки третьего, четвертого пальцев до пальцевой точки четвертого пальца;

L₇ – длина пятого пальца – расстояние от межпальцевой точки четвертого, пятого пальцев до пальцевой точки пятого пальца;

d₁ – ширина кисти наибольшая;

d₂ – ширина кисти без учета большого пальца – ширина кисти на уровне межпальцевой точки первого, второго пальцев;

d₃ – d₇ – диаметры ногтевой фаланги первого – пятого пальцев – прямое расстояние между выступающими точками ногтевой фаланги на уровне середины ногтя.