Биомедицинская инженерия и биомеханика. Курс лекций. Учебное пособие

Теплообмен между человеком и окружающей его средой осуществляется за счет следующих механизмов:

инфракрасного излучения, которое излучает или получает поверхность тела (R);

конвекции (С), т. е. через нагрев или охлаждение тела воздухом, обтекающим поверхность тела;

теплоотдачи (Е), обусловленной испарением влаги с поверхности кожи, слизистых оболочек верхних дыхательных путей, легких.

Формула теплообмена:

Qотд R С – Е.

Внормальных условиях при слабом движении воздуха человек в состоянии покоя теряет в результате тепловой радиации около 45 % всей вырабатываемой организмом тепловой энергии, в результате конвекции – до 30 % и испарения – до 25 %. При этом свыше 80 % тепла отдается через кожу, примерно 13 % – через органы дыхания, около 7 % тепла расходуется на согревание принимаемой пищи, воды и вдыхаемого воздуха. В состоянии покоя организма и при температуре воздуха 15 °Спотоотделениенезначительно и составляет примерно 30 млза 1 ч. Привысокойтемпературе(30 °Сивыше), особеннопривыполнениитяжелой физической работы, потоотделение может увеличиваться в десятки раз. Так, в горячих цехах при усиленной мышечной работе количество выделяемого пота достигает 1–1,5 л/ч, на испарение которого затрачивается 2500–3800 кДж.

Вцелях обеспечения эффективного теплообмена между человеком

исредой устанавливаются санитарно-гигиенические нормативы параметров микроклимата на рабочем месте, а именно:

1) температура воздуха;

2) скорость движения воздуха;

3) относительная влажность воздуха;

4) температура поверхностей.

Условия 1 и 2 определяют конвективный теплообмен; 1 и 3 – испарение пота; 4 – теплоизлучение. Нормативы на эти параметры устанавливаются дифференцированно в зависимости от степени тяжести выполняемой работы.

71

6.4. ПРОПРИОРЕЦЕПЦИЯ

Проприорецепция – это ощущение относительного положения частей тела и их движения у животных, иными словами – ощущение своего тела. Обеспечивается различными органами-проприорецепторами (в частности мышцами), информация от которых по крупным (поэтому быстропроводящим) нервным волокнам в составе периферических нервов и задних столбов спинного мозга поступает к ядрам центральной нервной системы и далее через таламус в теменную долю головного мозга, где формируется схема тела.

Сигналы от проприорецепторов поступают в головной мозг и дают информацию о состоянии мышц, суставов и сухожилий. Без такой способности человек не мог бы выполнять координированных движений с закрытыми глазами.

Здоровый человек в сознательном состоянии может чувствовать положение и движение своих конечностей. При этом способность ощущать собственное (мышечное) и внешнее (пассивное) движение примерно равны (например, плечо улавливает изменение угла в 0,5°). Человек может также достаточно точно определять сопротивление своему движению, в частности вес вещей (погрешность не больше 10 % при сравнении).

Типы мышечных чувств

Благодаряпроприорецепциичеловекможетчувствоватьположение, движение и силу.

Чувство положения – способность ощутить, под каким углом находится каждый сустав, и в сумме – положение и позу всего тела. Чувство положения почти не подвержено адаптации.

Чувство движения – это информация о направлении и скорости движения в суставах. Человек воспринимает движение в суставе как активное при мышечном сокращении. Движение ощущается как пассивное, когда оно вызвано внешними причинами. Порог восприятия движения зависит от амплитуды и от скорости изменения угла сгибания суставов.

Чувство силы – это способность оценить мышечное усилие, прилагаемое для движения или для удержания сустава в определенном положении.

72

рефлексов и возникновению целых взаимосвязанных групп, составляющих определенный динамический комплекс – стереотип.

В любом трудовом процессе можно выделить три этапа.

1.Восприятие информации (перцепция) либо путем непосредственного наблюдения процесса, либо по наблюдению показаний кон- трольно-измерительных приборов, отражающих параметры протекания процесса. Перцепция осуществляется с помощью органов чувств: зрения, слуха или осязания. Полученная от органов чувствинформация передается в центральную нервную систему человека. Эта фаза трудового процессаотноситсяксфередействиязаконовфизиологииипсихологии.

2.Переработка (трансформация) полученной информации осуществляется в центральной нервной системе и приводит к принятию определенного решения. Механизм выработки решения до сих пор еще мало изучен. Помимо поступающей информации в процессе принятия решенияучаствуетивнутренняяинформация(память), вкоторойсодержится полученная ранее информация и инструкции. Помимо заложенной информации в памяти человека большую роль играет интуиция (подсознательная информация), которая весьма существенно влияет на принятие решения.

3.Последним этапом трудового процесса является выдача принятого решения исполнительным органам (мышцам рук, ног, туловища)

ивыполнение этого решения.

Существует и обратная связь, которая может быть двоякого рода:

устройство сигнализации – рецептор – ЦНС – исполнительный орган – органы управления;

рецептор – органы управления.

Примеромобратнойсвязиможетслужитьсистема«водитель – автомашина». Показания спидометра воспринимаются зрением, водитель принимает решение увеличить скорость и дозированно давит на педаль газа. Если водительпо темилииным причинамрезко выжалпедальгаза до отказа, то нет необходимости смотреть на спидометр, чтобы узнать, что машина превысила или вот-вот превысит заданную скорость.

При выполнении ряда работ (например, работы машиниста строительного крана) человек ни на секунду не должен отрывать взгляд от площадки, на которой проводится работа. При этом необходимо получениевозможнобольшейинформацииоработемеханизмачерезорганы осязания.

74

Из всего сказанного можно сделать вывод: анализируя какой-либо процесс, нельзя рассматривать его только с технической точки зрения. Правильноерешениепроблемысостоитвоптимальномсочетаниичеловекаимашины, т. е. решениисистемы«человек– машина» какединого, интегрального целого.

Преимущество человека перед машиной проявляется, прежде всего,

вследующих отношениях:

1)обнаружение слабых световых и звуковых сигналов;

2)восприятие взаимосвязанных световых и звуковых сигналов;

3)импровизация и применение гибких методик;

4)сборбольшогоколичестваинформацииивосстановлениеважных фактов в необходимый момент;

5)индуктивный способ мышления;

6)выработка решений;

7)развитие концепций и разработка методов.

Сдругойстороны, имашиныимеютпреимуществапередчеловеком

вследующих отношениях:

1)быстрота реакции на полученный сигнал;

2)способность равномерно и точно развивать большие усилия;

3)способность длительно выполнять однообразную работу;

4)быстрое накопление информации и последующее ее стирание;

5)высокая скорость проведения математических вычислений;

6)выполнение нескольких действий одновременно.

Таким образом, в системах управления необходимо оптимально сочетать технический и человеческий факторы с учетом относительных слабостей и относительных преимуществ каждого из этих двух факторов перед другим.

Приорганизациирабочегоместапреждевсегоследуетпонять, какая информация будет необходима пользователю и в какой форме он будет получать эту информацию. Помимо этого необходимо, чтобы форма

иразмещение органов управления упрощали не только управление, но

ипередачу информации органам осязания.

Особое значение придается восприятию и передаче информации в процессах, которые связаны с однообразной работой, состоящей только в наблюдении за сигналами. Типичным примером такой работы является наблюдение за экраном радиолокатора, где зачастую в течение нескольких часов вообще не появляется сигнала, а если он и появляется, то оказывается крайне слабым и трудно различимым.

75

На графике (рис. 4) представлены результаты исследования внимания трех различных по составу группсотрудников, следящих за появлением сигнала. Оценка внимания определялась количеством пропущенных сигналов.

Рис. 4. График изменения внимания во времени

Все три кривые имеют сходный характер. Концентрация внимания явно снижается с 15-й минуты и достигает минимального уровня примерно на 45-й минуте, после чего стабилизируется на этом низком уровне (25–35 % незамеченных сигналов). При этом, как показали исследования, никакие стимулы (моральные и материальные) и никакие изменения в условиях труда и окружающей обстановке не приводили к повышению внимания в течение 30 мин. Ухудшение условий труда (повышениетемпературы, повышениеуровняшумаи др.) приводилокеще большему снижению внимания.

Из этого можно сделать вывод, что большое число автокатастроф, при которых не удается выявить причину аварии, происходит из-за потери внимания под влиянием езды по однообразной дороге.

Дляборьбыстакимиявлениямиприбегаютксамымразличнымспособам снятия напряжения. Так, в одном из американских банков была примененаэлектроннаяаппаратурадлявыплатыденегпочекам. Этааппаратура проделывала множество операций и распечатывала кассиру чек. В обязанности кассира входила проверка правильности действий,

76

выполняемыхаппаратом. Чтобыисключитьвлияниемонотонностиэтой работы на человека и избежать ослабления его внимания, конструкторами была предусмотрена ручная заливка чернил в печатающее устройство машины через каждые 15 мин.

Правильная организация перерывов в работе является важным фактором при выборе продолжительности рабочего дня и рабочей недели. Установлено, что правильный выбор времени для отдыха приводит к увеличению выпускаемой продукции, а также уменьшает интервалы времени, которые работник использует на собственные нужды при отсутствии перерывов или недостаточном их количестве.

Система перерывов должна соответствовать характеру выполняемой работы. При точных работах, требующих повышенного внимания и сосредоточенности (например, печатание текста, монтаж мелких деталей, умственный труд), рекомендуется устраивать перерывы по 3– 5 мин примерно каждый час. Длительный перерыв при таком виде работ может привести к потере ритма и необходимости нового «вхождения» в работу. Такие же короткие перерывырекомендуетсяустраивать при монотонной работе.

Вопрекираспространенномумнению, чтовсякийперерыввработе – «потерянное время», многочисленные исследования показали, что рациональнаясистемаперерывовсущественноуменьшает, аиногдаиполностью ликвидирует так называемые самовольные перерывы, которые устраиваютсяработникамипособственнойинициативе. Дажевтех случаях, когда вообще не предусматривается перерывов, фактически они составляют 5 % общего времени. Это происходит за счет того, что работник стремится без всякой причины увеличить время вспомогательных операций, таких как наведение порядка на рабочем месте, поскольку эта операция менее утомительна, чем основная работа.

Следуетизбегатьперерывоввпериод«вхождения» вработу, атакже в период, когда усталость настолько значительна, что уже поздно затрачивать время на восстановление сил работника.

При очень тяжелой физической работе система перерывов должна предусматривать значительно более длительные интервалы времени для отдыха. В отдельных случаях (работа при высокой температуре) общая продолжительность перерывов для отдыха может быть равна времени активной работы.

77

Принято различать толерантность к воздействию ускорения и к контактным воздействиям, хотя это разделение весьма условно.

Толерантность к ускорению зависит от его величины и длительности, она различна для разных тканей организма. В первую очередь это касается головного мозга и позвоночника. По данным некоторых авторов, для предотвращения сотрясения головного мозга ускорение не должнопревышать200g, еслионодлитсяболее3 мс, или150g втечение более 5 мс.

Повреждения шейного отдела позвоночника относятся к числу очень опасных травм и нередко заканчиваются летальным исходом. Толерантность шейного отдела позвоночника зависит от механизма травмы. Переломы шейных позвонков возникают при вертикальном ударе с силой 4–5 кН. Диапазон допустимых движений головы по отношению к туловищу составляет, по данным различных авторов, 54–72° присгибаниии39–93° приразгибании. Вэтойсвязивопросоповреждении шейного отдела позвоночника при разгибаниирешается путем применения подголовника, но надежных мер против сгибательных повреждений пока не разработано. Что касается боковых и ротационных движений головы, то предел переносимых воздействий пока не определен.

Характеристики механического воздействия удара головой в значительной мере зависит от положения тела по отношению к направлению движения и преграде. По своей величине эти характеристики значительно снижаются в положении сидя и наклона туловища к коленям.

На основании научных исследований выработаны общие рекомендации по защите тела от ускорения при катастрофах:

1)полная фиксация тела и ограничение подвижности конечностей;

2)распределение нагрузки на возможно большую площадь;

3)избегание концентрации сил, изгибных моментов и сдвиговых эффектов;

4)стремлениесоздатьусловиядляпередачинагрузкинатазовуюоб-

ласть;

5)прочность элементов предметной среды, окружающей человека, должна превышать толерантность тела человека во избежание поражения осколками.

Контактные воздействия

Возможно бесчисленное количество вариантов соударения тела с предметами или препятствиями. Поэтому невозможно построение

79

общей теории, на основе которой можно было бы предсказать последствия таких соударений.

Исходяизэтогопонятно, чтоанализуподвергаютсянаиболеетипичные случаи: столкновение с плоской неподвижной преградой и удар предметасограниченнойповерхностью. Различиямеждуэтимивариантамиоченьбольшие. Например, приудареобострыйтвердыйуголэнергия удара, приводящая к перелому костей черепа, в 10 раз меньше, чем при ударе о плоскую поверхность. Разные части головы имеют неодинаковую прочность. Наибольшей прочностью обладает лобная часть, что объясняется особенностью ее анатомического строения.

Максимально возможное усилие при ударе грудной клеткой о преграду (например, рулевоеколесо), котороенеприводиткповреждениям грудной клетки и ее содержимого, составляет 11,3 кН.

Средства индивидуальной защиты

Защитные шлемы и каски издавна использовались в военном деле. Их основное назначение состояло в защите головы от проникающих ранений. Классические, сделанные из стали, военные каски или шлемы рыцарейобладаютвысокойпрочностью, ноонипередаютнаголовувсю энергию удара, так как в них не предусмотрены амортизаторы. Они предохраняюткостичерепаотпереломов, нонеголовноймозготсотрясения.

Однако даже обычный зимний головной убор может смягчить удар. Например, при падениях шапка-ушанка увеличивает время соударения в 5–9 раз.

Все современные шлемы и каски состоят из корпуса (колпака) и внутреннейоснасткиидолжныудовлетворятьосновнымтребованиям:

1)защищать голову от проникающих ранений;

2)демпфировать удар, т. е. снижать энергию удара, доходящую до головы;

3)снижать амплитуду и увеличивать длительность ударного импульса;

4)не увеличивать опасность повреждения шейного отдела позвоночника при быстрых движениях (вследствие увеличения массы и момента инерции сегмента «голова – шлем»);

5)быть удобными и не вызывать утомления;

6)не ограничивать видимость и возможность общения;

7)быть пригодными для ношения в любую погоду.

80