Глава 5. Физиология нервно-мышечной системы и рационализация трудовых движений работников

1. Понятие о строении двигательного рабочего аппарата человека.

2. Центральные аппараты управления движениями. Мышечная сила и выносливость.

3. Рабочие позы и рационализация рабочего места.

Цель: познакомиться с особенностями строения и нервной регуляции двигательного аппарата человека, рассмотреть основные рабочие позы и требования к организации рабочего места.

Ключевые слова: двигательный аппарат, кинематические пары, рычаг, тетанус, динамическая и статическая работа, рабочая поза, рабочие места.

5.1. Понятие о строении двигательного рабочего аппарата человека

Изучение физиологии движений человека является одним из центральных разделов физиологии труда. Трудовая деятельность работника не может осуществляться без активного функционированиядвигательного аппарата, представляющего собой совокупность тканей и органов, обеспечивающих перемещение человека в пространстве и осуществление его активных действий, направленных на предметы окружающего мира2, с. 42.

Специализированный двигательный аппарат человеческого организма включает в себя:

• костно-опорный аппарат (кости, суставы, сухожилия);

• скелетные и речевые мышцы;

• двигательные нервные центры, расположенные в спинном и головном мозге, и нервы, связывающие эти центры с мышцами.

Функциидвигательного аппарата заключаются в следующем:

• он является исполнительным механизмом, посредством которого человек воздействует на предмет труда;

• двигательный аппарат входит в состав рабочего механизма речи и мышления;

• в нем заложен биохимический механизм превращения химической энергии в механическую и тепловую;

• он является источником мощных нервных импульсаций, поступающих в ретикулярную формацию и тем самым тонизирующих мозг.

Изучением движений человека занимается отрасль физиологии, называемая биомеханикой. Основная задача, стоящая перед специалистами в этой области – определение рациональных путей использования двигательного аппарата человека для повышения эффективности трудовой деятельности работников.

Это интересно!

Хорошие пианисты могут ударять пальцами по клавишам до 11 раз в секунду, когда выполняют трель. Это самые быстрые рабочие движения.

При сборе хлопка человек вручную очищает коробочку растения. При этом он производит пальцами около пятидесяти микродвижений. За рабочий день он делает их около трех миллионов 7, с.174-175.

Скелетно-мышечная система человека состоит из большого количества звеньев, подвижно соединенных в суставах, которые допускают поворот одного звена относительно другого..

Основными элементами двигательного аппарата человека являются кинематические пары, т.е. совокупность двух звеньев, взаимно ограничивающих движение и соединенных друг с другом посредством сустава, напоминающего шарнир. Примерами таких соединений могут служить кинематические пары типа плечо-предплечье, бедро-голень. Суставы позволяют звеньям поворачиваться относительно одной или нескольких осей, т.е. обладать различнымистепенями свободы. Общее число степеней свободы скелета превышает 2006, с.93.

Двумя степенями свободыобладают одноосные суставы (межфаланговые сочленения пальцев, плечелоктевое сочленение и др.). Эти суставы перемещаются лишь в одной плоскости (сгибание-разгибание).

Четыре степени свободыимеют двухосные суставы (лучезапястный, плечелучевой, пястнофаланговый и др.), которые могут допускать перемещение в двух взаимно перпендикулярных направлениях (сгибание-разгибание, приведение-отведение). Трехосные суставы (например, лопатко-плечевой, тазобедренный) имеютшесть степеней свободы, что позволяет осуществлять движение в двух плоскостях (сгибание-разгибание, приведение-отведение и вращательное движение вокруг продольной оси).

Каждая кинематическая пара является рычагом. Рычагом называют звено, имеющее ось вращения. Специалисты выделяют в организме человека рычаги:

• увеличивающие силу движения;

• увеличивающие скорость;

• поддерживающие равновесие тела.

Примером рычага первого рода является балансирование головы на шейном отделе позвоночника, рычагом второго рода – стопа при вставании, рычага третьего рода – сгибательные механизмы пальцев, предплечья, колена.

На рис. 5.1 представлена схема рычага третьего рода, на примере предплечья 8, с.87.

Как было отмечено выше, вторым элементом двигательного аппарата человека являются скелетные и речевые мышцы.

Все мышцы организма подразделяют на две группы: поперечно-полосатые и гладкие. К поперечно-полосатымотносятся скелетные мышцы конечностей, туловища, дыхательные и др. Кгладкиммышцам относят мышцы внутренних органов. Сердечная мышца, хотя и является поперечно-полосатой, но обладает особыми функциями и структурой.

Скелетные мышцы представляют собой своеобразные двигатели, которые преобразуют химическую энергию в механическую работу и теплоту. Они состоят из большого количества мышечных волокон. Волокна поперечно-полосатой мышцы покрыты оболочкой, внутри которой находятся протоплазма и ядра.

Рис. 5.1. Предплечье как рычаг третьего рода

а—поперечная ось вращения локтевого сустава; аж — плечо рычага силы мышечной тяги; ав—плечо рычага силы тяжес­ти; вг — направление силы тяжести или какого-либо другого сопротивления; ед—направление равнодействующей мышц-сгибателей предплечья; ез—полезная составляющая силы мы­шечной тяги; к—другая составляющая этой силы

Внутри протоплазмы от одного конца мышцы к другому проходят тонкие сократительные волокна, называемые миофибриллами. Диаметр миофибриллы не превышает один миллиметр. Сокращение миофибрилл поперечно-полосатой мышцы обеспечивается их поперечной исчерченностью. Под микроскопом внутри мышечного волокна отчетливо видно темные и светлые диски. Именно благодаря сокращению темных дисков мышцы имеют возможность сокращаться, светлые же диски лишь следуют за темными. Гладкие мышцы подобной поперечной исчерченности не имеют. Строение волокна поперечнополосатой мышцы представлено на рис. 5.2.5, с.225.

Рис.5.2. Строение волокна поперечнополосатой мышцы

Все мышечные волокна обладают следующими свойствами:

• возбудимостью, т.е. способностью отвечать возбуждением на раздражение;

• проводимостью, т.е. способностью проводить возбуждение в обе стороны от места раздражения по всей длине;

• сократимостью, т.е. способностью сокращаться или изменять степень напряжения при возбуждении.

Возбудимость мышцы может быть измерена не только определением минимальной силы раздражения (порог силы раздражения), но и установлением минимального времени, которое необходимо, чтобы ток напряжения, равного удвоенному порогу, вызывал возбуждение. Это минимальное время называется хронаксией– порогом времени раздражения. Хронаксия определяется при помощи специального приборахронаксиметраи измеряется тысячными долями секунды (например, хронаксия разгибателей мышц предплечья человека равна 0,00016-0,00032 секунды).

Мышцы имеют три вида мышечных элементов:красные и белые мышечные волокна и мышечные веретена.

Красные мышечные волокнаимеют способность к медленно протекающему сокращению, поэтому их называютмедленными.

Белые мышечные волокнамогут отвечать на сокращение одиночным сокращением, если в мышцу поступает один импульс. Но обычно в организме в нормальных условиях одиночное сокращение не наблюдается, так как к мышцам из центральной нервной системы всегда поступает целый ряд импульсов. В ответ на череду следующих друг за другом импульсов мышца отвечает длительным сокращением, развивающим большую силу. Такое длительное сокращение мышцы, вызванное частыми поступлением импульсов, называетсятетаническим сокращением, илитетанусом, а сами белые мышечные волокна называюттетаническими.Обязательным условием для тетануса является нанесение следующего раздражения тогда, когда сокращение, вызванное предыдущим раздражением, еще не кончилось. Как доказано Н.Е. Введенским, при тетанусе решающее значение имеет то обстоятельство, что каждое последующее раздражение попадает в фазу повышенной возбудимости, которая наступает после предыдущего сокращения (экзальтационная фаза), и поэтому мышца обладает более мощным сокращением.

В зависимости от того, в какой период поступает очередной импульс, наблюдается либо зубчатый, либо гладкий тетанус. Если очередное раздражение нанесено в тот момент, когда мышца уже начала расслабляться, но еще не расслабилась полностью, то начинается новое сокращение. Такие чередующиеся раздражения вызываютзубчатый тетанус. Если раздражение наносится в тот период, когда предыдущее сокращение еще не кончилось и мышца не начала расслабляться, наблюдается гладкий тетанус рис. 5.3.5, с.234.

Рис. 5.3. Сокращение мышцы при разной частоте раздражений

I–одиночное сокращение; II- зубчатый тетанус; III-гладкий тетанус.

Мышечные веретена– это рецепторы, воспринимающие сокращение и расслабление мышечных волокон. Они находятся внутри каждой мышцы и представляют собой заключенные в соединительнотканную капсулу более тонкие и короткие, чем остальные, мышечные волокна. Из-за своей формы эти образования и получили название мышечных веретен.

Мышечные веретена чрезвычайно чувствительны к растяжению мышц. Вместе с рецепторам, находящимися в суставных капсулах, внутрисуставных и внесуставных связках, они обеспечивают так называемую проприоцептивную чувствительность, снабжающую центральную нервную систему информацией о состоянии опорно-двигательного аппарата.

Сокращение мышечного волокна обеспечивается белками актиномимиозином. При мышечном сокращении длина волокна уменьшается и мышца совершает механическую работу. Энергия для ее совершения поступает при распаде аденозинтрифосфорной кислоты. В основе мышечного сокращения лежит движение нитей актина относительно нитей миозина. Во время расслабления толстые миозиновые нити входят в промежутки между тонкими актиновыми нитями примерно наполовину их длины. При сокращении они как бы натягивают их на себя с обеих сторон, т.е. нити актина начинают сближаться, скользя между миозиновыми нитями, и вдвигаются в промежутки между ними. Сами нити актина не укорачиваются, изменяется лишь расстояние между их концами; при сокращении оно уменьшается, при растяжении – увеличивается. При этом молекула мышечного белка миозина укорачивается. Механизм сокращения мышечной фибриллы за счет скольжения нитей актина и миозина, а также схема сокращения миозина представлены на рис.5.4.

2, с.16.и рис.5.5.5, с.239.

В зависимости от соотношения в своем составе белых или красных мышечных волокон, все мышцы подразделяются на статические (тонические), динамические (тетанические) и смешанные. Для тонического сокращения требуется значительно меньше энергии, чем для тетанического. Статические мышцысостоят в основном из красных мышечных волокон, которые длительное время находятся в состоянии сокращения и обеспечивают, например, определенное положение тела, подогнанность суставов и т.п.

Рис.5.5. Схема сокращения миозина

Динамические мышцы,состоящие преимущественно из белых мышечных волокон сокращаются периодически и вызывают быстрые и сильные движения при совершении рабочих актов или удержание орудий и предметов труда.Смешанные мышцысодержат белые и красные волокна примерно в равных пропорциях.

Обычно мышцы функционируют не изолированно, а группами. Мышцы совместного действия называются синергистами, а выполняющие противоположные действия –антагонистами.

Моменты включения мышц в работу и выключения из нее определяются зоной их активности и оптимальной зоной 9, с.11-12. Каждая мышца имеет в определенном движении своюзону активности, в пределах которой она может выполнять необходимую для этого движения функцию. Воптимальной зоне действияпри определенном режиме работы ее тяга наиболее эффективна.