Работоспособность и ее динамика

Основным показателем трудовой деятельности человека принято считать его работоспособность, т. е. способность производить действия, характеризующиеся количеством и качеством работы за определенное время.

Работоспособность создается в результате происходящих в организме процессов в нервной системе, двигательном аппарате, органах дыхания и кровообращения, которые определяют потенциальные возможности человека выполнять конкретную работу при заданных режимах. При непрерывной работе мышцы, нервные клетки и различные органы могут расходовать только определенное количество энергии, не превышающее предела работоспособности.

Во время трудовой деятельности работоспособность организма закономерно изменяется на протяжении рабочей смены. Изменение работоспособности в течение рабочего дня имеет несколько фаз:

- фаза врабатывания или нарастающей работоспособности; в этот период уровень работоспособности постепенно повышается по сравнению с исходным; в зависимости от характера труда и индивидуальных особенностей человека этот период длится от нескольких минут до 1.5 ч, а при умственном творческом труде - до 2...2,5 ч;

- фаза высокой устойчивости работоспособности; для нее характерно сочетание высоких трудовых показателей с относительной стабильностью или даже некоторым снижением напряженности физиологических функций; продолжительность этой фазы может составлять 2...2,5 ч и более в зависимости от тяжести и напряженности труда;

- фаза снижения работоспособности, характеризующаяся уменьшением функциональных возможностей основных работающих органов человека и сопровождающаяся чувством усталости.

Динамика работоспособности повторяется и после обеденного перерыва. При этом фаза врабатывания протекает быстрее, а фаза устойчивой работоспособности по уровню ниже и менее длительная, чем до обеда. Во второй половине смены снижение работоспособности наступает раньше и развивается быстрее в связи с утомлением.

В течение суток работоспособность также изменяется определенным образом. На кривой работоспособности, записанной в течение суток, выделяются три интервала, отражающие колебания работоспособности (рис. 2.2). С 6 до 15 ч - первый интервал, во время которого работоспособность постепенно повышается. Она достигает своего максимума к 10 - 12 ч, а затем постепенно начинает понижаться. Во втором интервале (15...22 ч) работоспособность повышается, достигая максимума к 18 ч, а затем начинает уменьшаться до 22 ч. Третий интервал (22...6 ч) характеризуется тем, что работоспособность существенно снижается и достигает минимума около трех часов утра, затем начинает возрастать, оставаясь при этом, однако, ниже среднего уровня.

По дням недели работоспособность также меняется. Врабатывание приходится на понедельник, высокая работоспособность - на вторник, среду и четверг, а развивающееся утомление на пятницу и особенно на субботу.

Рис. 2.2. Колебания работоспособности в течение суток

Утомление - состояние организма, характеризующееся снижением работоспособности (ухудшением количественных и качественных показателей работы) в результате чрезмерной нагрузки. Утомление сопровождается чувством усталости, которое прекращается после адекватного затратам энергии отдыха. Для машинистов локомотивов, водителей автотранспортных средств, диспетчеров и других работников, связанных с организацией движения, следствием утомления становится снижение зрительного восприятия, контрастной чувствительности, концентрации внимания, точности оценки расстояния и скорости движения.

Утомление представляет собой обратимое физиологическое состояние. Однако, если работоспособность не восстанавливается к началу следующего периода работы, утомление может накапливаться и переходить в переутомление.

Переутомление — более стойкое снижение работоспособности, которое в дальнейшем ведет к развитию болезней, снижению сопротивляемости организма инфекционным заболеваниям, требует обязательного обращения за профессиональной медицинской помощью. Признаками переутомления могут быть: бессонница, раздражительность, физический дискомфорт, ошибки в работе.

Утомление и переутомление достаточно часто бывают причиной создания человеком аварийной ситуации, могут явиться причиной повышенного травматизма на производстве.

Физическое и умственное утомление имеют сходные физиологические картины. При тяжелом физическом утомлении умственная работа малопродуктивна, и, наоборот, при умственном утомлении падает мышечная работоспособность человека. При умственном утомлении отмечается расстройство внимания, памяти, ухудшение процессов мышления, ослабляется точность и координированность движений.

Физиологические обоснования мер по снижению утомления и повышению работоспособности. В работу следует «входить» постепенно. Это обеспечивает последовательное включение физиологических механизмов, определяющих высокий уровень работоспособности. Необходимо соблюдать определенный ритм работы, что способствует выработке навыков и замедляет развитие утомления. Следует придерживаться последовательности и систематичности в работе, что обеспечивает длительное сохранение рабочего динамического стереотипа. Правильное чередование описанных выше видов труда с отдыхом уменьшает степень утомления, повышает работоспособность. Высокая работоспособность сохраняется при систематических упражнениях и тренировке.

Кроме того, должны быть соблюдены требования эргономики и дизайна (оптимизация размеров и массы инструмента, рабочих движений, количества информативных сигналов и другие требования к рационализации рабочего места - удобства стула, стола, пульта и щита управления, окраски рабочего помещения, выбор оптимального ритма работы, соответствующей освещенности и т.д.).

Что касается режима работы, то наилучшей сменой для поддержания работоспособности на необходимом уровне является дневная смена с началом рабочего дня не ранее 7 ч. В любой смене обязательно необходимы перерывы для отдыха и приема пищи в середине смены длительностью не менее получаса, а также перерывы на 10…15 мин примерно за час в конце первой и второй половины смены для производственной гимнастики. Работа в ночную смену для поддержания работоспособности требует особого режима сна, отдыха и приема пищи. Целесообразнее время для сна делить на две части (дробный сон) - 4…5 ч после работы в ночную смену и 3…4 ч перед ее началом. Периодичность перехода трудящихся для работы из одной смены в другую должна быть не короче и не длиннее недели. При работах без нервно-психических перегрузок увеличивает работоспособность использование функциональной музыки (перед началом, в середине и в конце каждой смены). Снижает утомление отдых в специальных комнатах психологической разгрузки. Отдых после рабочей недели в течение двух дней подряд более продуктивен, чем, например, в воскресенье и четверг. Наконец, совершенно необходимо поддержание благоприятных условий труда, при которых физиологические процессы в организме протекают наиболее эффективно.

2.2. Характеристика человека как элемента системы «человек - среда обитания»

Человеку постоянно требуются сведения о текущем состоянии и изменениях во внешнем мире и внутренней среде организма для оценки этой информации и принятия решений по своему поведению и выработке программ дальнейшей жизнедеятельности.

Возможность получать информацию о среде обитания, способность ориентироваться в пространстве и оценивать свойства окружающей среды обеспечиваются анализаторами, которые являются специальными структурами организма для ввода информации из внешнего мира в мозг и ее переработки.

Анализаторы - это совокупность нервных образований, воспринимающих внешние раздражители, преобразующих их энергию в нервный импульс возбуждения и передающих его в центральную нервную систему.

Датчиками анализаторов являются специальные окончания нервных волокон, называемые рецепторами, которые преобразуют внешнюю энергию различных видов раздражителей в особую активность нервной системы. Часть из них воспринимает изменения в окружающей среде (экстероцепторы), а другая часть - во внутренней среде нашего организма - интероцепторы.

В зависимости от природы раздражителя, на который они настроены, рецепторы подразделяют на:

- механорецепторы, к ним относятся слуховые, вестибулярные, гравитационные, тактильные рецепторы кожи и опорно-двигательного аппарата, барорецепторы сердечно-сосудистой системы;

- терморецепторы, воспринимающие температурные изменения как внутри организма, так и в окружающей организм среде. Они объединяют рецепторы кожи и внутренних органов, а также центральные термочувствительные нейроны в коре мозга;

- хеморецепторы, реагирующие на воздействие химических веществ, к ним относятся - рецепторы вкуса и обоняния, сосудистые и тканевые рецепторы (например, глюкорецепторы, реагирующие на изменение уровня сахара в крови);

- фоторецепторы, настроенные на восприятие света;

- болевые рецепторы, объединяются в особую группу, так как они могут возбуждаться механическими, химическими, электрическими и температурными раздражителями.

Чаще всего рецепторы представляют собой клетку, снабженную подвижными волосками или ресничками (подвижными антеннами), обеспечивающими чувствительность рецепторов.

Информация, полученная рецепторами, передается по нервным путям в центральные отделы головного мозга для переработки и принятия решения и только затем направляется к соответствующим исполнительным органам. Иногда поступающая информация сразу направляется с рецептора на исполнительные органы, минуя центральную нервную систему (ЦНС). Такой принцип передачи информации заложен в основу многих безусловных рефлексов (врожденных, наследственно передающихся). Например, сокращение мышц конечностей, раздражаемых электрическим током, теплотой или химическими веществами, приводит к отстранению конечности от раздражителя. Совокупность нескольких безусловных рефлексов составляет инстинкт.

Путь нервного импульса от рецептора через ЦНС до исполнительного органа называется рефлекторной дугой (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема рефлекторной дуги

1 – Е, энергия раздражителя (сигнал, информация); 2 – рецептор; 3 и 5 – нервные волокна; 4 – центральная нервная система; 6 – исполнительный орган; 7 – путь безусловного рефлекса;

8 –обратная связь

Условные рефлексы непостоянны, вырабатываются на базе безусловных и формируются на основе приобретенного опыта, при длительном воздействии раздражителя.

Человек обладает рядом органов чувств, обеспечивающих восприятие действующих на организм раздражителей из окружающей среды.

В зависимости от специфики принимаемых сигналов различают следующие анализаторы:

Внешние - зрительный (рецептор - глаз); слуховой (рецептор - ухо); тактильный, болевой, температурный (рецепторы кожи); обонятельный (рецептор в носовой полости); вкусовой (рецепторы на поверхности языка и нёба).

Внутренние - анализатор давления; кинестетический (рецепторы в мышцах и сухожилиях); вестибулярный (рецептор в полости уха); специальные, расположенные во внутренних органах и полостях тела.

Рассмотрим основные параметры анализаторов.

1. Абсолютная чувствительность к интенсивности сигнала (абсолютный порог ощущения по интенсивности) - характеризуется минимальным значением воздействующего раздражителя, при котором возникает ощущение. В зависимости от вида раздражителя абсолютный порог измеряется в единицах энергии, давления, температуры количества или концентрации вещества и т.п. Минимальную адекватно ощущаемую интенсивность сигнала принято называть нижним порогом чувствительности.

Психофизическими опытами установлено, что величина ощущений изменяется медленнее, чем сила раздражителя. Интенсивность ощущений Е выражается логарифмической зависимостью (закон Вебера-Фехнера)

E = K × lgJ + С,

где J - интенсивность раздражителя; К и С - константы, определяемые данной сенсорной системой.

2. Предельно допустимая интенсивность сигнала (обычно близка к болевому порогу). Максимальную адекватно ощущаемую величину сигнала принято называть верхним порогом чувствительности.

3. Диапазон чувствительности к интенсивности - включает все переходные значения раздражителя от абсолютного порога чувствительности до болевого порога.

4. Дифференциальная (различительная) чувствительность к изменению интенсивности сигнала - это минимальное изменение интенсивности сигнала, ощущаемое человеком. Различают абсолютные дифференциальные пороги, характеризуемые значением DJ, и относительные, выражаемые в процентах: DJ/J × 100 %, где J - исходная интенсивность.

5.Дифференциальная (различительная) чувствительность к изменению частоты сигнала - это минимальное изменение частоты F сигнала, ощущаемое человеком. Измеряется аналогично дифференциальному порогу по интенсивности - либо в абсолютных единицах D F, либо в относительных - D F/F × 100 %.

6. Границы (диапазон) спектральной чувствительности (абсолютные пороги ощущений по частоте, длине волны) определяются для анализаторов, чувствительных к изменению частотных характеристик сигнала (зрительного, слухового, вибрационного), отдельно нижний и верхний пороги.

7. Пространственные характеристики чувствительности специфичны для каждого анализатора.

8. Для каждого анализатора характерна минимальная длительность сигнала, необходимая для возникновения ощущений. Время, проходящее от начала воздействия раздражителя до появления ответного действия на сигнал (сенсомоторная реакция), называют латентным периодом.

Величина латентного периода (с) для различных анализаторов следующая:

тактильный (прикосновение) ………….. 0,09..0,22

слуховой (звук).................... ………………… 0,12...0,18

зрительный (свет) ………………………….. 0,15...0,22

обонятельный (запах).......... ………………… 0,31...0,39

температурный (тепло-холод)……………… 0,28...1,6

вестибулярный аппарат (при вращении)….. 0,4

болевой (рана)...................... ………………… 0,13..0,89

9. Адаптация (привыкание) и сенсибилизация (повышение чувствительности) - характеризуются временем и присущи каждому типу анализаторов.

Назначение анализаторов:

- Зрительный анализатор обеспечивает восприятие световых раздражений с помощью светочувствительных клеток: палочек и колбочек, расположенных в сетчатке глаза.

- Слуховой анализатор обеспечивает восприятие звуковых колебаний с помощью чувствительных окончаний слухового нерва, раздражаемых колебаниями волосков кортиева органа в улитке уха.

- Двигательный анализатор обеспечивает восприятие сокращения и расслабления мышц с помощью механорецепторов в тканях тела.

- Вестибулярный анализатор обеспечивает информацию о положении тела в пространстве с помощью механорецепторов полости внутреннего уха.

- Болевая чувствительность обеспечивает восприятие различных раздражителей большой силы с помощью свободных окончаний болевых нервных волокон в коже и внутренних органах.

- Температурная чувствительность обеспечивает восприятие дифференциального изменения температуры кожи и слизистых оболочек с помощью холодовых и тепловых рецепторов.

- Тактильная чувствительность (прикосновение, давление, вибрация) обеспечивается рецепторами в кожных покровах и слизистых оболочках.

- Обонятельный анализатор обеспечивает восприятие запахов с помощью обонятельных клеток, расположенных в желтом эпителии носовой раковины.

- Вкусовой анализатор обеспечивает восприятие кислого, соленого, сладкого, горького с помощью хеморецепторов - вкусовых луковиц, расположенных на языке, в слизистой оболочке неба, гортани, глотки, миндалин.

- Интерорецепторы обеспечивают восприятие изменений во внутренней среде организма с помощью механо-, хемо-, термо-, ноци-, осмо- и барорецепторов, расположенных во внутренних органах, стенках полостей тела и кровеносных сосудов.

Функции анализаторов:

1) информация о внешней и внутренней среде человека;

2) координация двигательной деятельности;

3) предупреждение организма об опасности.

Условия нормального функционирования анализаторов:

1) определенный диапазон порогов ощущения (раздражения);

2) постоянное поступление раздражений с периодическим (цикличным) изменением их интенсивности;

3)оптимальный уровень ощущения (раздражения) при длительном воздействии с возможным его изменением при сокращении времени действия.

Характеристика зрительного анализатора. В процессе деятельности человек до 90 % всей информации получает через зрительный анализатор. Прием и анализ информации происходит в световом диапазоне (380…760 нм) электромагнитных волн.

Органы зрения играют исключительно важную роль в жизни человека. Благодаря зрению мы познаем форму, величину, цвет предмета, направление и расстояние, на котором он находится. Зрительный анализатор - это глаза, зрительные нервы и зрительный центр, располагающийся в затылочной доле коры головного мозга.

Глаз -это сложная оптическая система. Глазное яблоко имеет форму шара с тремя оболочками: наружная, называется склерой, а ее передняя прозрачная часть - роговицей. Внутрь от склеры расположена вторая - сосудистая оболочка. Ее передняя часть, лежащая за роговицей, называется радужкой, в центре которой имеется отверстие - зрачок. Позади радужной оболочки, напротив зрачка, расположен хрусталик, который можно сравнить с двояковыпуклой линзой. За хрусталиком, заполняя всю полость глаза, находится стекловидное тело.

Лучи света, попадая в глаз, проходят через роговицу, хрусталик и стекловидное тело, т. е. через три преломляющие, оптические, прозрачные среды и попадают на внутреннюю оболочку глаза - сетчатку. Она выстилает только заднюю половину глаза, в ней находятся светочувствительные рецепторы - палочки (130 млн шт.) и колбочки (7 млн шт.). Функции палочек и колбочек различны. Колбочки обеспечивают так называемое «дневное» зрение, они позволяют четко различать мелкие детали. Цветное зрение осуществляется исключительно через колбочки. Палочки цвета не воспринимают и дают черно-белое изображение.

Свет, попавший в глаз, воздействует на фотохимическое вещество палочек и колбочек и разлагает его. При определенной концентрации продукты распада раздражают нервные окончания, расположенные в палочках и колбочках. Возникающие при этом импульсы по волокнам зрительного нерва поступают в головной мозг, и мы видим цвет, форму и величину предметов.

Существует множество аномалий зрения. Есть среди них и такие, которые связаны с дефектами фоторецепторов и обусловливают цветовую и ночную («куриную») слепоту.

Цветовая слепота, называемая также дальтонизмом, - аномалия, которой страдают 5 % всех людей, главным образом, мужчины. Дальтонизм обусловлен выпадением функций колбочек одного из трех типов - чаще всего тех, которые чувствительны к световым волнам, соответствующим красному или зеленому цвету. Больной неспособен различать цвета, воспринимаемые здоровым человеком как «красный» и «зеленый». При этом его цветовое зрение ограничивается более или менее темными оттенками желтого, синего и серого цветов.

На 1 млн. людей приходится 25 человек, вообще не различающих цвета. Возможно, что это нарушение возникает в самом раннем детстве вследствие заболевания или же развивается в результате отравления загрязняющими веществами, а также может быть обусловлено наследственным дефектом.

Ночная слепота обусловлена нарушением функций палочек, которые, как уже отмечалось, являются единственными фоточувствительными элементами сетчатки, способными функционировать при слабом освещении. Это нарушение может возникнуть по многим причинам, самая обычная из которых - недостаток витамина А, необходимого для восстановления зрительного пигмента палочек.

При оценке восприятия пространственных характеристик основным понятием является острота зрения, которая характеризуется минимальным углом, под которым две точки видны как раздельные. Острота зрения зависит от освещенности, контрастности, формы объекта и других факторов. При оптимальной освещенности (100 - 700 лк) порог разрешения составляет от 1 град до 5 мин. При уменьшении контрастности острота зрения снижается.

Точное восприятие зрительных сигналов и четкое различение деталей возможно только в центральной части поля зрения размером 3 град от оси во все стороны.

Глубинное зрение связано с восприятием пространства. Ошибка восприятия абсолютной удаленности составляет 12 % при дистанции 30 м. Восприятие пространства-формы, объема, величины и взаимного расположения объектов, их рельефа, удаленности и направления, в котором они находятся, достигается за счет бинокулярного зрения двумя глазами.

Характеристика слухового анализатора. С помощью звуковых сигналов человек получает до 10 % информации. Раздражители, вызывающие слуховые ощущения, представляют собой волны, которые образуются в результате колебаний частиц воздуха. Вибрации какого-либо предмета вызывают поочерёдное образование уплотненных и разреженных зон воздуха, которые затем в виде последовательных механических волн распространяются в пространстве.

Функция уха заключается в преобразовании этих колебаний в нервные импульсы. Слуховое ощущение зависит главным образом от характеристик звуковой волны. Так, громкость звука определяется амплитудой волны, а его высота - частотой колебаний.

Звуковые волны попадают в слуховой проход, приводят в движение барабанную перепонку и через цепь слуховых косточек передаются в полость улитки внутреннего уха. Колебания жидкости в канале улитки передаются волокнам основной перепонки кортиева органа в резонанс тем звукам, которые поступают в ухо. Нервный импульс, возникающий при этом, передается в соответствующий отдел головного мозга, где синтезируется соответствующее слуховое представление.

Характерными особенностями слухового анализатора являются:

- способность быть готовым к приему информации в любой момент времени;

- способность воспринимать звуки в широком диапазоне частот и выделять необходимые;

- способность устанавливать со значительной точностью месторасположение источника звука.

Наиболее часто слуховые сигналы применяются для сосредоточенного внимания человека-оператора (предупредительные сигналы и сигналы опасности), для передачи информации человеку-оператору, находящемуся в положении, не обеспечивающем ему достаточной для работы видимости объекта управления, приборной панели и т. п., а также для разгрузки зрительной системы.

Характеристики кожных анализаторов. Контакт человека с внешним предметом может вызывать ощущения четырех типов, способные объединяться в комплексные восприятия. Это ощущение давления, тепла, холодаи боли. Свободные нервные окончания разбросаны по всей поверхности кожи и реагируют на температуру и давление либо сразу на оба этих воздействия. Рецепторы, расположенные в более глубоких слоях кожи (инкапсулированные нервные окончания и окончания, оплетающие основания волосяных фолликулов), воспринимают главным образом давление.

Говоря о температурных рецепторах, следует отметить, что на теле имеются точки, чувствительные только к теплу или только к холоду. Они активируются в зависимости от температуры кожи: если кожа разгорячена, всякий более холодный предмет будет казаться холодным, пусть даже его температура сравнительно высока. И наоборот, предмет, температура которого выше температуры кожи, будет казаться теплым. Таким образом, тепло и холод - понятия весьма относительные.

Тактильные ощущения возникают в результате передачи информации различными кожными рецепторами при их контакте с предметом. Например, когда рука скользит по предмету с гладкой поверхностью, возбуждаются все рецепторы, и все они одинаковым образом сообщают головному мозгу о своем возбуждении. Напротив, скольжение руки по шероховатой поверхности в каждый данный момент ведет к возбуждению лишь определенной группы рецепторов, которые, по мере того как рука продвигается по неровностям, сменяются другими, в результате чего мозг получает информацию о характерных особенностях поверхности предмета.

Чувствительность к прикосновению. Ощущение, возникающее при действии на кожную поверхность различных механических стимулов (прикосновение, давление), вызывающих деформацию кожи. Ощущение возникает только в момент деформации.

Абсолютный порог тактильной чувствительности определяется по тому минимальному давлению предмета на кожную поверхность, которое производит едва заметное ощущение прикосновения. Наиболее высоко развита чувствительность на дистальных частях тела. Примерные пороги ощущений: для кончиков пальцев руки - 3 г/мм²; на тыльной стороне пальца - 5 г/ мм²; на тыльной стороне кисти - 12 г/ мм²; на животе - 26 г/мм²; на пятке - 250 г/ мм². Порог различения в среднем равен примерно 0,07 исходной величины давления.

Тактильный анализатор обладает высокой способностью к пространственной локализации. При последовательном воздействии одиночных раздражителей ошибка в локализации колеблется в пределах 2…8 мм. Характерной особенностью тактильного анализатора является быстрое развитие адаптации, т.е. исчезновение чувства прикосновения или давления. Время адаптации зависит от силы раздражителя и для различных участков тела может изменяться в пределах от 2 до 20 с.

Вибрационная чувствительность обусловлена теми же рецепторами, что и тактильная, поэтому топография распределения вибрационной чувствительности по поверхности тела аналогична тактильной.

Диапазон ощущения вибрации высок: от 5 до 12 000 Гц. Наиболее высока чувствительность к частотам 200…250 Гц. При их увеличении и уменьшении вибрационная чувствительность снижается. В этом случае пороговая амплитуда вибрации минимальна и равна 1 мкм.

Пороги вибрационной чувствительности различны для различных участков тела. Наибольшей чувствительностью обладают дистальные участки тела человека, т. е. которые наиболее удалены от его медиальной плоскости (например, кисти рук).

Кожная чувствительность к боли. Болевые ощущения возникают при слишком сильном возбуждении свободных нервных окончаний в результате повреждения тканей.

Каждый микроучасток кожи обладает наибольшей чувствительностью к тем раздражителям (сигналам), для которых на этом участке имеется наибольшая концентрация соответствующих рецепторов - болевых, температурных и тактильных. Так, плотность размещения составляет на тыльной части кисти - 188 болевых, 14 осязательных, 7 холодовых и 0,5 тепловых на квадратный сантиметр поверхности; на грудной клетке - соответственно 196, 29, 9 и 0,3.

Воздействие в этих точках даже не специфическим, но достаточно сильным раздражителем независимо от его характера вызывает специфическое ощущение, обусловленное типом рецептора. Например, интенсивный тепловой луч, попадая в точку боли, вызывает ощущение боли.

Биологический смысл боли состоит в том, что она, являясь сигналом опасности, мобилизует организм на борьбу за самосохранение. Под влияем болевого сигнала перестраивается работа всех систем организма и повышается его реактивность.

Болевой порог при механическом давлении на кожу измеряется в единицах давления и зависит от места измерений. Например, порог болевой чувствительности кожи живота составляет 15…20 г/мм²; кончиков пальцев - 300 г/мм². Латентный период - около 370 мс. Критическая частота слияния дискретных болевых раздражителей - 3 Гц.

Пороговая плотность потока тепла, вызывающего болевое ощущение, составляет 88 Дж/(м × с).

Температурная чувствительность свойственна организмам, обладающим постоянной температурой тела, обеспечиваемой терморегуляцией. Температура кожи несколько ниже температуры тела и различна для отдельных участков: на лбу - 34…35°С, на лице 20…25 °С, на животе - 34 °С, стопах ног - 25…27 °С. Средняя температура свободных от одежды участков кожи равна 30…32 °С.

Коже присущи два вида рецепторов. Одни реагируют только на холод, другие - только на тепло.

Пространственные пороги зависят от стимулирующих факторов: при контактном воздействии, например, ощущение возникает уже на площади в 1 мм², при лучевом - начиная с 700 мм². Латентный период температурного ощущения равен примерно 0,20 с. Абсолютный порог температурной чувствительности определяется по минимальному ощущаемому изменению температуры участков кожи относительно физиологического нуля, т.е. собственной температуры данной области кожи, адаптировавшейся к внешней температуре. Физиологический нуль для различных областей кожи может быть достигнут при температурах среды между 12…18 °С и 41…42 °С. Для тепловых рецепторов абсолютный порог составляет примерно 0,2°С, для холодных - 0,4 °С. Порог различительной чувствительности составляет примерно 1°С.

Кинестетический анализатор. Чувство положения тела и движения конечностей в пространстве обеспечивают сигналы, приходящие в мозг от рецепторов двух типов. Рецепторы первого типа представлены мышечными веретенами, находящимися внутри мышц, и рецепторами Гольджи, расположенными в сухожилиях; они посылают в нервные центры сигналы о степени растяжения или сокращения мышцы.

Рецепторы второго типа находятся в суставах и посылают в мозг непрерывные сигналы о взаимном расположении различных частей тела.

Возможности двигательного аппарата представляют определенную значимость при конструировании защитных устройств, органов управления, когда необходимо обеспечить энергетическую совместимость человека с машиной.

Обонятельный анализатор. Обоняние - это единственный вид ощущения, обусловленный прямой передачей информации в кору, минуя промежуточные низшие центры головного мозга.

В каждой половине носовой полости, в ее верхней части, насчитывается около 30 млн. рецепторных клеток, ответственных за распознавание присутствующих в воздухе пахучих веществ. Между тем до сих пор мало что известно о том, как происходит такое распознавание. Теоретически различают семь основных групп запахов. Запах может быть эфирным (ацетон), камфорным (нафталин), мускусным (мускус), цветочным (запах розы), ментоловым (мята), острым (уксус) или гнилостным (запах тухлого яйца). Чтобы объяснить, каким образом мозг распознает запахи, было выдвинуто предположение, что каждая клетка функционирует как замок, к которому подходит только один ключ, соответствующий специфическому типу молекул определенной формы и величины. Было показано, что иногда молекулы со сходной структурой вызывают разные обонятельные ощущения.

Абсолютный порог обоняния измеряется долями миллиграмма вещества на литр воздуха. Запахи могут сигнализировать человеку о нарушениях в ходе технологических процессов и об опасностях.

Вкусовой анализатор. Традиционно различают четыре типа вкусовых ощущений: сладкое, кислое, соленое и горькое, которые воспринимаются определенными участками языка с помощью примерно тысячи вкусовых сосочков.

Эти сосочки представляют собой небольшие выступы, окруженные ямкой, и расположены на поверхности языка, включая заднюю его часть. В каждой ямке насчитывается от 10 до 15 вкусовых почек, содержащих по 15…20 рецепторных клеток. Каждая из таких клеток обладает специфической чувствительностью только к определенным молекулам, и в одной и той же почке могут быть клетки, чувствительные к молекулам разного типа.

Жизнь рецепторных клеток сравнительно коротка. Через четыре дня они фактически деградируют, так что их популяция во вкусовых почках полностью обновляется каждые 7 дней.

Абсолютные пороги вкусового анализатора выражаются в величинах концентраций раствора, и они примерно в 10 000 раз выше, чем обонятельного. Различная чувствительность вкусового анализатора довольно груба, в среднем она составляет 20 %. Восстановление вкусовой чувствительности после воздействия различных раздражителей заканчивается через 10…15 мин.

Для организма важен анализ не только внешнего мира, но и то, что происходит в нем самом. Кроме перечисленных внешних анализаторов существуют анализаторы внутренние, которые сигнализируют о деятельности внутренних органов, о состоянии нашей внутренней среды. Постоянство внутренней среды - условие нормального существования организма. В настоящее время под внутренней средой принято считать: кровь (точнее, плазму крови), лимфу и межклеточную жидкость.

Можно назвать несколько параметров внутренней среды, поддержание которых особенно важно для жизни. Это содержание кислорода, углекислого газа, водородных ионов, ряда минеральных веществ (натрия, магния, кальция и др.), артериального давления, температуры и др. Диапазон колебаний этих параметров очень велик. Благодаря такому строгому постоянству внутренней среды человек может находиться в различных условиях внешней среды.

Естественные системы защиты организма. В организме человека функционирует ряд естественных защитно-приспособительных систем, обеспечивающих его безопасность, сохранение постоянства внутренней среды и адаптацию к условиям существования. К ним относят некоторые органы чувств: глаза, уши, нос; костно-мышечную систему; кожу; кровь; систему иммунной защиты, боль, а также защитно-приспособительные реакции, такие как воспаление и лихорадка. Например, глаза имеют веки - две кожно-мышечные складки, закрывающие глазное яблоко при смыкании. Веки защищают глаза, рефлекторно предохраняя орган зрения от чрезмерного светового потока и механического повреждения, способствуют увлажнению их поверхности и удалению со слезой инородных тел. Уши при чрезмерно громких звуках обеспечивают защитную реакцию: две самые маленькие мышцы нашего среднего уха резко сокращаются, и три самые маленькие косточки (молоточек, наковальня и стремечко) перестают колебаться совсем. Наступает блокировка, и система косточек не пропускает во внутреннее ухо чрезмерно сильные звуковые колебания. Скрытый период возникновения акустического рефлекса приблизительно равен 10 мс.

Чихание относится к группе защитных реакций и представляет форсированный выдох через нос (при кашле - форсированный выдох через рот). Благодаря высокой скорости воздушная струя уносит из полости носа попавшие туда инородные тела и раздражающие агенты.

Слезотечение возникает при попадании раздражающих веществ на слизистую оболочку верхних дыхательных путей: носа, носоглотки, трахеи и бронхов. Слеза выделяется не только наружу, но и попадает через слезоносный канал в полость носа, смывая тем самым раздражающее вещество (поэтому «хлюпают» носом при плаче).

Боль возникает при нарушении нормального течения физиологических процессов в организме при раздражении рецепторов при повреждении органов и тканей вследствие воздействия вредных факторов. Боль является сигналом опасности для организма и одновременно боль - это защитное приспособление, вызывающее специальные защитные рефлексы и реакции. Субъективно человек воспринимает боль как тягостное, гнетущее ощущение. Объективно боль сопровождается некоторыми вегетативными реакциями (расширение зрачков, повышение кровяного давления, бледность кожных покровов лица и др.). При боли увеличивается выделение биологически активных веществ (например, в крови увеличивается концентрация адреналина). Боль заставляет человека принять меры для сохранения здоровья.

Лихорадка, повышение температуры - тоже защитная реакция организма. Некоторые микроорганизмы (кокки, спирохеты) и вирусы гибнут при повышении температуры, так как активизируются ферменты, способствующие подавлению воспроизводства вирусов.

Метод искусственного повышения температуры (пиротерапия) повышает устойчивость организма, применяется для ускорения заживляющих процессов после травм, ожогов, для рассасывания рубцов, спаек, при некоторых нервных заболеваниях и при онкологии.

Однако длительное повышение температуры выше 40,5 °С отрицательно влияет на человека, вызывая дополнительную нагрузку на сердечно-сосудистую систему, денатурацию (разрушение) некоторых жизненно важных белков.

Поверхностные покровы человека (кожа и слизистые оболочки) являются барьером для проникновения микроорганизмов. На чистой коже через 10...12 мин гибнут все микроорганизмы, грязная кожа не обладает такими свойствами. Слизистые оболочки дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта защищены от микроорганизмов секретами этих желез.

Во рту защитой является слюна, содержащая лизоцим, обладающий бактерицидными свойствами. В желудке антибактериальным и противогрибковым действием обладает соляная кислота. Каждый день с твердыми отходами человек теряет 10 г болезнетворных бактерий, для которых слизистая оболочка кишечника оказалась непроницаемой. Печень обезвреживает ядовитые вещества, образующиеся в организме и поступающие из желудочно-кишечного тракта в организм человека. В крови, лимфе и тканевой жидкости находятся «гуморальные факторы защиты» - это антитела, биологически активные вещества и гормоны. При недостаточности гормонов щитовидной железы и надпочечников ослабляются защитные силы организма.

Еще один пример естественной системы защиты - движение. Активное движение нередко приглушает душевную и физическую боль. Этот механизм бдительно стоит на страже нервного благополучия, готовый в случае надобности защитить мозг от слишком большого горя и слишком большой радости.

Воспаление - патологический процесс, эволюционно сформировавшийся как защитно-приспособительная реакция организма на воздействие патогенных факторов. Организм активно локализует очаг повреждения с помощью так называемого «защитного вала», препятствуя распространению вредного раздражителя. Чем более локально протекает реакция воспаления, тем благоприятнее исход для организма.

Фагоцитоз - тоже эволюционно выработанная защитно-приспособительная реакция организма, заключающаяся в узнавании, активном поглощении и переваривании микроорганизмов, инородных частиц, разрушенных клеток специализированными клетками фагоцитами. Поглощая чужеродные тела и поврежденные клетки, фагоциты гибнут в больших количествах, превращаясь в гной.

В организме человека функционирует система иммунной защиты. Иммунитет - это свойство организма, обеспечивающее его устойчивость к действию чужеродных белков, болезнетворных (патогенных) микробов и ядовитых продуктов. Иммунитет - способность организма защищать собственную целостность и биологическую индивидуальность. Иммунитет защищает от инфекционных заболеваний, уничтожает раковые клетки, отторгает чужеродные ткани. Защитные функции иммунитета осуществляются лимфоидной системой. В ее состав входят: костный мозг, вилочковая железа (тимус), селезенка, лимфатические узлы и пейеровы (лимфоидные) бляшки кишечника.

Различают естественный и искусственный иммунитет. Естественный иммунитет может быть врожденный и приобретенный. Врожденный иммунитет наследуется потомством от родителей (люди с рождения имеют в крови антитела), это видовой признак, например люди не заражаются чумой рогатого скота. Приобретенный иммунитет вырабатывается после попадания в кровь чужеродных белков. Например, после перенесения инфекционного заболевания (корь, ветрянка и др.).

2.3. Характеристика системы «человек – машина»

Любая производственная система (высокомеханизированная или маломеханизированная) представляет собой систему «человек - машина». Важнейшим элементом системы является человек. Безопасность системы зависит не только от человека, но и таких показателей как надежность машины, степень согласованности характеристик человека и машины (человеческий фактор).

Надежность машины - это свойство машины выполнять заданные функции, т.е. сохранять свое назначение и предусмотренные условиями эксплуатации показатели в течение требуемого промежутка времени. Надежность определяется совокупностью трех факторов: безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью.

Как бы ни была совершенна техника, ее эффективное безопасное применение в конечном итоге зависит от того, насколько полно согласованы конструктивные параметры этой техники с оптимальными условиями работы оператора, с его психофизиологическими возможностями и особенностямиорганизма.

Эргономика - научная дисциплина, изучающая человека и его деятельность в процессе современного производства с целью оптимизации орудий, процессов и условий труда, создания таких условий, которые делают труд более эффективным и обеспечивают необходимый комфорт для человека. Для эргономики характерен системный подход к решению перечисленных вопросов.

Эргономика стремится приспособить технику к человеку, чтобы его деятельность была и эффективной и комфортной. Другими словами, речь идет об определенной совместимости характеристик человека, техники и производственной среды, хотя этого и не всегда удается достичь.

Выделяют пять видов совместимостей, обеспечение которых гарантирует успешное функционирование системы: информационная, биофизическая, энергетическая, пространственно-антропометрическая и технико-эстетическая.

1. Информационная совместимость. В сложных системах оператор обычно непосредственно не управляет технологическими процессами. Зачастую он удален от места их выполнения на значительные расстояния. Объекты управления могут быть невидимы, неосязаемы, неслышимы. Оператор видит показания приборов, экранов мнемосхем, слышит сигналы, свидетельствующие о ходе процесса. Все эти устройства называют средствами отображения информации (СОИ). При необходимости оператор пользуется рычагами, ручками, кнопками, выключателями и другими органами управления, в совокупности образующими сенсомоторное поле. СОИ и сенсомоторные устройства – так называемая информационная модель машины (комплекса). Через нее оператор и осуществляет управление самыми сложными системами. Задача эргономики состоит в том, чтобы обеспечить создание такой информационной модели, которая отражала бы все нужные характеристики машины в данный момент и в то же время позволяла оператору безошибочно принимать и перерабатывать информацию, не перегружая его внимание и память. Эта задача очень сложная. От ее решения зависят безопасность, точность, качество, производительность труда операторов.

Информационная совместимость должна соответствовать возможностям человека по приему и переработке всего потока закодированной информации и эффективному приложению управляющих воздействий к системе.

Например, у летчика, управляющего самолетом, за последние 30 лет количество средств контроля и управления в кабине самолета увеличилось в 10 раз (на современном авиалайнере их более 600). По данным мировой статистики, каждые два из трех летных происшествий происходят из-за летного состава. И это не просто ошибки человека, вызванные растерянностью или низкой квалификацией. Большинство из них объясняется тем, что необходимые действия лежат за пределами возможностей человека.

Количество информации принято измерять в двоичных знаках - битах. У человека поток информации через зрительный рецептор равен 10⁸...10⁹ бит/с. Нервные пути пропускают 2×10⁶ бит/с, до сознания доходит около 50 бит/с, в памяти прочно удерживается 1 бит/с.

За 80 лет жизни память человека удерживает информацию порядка 10⁹ бит/с, но мозгом оценивается не вся, а наиболее важная информация. Для управления поведением человека и активностью его функциональных систем (т.е. выходной информацией, идущей из мозга) достаточно около 10⁷ бит/с с подключением программ, содержащихся в памяти.

Получение информации о многих процессах в управляемом объекте во внешней среде - одна из важнейших функций оператора сложных систем. Данные, поступающие по каналам связи от управляемого объекта и внешней среды, отображаются на различных устройствах (стрелочные приборы, экраны осциллографов и т.п.), образующих «информационную модель», - непосредственный источник информации для оператора, принимающего решение.

Основная трудность опосредованного управления - не только быстро «считывать», т.е. правильно определять показания приборов, но и быстро (иногда молниеносно) обобщать поступающие данные, мысленно представлять взаимосвязь между показаниями приборов и реальной действительностью. Это значит, что оператор на основании показаний приборов (информационной модели) должен создать в своем сознании внутреннюю (концептуальную) модель управляемого объекта и окружающей среды.

Так, например, летчик при полете по приборам в среднем 86 раз в минуту переключает внимание с одного прибора на другой, а на некоторых этапах интенсивность переключения взгляда достигает 150 и даже 200 раз.

2. Биофизическая совместимость. Подразумевает создание такой окружающей среды, которая обеспечивает приемлемую работоспособность и нормальное физиологическое состояние оператора. Эта задача стыкуется с требованиями безопасности труда. Предельные значения для многих факторов окружающей среды установлены законодательством, но они не всегда увязаны с функциональными задачами оператора. Поэтому при разработке машин или технологических процессов появляется необходимость специального исследования параметров шума, вибрации, освещенности, воздушной среды и т.д.

Биофизическая совместимость человека и системы состоит в достижении разумного компромисса между физиологическим состоянием и работоспособностью человека, с одной стороны, и различными факторами, характеризующими систему с учетом объема, качества выполняемых им задач и продолжительности работы - с другой. Здесь должны быть обоснованы и выбраны номинальные и предельные значения отдельных воздействий на организм человека с целью обеспечения минимальной опасности и максимально возможной производительности.

3. Энергетическая совместимость предусматривает согласование органов управления машиной с оптимальными возможностями человека в отношении прилагаемых усилий, затрачиваемой мощности, скорости и точности движений.

Силовые и энергетические параметры человека имеют определенные границы. Для приведения в действие сенсомоторных устройств (рычагов, кнопок, переключателей и т. п.) могут потребоваться очень большие или чрезвычайно малые усилия. И то и другое плохо. В первом случае человек будет уставать, что может привести к нежелательным последствиям в управляемой системе. Во втором случае возможно снижение точности работы системы, так как человек не почувствует сопротивления рычагов.

Возможности двигательного аппарата представляют определенный интерес при конструировании защитных устройств и органов управления. Сила сокращения мышц человека колеблется в широких пределах. Например, номинальная сила кисти в 450…650 Н при соответствующей тренировке может быть доведена до 800 Н. Сила сжатия в среднем равная 550 Н для правой и 450 Н для левой руки, может увеличиваться в два раза и более. В табл. 2.2 приведены значения оптимальных усилий на органы управления.

4. Антропометрическая совместимость предполагает учет размеров тела человека, возможности обзора внешнего пространства, положения оператора в процессе работы (сидя или стоя) для определения объема рабочего места, зоны досягаемости для конечностей оператора и др. с целью создания комфортных условий труда и снижения утомляемости.

Таблица 2.2

Механические усилия и возможности человека

Вид нагрузки	Величина усилия
Максимальная нагрузка на костно-мышечную систему	167×107 Па
Средняя сила бицепса правой руки: мужчины женщины	380 Н 220 Н
Номинальная сила кисти	450 Н
Сила сжатия пальцев руки	500 Н
Оптимальные усилия: нажатия тумблеров, кнопок ножных педалей рычагов ручного управления рукояток	1,4…12 II До 300 Н До 160 Н До 100 Н
Скорость движения рук	0,01…8000 см/с

Антропометрические характеристики определяются общими размерами тела человека и его отдельных частей и используются для проектирования наиболее рациональных, удобных и безопасных орудий труда. Они позволяют рассчитывать пространственную организацию рабочего места, устанавливать зоны досягаемости и видимости, размеры конструктивных параметров рабочего места и приспособлений. Для этого часть пространства рабочего места, в котором осуществляются трудовые процессы, должнабыть разделена на рабочие зоны. Величину рабочей зоны и соотношение между антропометрическими характеристиками человека и пространственной организацией рабочих мест решает наука эргономика.

Антропометрические характеристики делятся на динамические и статические. Динамические характеристики используются для определения объема рабочих движений, зон досягаемости и видимости. По ним рассчитывают пространственную организацию рабочего места.

Статические - могут быть линейными и дуговыми. В зависимости от ориентации тела в пространстве линейные размеры делятся на продольные (высота различных точек над полом или сиденьем), поперечные (ширина плеч, таза и т.п.), передне-задние (передняя досягаемость рук и др.).

Эргономика проводит исследования рабочих поз. Рабочая поза «стоя» требует больших энергетических затрат и менее устойчива из-за поднятого центра тяжести, поэтому при этой позе быстрее наступает утомление.

Рабочая поза «сидя» имеет целый ряд преимуществ: резко уменьшается высота центра тяжести над точкой опоры, благодаря чему возрастает устойчивость тела. Значительно сокращаются энергетические затраты организма для поддержания такой позы, вследствие чего она является менее утомительной. Однако длительные статические напряжения мышц могут вызвать быстрое утомление, снижение работоспособности, профзаболевания (искривление позвоночника, расширение вен, плоскостопие) и привести к травматизму. Статичная поза утомительнее, нежели динамическая.

Рабочую зону, удобную для действия обеих рук, нужно совмещать с зоной, удобной для охвата человеческим взором.

Технико-эстетическая совместимость заключается в обеспечении удовлетворенности человека от общения с техникой, цветового климата, от процесса труда. Всем знакомо положительное ощущение при пользовании изящно выполненным прибором или устройством. Для решения многочисленных и чрезвычайно важных технико-эстетических задач эргономика привлекает художников-конструкторов, дизайнеров.

Таким образом, безопасность и эффективность системы «человек – машина» определяется надежностью машины, качеством подготовки оператора, влиянием окружающей внешней среды и степенью согласованности характеристик человека и машины в конкретной системе «человек – машина». Анализ и учет человеческого фактора - обязательное условие при разработке системы «человек – машина».