Системы восприятия и компенсации организма человека

Любая деятельность человека основывается на постоянном приеме и анализе информации о характеристиках внешней среды и состоянии внутренних систем организма. Этот процесс осуществляется с помощью анализаторов - подсистем центральной нервной системы, обеспечивающих прием и анализ информационных сигналов. В зависимости от специфики принимаемых сигналов различают следующие анализаторы.

Внешние: зрительный, слуховой, тактильный, болевой, температурный, обонятельный, вкусовой.

Внутренние: анализатор давления, кинетический, вестибулярный и специальные, расположенные во внутренних органах и полостях тела.

Анализаторы характеризуются следующими основными параметрами: абсолютная чувствительность (абсолютный порог ощущения) - характеризуется минимальным значением воздействующего раздражителя, при котором возникает ощущение; в зависимости от вида раздражителя абсолютный порог может измеряться в единицах энергии, давления, температуры, концентрации вещества и т. д. Минимальную адекватно ощущаемую интенсивность сигнала принято называть порогом чувствительности.

Психофизиологическими исследованиями установлено, что при увеличении интенсивности воздействия раздражителя, величина ощущений изменяется медленнее, чем растет уровень воздействия. Связаны эти процессы между собой логарифмической зависимостью. Например, для того, чтобы звук показался в два раза громче, звуковое давление необходимо увеличить в десять раз.

Предельно-допустимая интенсивность сигнала (обычно близка к болевому порогу), измеряется в тех же единицах, что и абсолютная чувствительность.

Адаптация (привыкание) и сенсибилизация (повышение чувствительности) присущи каждому типу анализаторов. Например, если уровень звука недостаточен для нормального восприятия, мозг дает команду слуховому аппарату повысить чувствительность. Если же уровень звука слишком высокий - чувствительность снижается.

Функционирование различных анализаторов существенно изменяется под влиянием неблагоприятных для человека условий. Низкие и высокие температуры, вибрация, шум, перегрузки, слишком интенсивные потоки информации, ведущие к дефициту времени, утомление, вызванное длительной работой или неблагоприятными условиями, состояние стресса - все эти факторы вызывают различные изменения характеристик анализаторов.

Рассмотрим основные характеристики анализаторов человека. Целесообразная и безопасная деятельность человека основывается на постоянном приеме и анализе информации о характеристиках внешней среды и внутренних системах организма. Этот процесс осуществляется с помощью анализаторов — подсистем центральной нервной системы (ЦНС), обеспечивающих прием и первичный анализ информационных сигналов. Информация, поступающая через анализаторы, называется сенсорной (от лат. sensus — чувство, ощущение), а процесс ее приема и первичной переработки — сенсорным восприятием.

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. Цветовые ощущения вызываются действием световых волн, имеющих различную длину.

Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. Наибольшая чувствительность в условиях обычного дневного освещения (В =

9,56 кд/м2) достигается при длине волн 554 нм (в желто-зеленой части спектра) и убывает в обе стороны от этого значения. Характеристикой чувствительности является о тносительная видность — , где — ощущение, вызываемое

источником излучения с длиной волны 554 нм; Sl — ощущение, вызываемое источником той же мощности с длиной волны l.

Минимальная интенсивность светового воздействия, вызывающая ощущение света, называется порогом световой чувствительности. В качестве меры интенсивности принимается яркость воспринимаемого объекта в канделах на квадратный метр (кд/м2). В случае восприятия объектов, светящихся отраженным светом, яркость рассчитывают по формуле В= rЕ, где r — коэффициент отражения поверхности; Е — освещенность, лк.

Порог световой чувствительности изменяется в широких пределах в процессе адаптации зрительного анализатора к внешнему световому воздействию.

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 до 5 мин. При уменьшении контрастности острота зрения снижается.

Информация об удалении предметов достигается за счет конвергенции — сведений зрительных осей на объекте восприятия, благодаря чему возникают мышечные двигательные ощущения, которые и дают информацию.

С помощью звуковых сигналов человек получает до 10 % информации. 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.

В связи с этим слуховое представление информации осуществляется в тех случаях, когда оказывается возможным использовать указанные свойства

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

Для эффективного использования слуховой формы представления информации необходимо знание характеристик слухового анализатора. Свойства слухового анализатора оператора проявляются в восприятии звуковых сигналов. С физической точки зрения звуки представляют собой распространяющиеся механические колебательные движения в слышимом диапазоне частот.

Механические колебания характеризуются амплитудой и частотой. Амплитуда — наибольшая величина измерения давления при сгущениях и разрежениях. Частота — число полных колебаний в одну секунду. Единицей ее измерения является герц (Гц) — одно колебание в секунду. Амплитуда колебаний определяет величину звукового давления и интенсивность звука (или силу звучания). Звуковое давление принято измерять в Паскалях (Па).

Основные параметры (характеристики) звуковых сигналов (колебаний):

- интенсивность (амплитуда);

- частота и форма, которые отражаются в таких звуковых ощущениях как громкость, высота и тембр.

Воздействие звуковых сигналов на звуковой анализатор определяется уровнем звукового давления (Па). Интенсивность (сила) звука (Вт/м2) определяется плотностью потока звуковой энергии (плотностью мощности).

Для характеристики величин, определяющих восприятие звука,

существенными являются не только абсолютные значения интенсивности звука и звукового давления, сколько их отношение к пороговым значениям (J0=10-12 Вт/м2 или Р0=2×10-5 Па). В качестве таких относительных единиц измерения

используют децибелы (дБ)

L= 101g(J/ Jo)=201g(P/ Po)

где J и Р — соответственно интенсивность и уровень звукового давления, J0 и Р0 — их пороговые значения.

Интенсивность звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния; при удвоении расстояния снижается на 6 дБ. Абсолютный порог слышимости звука составляет (принят) 2×10-5 Па (10-12 Вт/м2) и соответствует уровню 0 дБ.

Громкость — характеристика слухового ощущения, наиболее тесно связанная с интенсивностью звука. Уровень громкости выражается в фонах; фон численно равен уровню звукового давления в дБ для чистого тона частотой 1000 Гц. Дифференциальная чувствительность к изменению громкости — К=() наблюдается в диапазоне частот 500...1000 Гц. С характеристикой громкости тесно связана характеристика раздражающего действия звука. Ощущение неприятности звуков возрастает с увеличением их громкости и частоты.

Слуховой анализатор способен фиксировать даже незначительные изменения частоты входного звукового сигнала, т.е. обладает избирательностью, которая зависит от уровня звукового давления, частоты и длительности звукового сигнала. Минимально заметные различения составляют 2...3 Гц и имеют место на частотах менее 10 Гц, для частот более 10 Гц минимально заметные различения составляют около 0,3 % частоты звукового сигнала. Избирательность повышается при уровнях громкости 30 дБ и более и длительности звучания, превышающей 0,1 с. Минимально заметные различения частоты звукового сигнала существенно уменьшаются при его периодическом повторении. Оптимальными считаются сигналы, повторяющиеся с частотой 2...3 Гц. Слышимость, а следовательно, и обнаруживаемость звукового сигнала

зависят от длительности его звучания. Так для обнаружения звуковой сигнал должен длиться не менее 0,1 с.

Наряду с рассмотренными звуковыми сигналами в управлении

используются речевые сигналы для передачи информации или команд управления от оператора к оператору. Важным условием восприятия речи является различение длительности и интенсивности отдельных звуков и их комбинаций. Среднее время длительности произнесения гласного звука равно примерно 0,36 с, согласного 0,02...0,03 с. Восприятие и понимание речевых сообщений существенно зависят от темпа их передачи, наличия интервалов между словами и фразами. Оптимальным считается темп 120 слов/мин, интенсивность речевых сигналов должна превышать интенсивность шумов на 6,5 дБ. При одновременном увеличении уровня речевых сигналов и шумов при постоянном их отношении разборчивость речи сохраняется и даже несколько увеличивается. При значительном увеличении уровня речи и шума до 120 и 115 дБ и соответственно разборчивость речи ухудшается на 20 %. Опознание речевых сигналов зависит от длины слова. Так, односложные слова распознаются в 13 % случаев, шестисложные — в 41 %. Это объясняется наличием в сложных словах большого числа опознавательных признаков. Имеет место повышение до 10 % точности распознавания слов, начинающихся с гласного звука. При переходе к фразам оператор воспринимает не отдельные слова или их сочетания, а смысловые грамматические конструкции, длина которых (до уровня 11 слов) не имеет особого значения.

Таким образом, вопрос организации звукового и речевого взаимодействия «оператор — оператор», «техническое средство — оператор» является не тривиальным и его оптимальное решение оказывает существенное воздействие на безопасность производственных процессов.

Кожный анализатор обеспечивает восприятие прикосновения (слабого давления), боли, тепла, холода и вибрации. Для каждого из этих ощущений (кроме вибрации) в коже имеются специфические рецепторы, либо их роль

выполняют свободные нервные окончания. 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.

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 2...20 с.

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 2...20 с.

При ритмических последовательных прикосновениях к коже каждое из них воспринимается как раздельное, пока не будет достигнута критическая частота Fкр, при которой ощущение последовательности прикосновений переходит в специфическое ощущение вибрации. В зависимости от условий и места раздражения Fкр — 5...20 Гц.

При F>Fкр от анализа собственно тактильной чувствительности переходят к анализу вибрационной.

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

Диапазон ощущения вибрации высок: 5...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 разных участ-ков тела. Наибольшей чувствительностью обладают дистальные участки тела человека, т.е. которые наиболее удалены от его медиальной плоскости (например, кисти рук).

Такой вид чувствительности как, кожная чувствительность к боли, обусловлен воздействием на поверхность кожи механических, тепловых, химических, электрических и других раздражителей. В эпителиальном слое кожи имеются свободные нервные окончания, которые являются специализированными нервным и рецепторами. Между тактильными и

болевыми рецепторами существуют противоречивые отношения. Проявляются они в том, что наименьшая плотность болевых рецепторов приходится на те участки кожи, которые наиболее богаты тактильными рецепторами, и наоборот. Противоречие обусловлено различием функций рецепторов в жизни организма. Болевые ощущения вызывают оборонительные рефлексы, в частности, рефлекс удаления от раздражителя. Тактильная чувствительность связана с ориентировочными рефлексами, в частности, это вызывает рефлекс сближения с раздражителем. обусловлен воздействием на поверхность кожи механических, тепловых, химических, электрических и других раздражителей. В эпителиальном слое кожи имеются свободные нервные окончания, которые являются специализированными нервными рецепторами. Между тактильными и болевыми рецепторами существуют противоречивые отношения. Проявляются они в том, что наименьшая плотность болевых рецепторов приходится на те участки кожи, которые наиболее богаты тактильными рецепторами, и наоборот. Противоречие обусловлено различием функций рецепторов в жизни организма. Болевые ощущения вызывают оборонительные рефлексы, в частности, рефлекс удаления от раздражителя. Тактильная чувствительность связана с ориентировочными рефлексами, в частности, это вызывает рефлекс сближения с раздражителем.

Биологический смысл боли состоит в том, что она, являясь сигналом опасности, мобилизует организм на борьбу за самосохранение. Под влиянием 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 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 минимально 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 достигается 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 обеспечивает ощущение положения и движений тела и его частей. Имеется три вида рецепторов, воспринимающих:

1. Растяжение мышц при их расслаблении — «мускульные веретена»;

2. Сокращение мышц — сухожильные органы Гольджи;

3. Положение суставов (обусловливающее так называемое «суставное чувство»). Предполагается, что их функции выполняют глубинные рецепторы давления.

Возможности двигательного аппарата представляют определенную значимость при конструировании защитных устройств, 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 900 Н. Сила сжатия, в среднем равная 500 Н для правой и 450 Н для левой руки, может увеличиваться в два раза и более.

Оптимальные усилия на органы управления:

для рукояток 20...40 Н (100 Н — максимальное);

для кнопок, тумблеров, переключателей легкого типа 1400...1600Н, тяжелого —6000...12000 Н;

для ножных педалей управления от 20...50 (используемых часто) до ЗООН (используемых редко);

для рычажного управления от 20...40 (используемых часто) до 120...160Н (используемых редко).

Диапазон скоростей, развиваемых движущимися руками человека, находится в пределах 0,01...8000 см/с. Наиболее часто используются скорости порядка 5...800 см/с. Скорость движения больше в направлении к себе, чем от себя; в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной; сверху вниз, чем снизу вверх; вперед-назад, чем вправо-влево; слева направо для правой руки и справа налево для левой, чем наоборот. Вращательные движения в 1,5 раз быстрее поступательных.

Обонятельный анализатор. Предназначен для восприятия человеком различных запахов (их диапазон охватывает до 400 наименований). Рецепторы расположены на участке площадью около 2,5 см2 слизистой оболочки в носовой полости.

Условиями восприятия запахов являются летучесть пахучего вещества (выделение его молекул в свободном виде); растворимость веществ в жирах; движение воздуха, содержащего молекулы пахучего вещества в области обонятельного анализатора.

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

В физиологии и психологии распространена четырехкомпонентная теория вкуса, согласно которой существуют четыре вида элементарных вкусовых ощущений: сладкого, кислого, горького и соленого. Все остальные ощущения представляют их комбинации. 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.

Заключение

Здоровье и жизнь человека во многом зависит от образа жизни и среды обитания.

Тема воздействия негативных факторов на человека и окружающую среду выходит за пределы какой-либо одной науки или области человеческой деятельности. Это предопределило необходимость появления новой области знаний - безопасности жизнедеятельности. Необходимым условием существования человеческого общества является деятельность. Существует большое количество видов деятельности, которые охватывают практические, интеллектуальные и духовные процессы, протекающие в быту, общественной, культурной, производственной, научной и других сферах жизни.

Рис.1.Модель процесса жизнедеятель-

ности человека

Модель процесса жизнедеятельности в наиболее общем виде можно представить состоящей из двух элементов (рис. 1): человека и среды его обитания. Между собой эти элементы связаны двухсторонними связями. Прямые связи человека со средой очевидны. Обратные связи обусловлены всеобщим законом реактивности материального мира.

Система «человек - среда» состоит в достижении определенного эффекта в процессе деятельности и в исключении нежелательных последствий от этой деятельности.

Среда обитания может оказывать благотворное или неблагоприятное влияние на состояние здоровья человека, его самочувствие и работоспособность. Параметры окружающей среды, при которых создаются наилучшие для организма человека условия жизнедеятельности, называются комфортными. Основная цель безопасности жизнедеятельности как науки - защита человека в техносфере от негативных воздействий антропогенного и естественного происхождения и достижение комфортных условий жизнедеятельности.

В условиях техносферы негативные воздействия обусловлены элементами техносферы (машины, сооружения и т.д.) и действиями человека. Измеряя величину любого потока от минимально значимой до максимально возможной, можно пройти ряд характерных состояний взаимодействия в системе «человек- среда обитания»:

- комфортное (оптимальное), когда потоки соответствуют оптимальным условиям взаимодействия: создают оптимальные условия деятельности и отдыха, предпосылки для проявления наивысшей трудоспособности и, как следствие продуктивности деятельности, гарантируют сохранение здоровья человека и целостности компонент среды обитания;

- допустимое, когда потоки, воздействуя на человека и среду обитания, не оказывают негативного влияния на здоровье, но приводят к дискомфорту, снижая эффективность деятельности человека. Соблюдение условий допустимого гарантирует невозможность возникновения и

развития необратимых процессов у человека и в среде обитания;

- опасное, когда потоки превышают допустимые уровни и оказываютнегативное воздействие на здоровье человека, вызывая при длительном взаимодействии заболевания, и/или приводят к деградации природной среды;

- чрезвычайно опасное, когда потоки высоких уровней за короткий период времени могут нанести травму, привести человека к летальному исходу, вызвать нарушения в природной среде. Из четырех характерных состояний взаимодействия человека со средой обитания лишь первые два (комфортное и допустимое) соответствуют позитивным условиям повседневной деятельности, а два других (опасное и чрезвычайно опасное) - недопустимы для процессов жизнедеятельности человека, сохранения иразвития природной среды. Следовательно, поддерживание комфортного и/или допустимого состояний является способом повышения защищенности человека.

Комфортное состояние жизненного пространства по показателям микроклимата и освещения достигается соблюдением нормативных требований. В качестве критериев комфортности устанавливают значения температуры воздуха в помещениях, его влажности и подвижности, соблюдение нормативных требований к искусственному освещению помещений и территорий.

Условия нормального функционирования организма человека:

- дыхание;

- питьё воды;

- еда (питание);

- движение;

- цель в жизни.

Бинарная система «человек-среда» - многоцелевая. Одна из целей, стоящих перед данной системой, - безопасность, т.е. не нанесение ущерба здоровью человека. Естественно, что каждая система имеет и некоторую чисто технологическую цель, связанную с достижением определенного наперед

заданного результата. Перед создателями систем стоит сложная задача согласования целей и устранение возможных противоречий междуними(главная цель - безопасность жизнедеятельности).

К компонентам среды относятся: природно-климатические явления, флора, фауна, искусственные объекты (здания, сооружения, оборудование, сырье, производимая продукция и т.п.), энергия, технология, информация, люди и многое другое. Взаимоотношения среды и организма весьма разнообразны. «Организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен, поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него» (И.М. Сеченов).

Правильно будет утверждать, что «человек-среда» - это единое понятие. Лишь в целях анализа элементы «человек» и «среда» иногда рассматриваются обособленно.

Окружающая среда, воздействуя на организм человека, способна вызвать в нем определенные, в том числе и отрицательные, изменения. Правда, природа позаботилась о человеке, снабдив его особым механизмом защиты, который называется гомеостаз.

Гомеостаз - относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивости основных физиологических функций организма человека.

Благодаря приспособительным механизмам физические и химические параметры, определяющие жизнедеятельность организма, меняются в сравнительно узких пределах, несмотря на значительные изменения внешних условий. Благодаря гомеостазу у человека поддерживается постоянство состава крови, температуры тела, кровяного давления и многих других функций. Однако, несмотря на наличие такого защитного механизма, мощный поток раздражителей может оказать неблагоприятное воздействие на организм человека, вызвать заболевания и травмы.