Физические качества, энерготраты и тяжесть труда оператора

На результаты выполнения управляющих действий оператора большое влияние оказывают его физичес­кие качества. Под ними понимаются такие качества человека, которые обусловливают возможность выпол­нения им физической (мускульной) работы. К основным физическим качествам оператора относятся сила, бы­строта, выносливость, координация и точность движе­ний, ловкость и гибкость [104].

Сила человека определяется его способностью преодолевать внешнее сопротивление или противодей­ствовать ему за счет мышечных усилий. Различают следующие разновидности силы: статическая, проявля­ющаяся при напряжении неподвижных мышц; динами­ческая, проявляющаяся при движениях; амортизацион­ная, проявляющаяся при уступающих воздействию движениях; взрывная, характеризующая способность проявить силу большой величины за короткий проме­жуток времени.

Выносливость характеризует способность к дли­тельному выполнению какой-либо деятельности без заметного снижения ее эффективности. Различают динамическую и статическую выносливость (см. гла­ву X), а также общую и специальную выносливость. Общая выносливость определяется по отношению к продолжительной работе умеренной тяжести, включа­ющей функционирование большей части мышечного аппарата. Специальная выносливость представляет выносливость по отношению к определенной деятель­ности.

Координация движений есть согласованность од­новременно или последовательно выполняемых движе­ний. Точность движений определяется степенью соот­ветствия движений двигательной задаче. Различают три вида точности: по силе, пространственную и времен­ную. Под гибкостью понимается способность выпол­нять движения с большой амплитудой.

Комплексным качеством двигательных способно­стей человека является ловкость. Она измеряется сле­дующими показателями: координационной сложностью задания, точностью и временем ее выполнения, коли­чеством функциональных двигательных единиц, вов­леченных в движение. Значение ловкости особенно велико при выполнении сложных непрерывных дви­жений, оно существенно меньше при выполнении дискретных действий.

Управляющие действия определяют физический компонент деятельности оператора. В соответствии с основными положениями физиологии труда физичес­кую работу можно разделить на два вида [44, 75]:

■ динамическую мышечную работу, при которой мышцы различных групп попеременно растягиваются и сокраща­ются, т. е. ритмично напрягаются и расслабляются;

■ статическую мышечную работу, при которой мышцы не движутся (например, когда человек держит груз на вытя­нутой руке или работает согнувшись, на корточках).

При статической работе напряжение в среднем в 5 раз превышает напряжение, вызываемое дина­мической работой. При статической работе требует­ся в 3 — 4 раза больше времени на восстановление зат­раченной энергии, чем при динамической работе. Статическая нагрузка, возникающая при манипулиро­вании органами управления, не должна превышать 15% максимального усилия соответствующей ко­нечности (руки или ноги) при данной рабочей позе оператора.

Физическая нагрузка во многом определяет энер­готраты оператора (хотя следует сразу оговориться, что только ею не ограничиваются энергетические затраты организма). Поэтому в целом ряде случаев энергетический подход нередко используют для из­мерения тяжести работы. При этом тяжесть работы оценивают или по величине грузопереработки или по количеству расходуемой человеком энергии (калори­метрический метод).

Первый способ основан на предположении, что между величиной мышечных усилий, требующих оп­ределенного количества энергии, и степенью утомле­ния работающего существует пропорциональная зави­симость. Поэтому в ряде случаев для классификации работ по тяжести пытаются использовать законы ме­ханики. За меру тяжести при этом принимается рабо­та, совершаемая по перемещению груза на определен­ное расстояние, выраженная в килограммометрах или килоджоулях. Такой подсчет выполняемой человеком внешней механической работы не всегда дает точные результаты, поскольку процессы, протекающие в орга­низме, очень сложны, и работа человека не может быть приравнена к работе механического устройства. По­пытки учесть некоторые психофизиологические осо­бенности человека (вес его тела, подъем и спуск с грузом или без него, повороты и наклоны корпуса тела, тягу, толкание груза и т. д.) принципиально положение дел не меняют, поскольку общий подход к определе­нию энерготрат по прежнему остается чисто механистическим.

Другой способ (калориметрический) основан на том, что выполняемая человеком механическая работа сопровождается расходованием тепловой энергии, источником которой является потребляемая пища. Та­кой подход вытекает на основании рассмотрения ус­ловной модели энергетики организма. [3].

Рис. 14.7. Условная модель энергетики организма.

Энергетику организма условно можно предста­вить в виде системы биохимических аккумуляторов энергии, получающих ее из общего энергетического резерва организма и питающих органы — потреби­тели (рис. 14.7). Каждый аккумулятор обладает определенной энергоемкостью, поэтому утомление лю­бого органа (мускулатуры руки или всего тела, орга­нов чувств, мозга и центральной нервной системы и т. д.) можно представить как израсходование энер­гии в аккумуляторе, питающем этот орган. Время же отдыха можно представить как время зарядки акку­мулятора.

С учетом сказанного, как следует из рис. 14.7, об­щие энерготраты организма можно представить как сумму двух составляющих

где А_акт — энерготраты на активную деятельность (не­рвно-мозговую и физическую), А_со — энерготраты на самообслуживание организма.

Из сказанного видно, что энерготраты на выпол­нение мышечной работы составляют лишь часть общих энерготрат. Поэтому оценка тяжести труда лишь пу­тем оценки величины внешней механической работы, выполняемой человеком, является очень упрощенной и неточной. Такая оценка нужна лишь для установле­ния нижней и верхней границ физической нагрузки человека: известно, что как чрезмерно низкая физичес­кая нагрузка (гиподинамия), так и чрезмерно высокая отрицательно сказываются на физическом состоянии и работоспособности человека.

Более точную оценку энерготрат организма дает применение калориметрического метода. Различают методы прямой и непрямой калориметрии. В первом случае оценка ведется по количеству выделенного че­ловеком тепла, которое можно измерить с помощью специальных калориметров, представляющих собой теплоизолированные помещения (калориметрические камеры), улавливающие отдаваемое организмом теп­ло. Точность такого метода весьма высока, однако его применение возможно только в лабораторных условиях.

Поэтому на практике используют методы непря­мой калориметрии. Они основаны на анализе выдыха­емого воздуха с последующим расчетом дыхательного коэффициента (отношение объема выделившегося уг­лекислого газа к объему поглощенного кислорода). Для сбора выдыхаемого воздуха используется мешок Дуг­ласа, а для определения энерготрат — газовый счет­чик и газоанализатор выдыхаемого воздуха. Анализ проводится с учетом температуры воздуха и баромет­рического давления.

Энергетический расход для мужчин при условии, что в работе участвуют большая часть мышц приведен в табл. 14.10 [207]. Для женщин эти величины следует брать примерно на 20% ниже. Как следует из табл. 14.10 верхняя граница физической мощности составляет 8300 кДж израсходованной рабочей энергии за смену. Средний энергетический расход за смену у мужчин при шестидневной рабочей неделе не должен превы­шать 6650 кДж (у женщин — 4150 кДж). Чистый энер­гетический расход за неделю у мужчин не должен превышать 33000 кДж в оптимальных микроклимати­ческих условиях. Максимальный энергетический расход за сутки, включая основной обмен и расход энергии в нерабочее время, не должен превышать 20000 кДж.

Таблица 14.10

Энергетический расход для мужчин

при различных видах нагрузки

В зависимости от величины энергетического рас­хода различают несколько категорий тяжести работ (табл. 14.10). Среднетяжелую работу, когда энергети­ческий расход за смену составляет 6250 кДж (или 33 кДж в минуту), здоровый человек может выполнять в течение долгого времени. Очень тяжелую работу, когда энергетический расход за смену составляет 10500 кДж (или 46 кДж в минуту), может выполнять лишь здоровый человек в возрасте от 20 до 30 лет в течение короткого времени.

Многие виды работ связаны с передвижением (ходьбой), подъемом и перемещением груза. Это также влияет на энерготраты оператора. Основные рекомен­дации по выполнению таких работ сводятся к следую­щему [207]. При рабочем усилии приблизительно до 50 Н (до 5 кг) рекомендуется положение сидя. При уси­лии от 50 до 100 Н положение тела не влияет на эф­фективность труда. При усилии более 100 Н работу в положении сидя выполнять не следует. При подъеме груза массой 20 — 25 кг работа мышц наиболее эффек­тивна. Подъем с земли грузов до 10 кг не является эффективным ввиду необходимой затраты сил на подъем тела. Наиболее экономичной высотой для подъема гру­зов является высота от 50 до 100 см над уровнем пола. Процессы подъема грузов необходимо механизировать во всех случаях, когда работнику приходится поднимать груз массой более 10 кг с пола на высоту выше головы, массой более 20 кг — до уровня плеча, массой более 30 кг — по пояса, более 40 кг — до колена, а также когда масса груза при доставке достигает 40% массы человека. Более подробные рекомендации по выполне­нию работ, связанных с подъемом и перемещением груза, можно найти в [7].

При организации работ, связанных с передвиже­нием, следует учитывать следующее. Средняя частота шагов при естественной ходьбе взрослых мужчин со­ставляет 1,8 Гц, при ходьбе женщин — 1,9 Гц, варьируя в довольно широких пределах от 40 до 180 шагов в минуту. Конструкции для пешего передвижения, на­пример пешеходные мосты, должны иметь полосу соб­ственных частот, выходящую за пределы основных гармоник спектра опорной реакции при ходьбе. В про­тивном случае может возникнуть опасность резонанса.

Довольно большой физической нагрузкой для че­ловека является подъем по лестнице: при нормальной скорости передвижения энерготраты могут достигать 63 кДж/мин, что равно энерготратам при ходьбе по ровной поверхности со скоростью 3 км/час с заплеч­ным грузом до 10 кг. Поэтому желательно, чтобы кон­струкции лестниц были оптимальными. Оптимальные размеры ступеней определяются на основе двух групп требований: во-первых, соответствия размеров ступе­ней размерам тела и кинематике и, во-вторых, мини­мального уровня энерготрат при подъеме по лестнице. Лестницы, удовлетворяющие этим требованиям, явля­ются в то же время наиболее безопасными. Реко­мендации по выполнению этих требований приведены в [7]. Одна из них сводится к выполнению условия

где а — высота; b — ширина ступеней.

При организации работ, связанных с передвиже­нием, следует учитывать также фрикционные свойства обуви и опорной поверхности, осуществлять меропри­ятия по демпфированию ударных нагрузок, учитывать биомеханические свойства обуви [7].

Энергетический подход к изменению тяжести тру­да и оптимизации трудовой деятельности человека довольно широко применяется на практике. Например, плодотворные попытки использования такого подхода для оптимизации конструкторских решений по орга­низации рабочего места оператора, улучшения каче­ства управления машиной, распределения функций между человеком и машиной в СЧМ предприняты Н.В. Адамовичем [3].

Однако измерение лишь одних энергетических затрат человека во многих случаях недостаточно для оценки тяжести его труда. Возможны ошибки, когда работу в неблагоприятных условиях относят к числу легких и наоборот. Например, в условиях конвейерно­го производства рабочие могут затрачивать небольшое количество энергии. Однако, как показывают физио­логические исследования, утомляемость при этом мо­жет быть весьма большой за счет высокого нервно-психического напряжения.

Известны случаи, когда у операторов прокатных станов, работающих в условиях большой информаци­онной нагрузки и неблагоприятных санитарно-гигие­нических условий труда, очень быстро возникают от­рицательные сдвиги в функциональном состоянии. Сходные же явления обнаружены у аппаратчиков высокоавтоматизированного химического производи ства, работающих в условиях сенсорного «голода» при благоприятных условиях труда. Оба примера показы­вают, что противоположные воздействия вызывают у операторов один и тот же результат — глубокое утом­ление и ухудшение функционального состояния орга­низма [75].

Эти примеры лишний раз показывают, что только по величине энергетической или информационной на­грузки не всегда можно судить о тяжести и напряжен­ности труда. При этом следует отметить, что зачастую понятие тяжести работы отождествляется на трудовую деятельность с преобладанием нагрузки на мышечную систему. А труд с преимущественным напряжением нервной системы обычно характеризуют понятием на­пряженности работы. Однако такое разделение являет­ся довольно условным, поскольку в трудовой деятельно­сти компоненты физической и умственной нагрузки неотделимы друг от друга. Это объясняется тем, что трудовая деятельность человека всегда совершается при участии сознания, а утомление всегда состоит в фун­кциональных изменениях в деятельности центральной нервной системы. При таком подходе степень нагрузки организма определяют единым понятием — тяжесть труда, понимая под ней как физическую тяжесть, так и нервно-психическую напряженность [110].

В этом случае для оценки тяжести труда измере­нию подвергаются факторы условий труда, а не энер­гетические затраты организма. При этом исходят из того, что именно факторы условий труда при их опре­деленном значении являются причиной тех функцио­нальных изменений в организме, которые в конечном счете характеризуют тяжесть труда. Отсюда вытекает стремление дать количественную оценку этим факто­рам, не исследуя сами реакции организма на их воз­действие. Согласно такому подходу, о тяжести работы судят по сумме отклонений условий труда от нормаль­ных, выраженных в баллах. Подобный подход к реше­нию данной проблемы является попыткой найти кри­терии для аналитической оценки тяжести работы.

Как физиологическое понятие тяжесть труда учиты­вает степень комплексного воздействия всех факторов, составляющих условия труда (санитарно-гигиенических, психофизиологических, социально-психологических, эстетических и др.), на работоспособность человека, его состояние и здоровье. Физиологическое понятие тяже­сти труда одинаково применительно как к физическо­му, так и к умственному труду, в том числе и к тем ра­ботам, которые выполняются во вредных или опасных условиях, а также в условиях высокой ответственнос­ти за выполняемые действия. Более подробно подход к комплексной количественной оценке условий труда рассматриваются в главе XIX. При таком подходе энер­готраты организма или величина выполняемой че­ловеком физической работы учитываются (наравне с другими) лишь как один из факторов, характеризую­щих условия труда. При этом следует иметь в виду, что чрезмерно малая физическая нагрузка (менее 2000 кДж за смену) является отрицательным фактором [160]. По­этому при проектировании трудовых процессов и орга­низации труда оператора следует предусмотреть специ­альные меры, обеспечивающие его физическую нагрузку, не меньшую минимально допустимого уровня.