《人机工程学》第5章人的作业能力与疲劳

第5章人的作业能力与疲劳第5章人的作业能力与疲劳5.1人体作业时的能量代谢5.2作业时人体的调节与适应5.3体力劳动强度分级5.4作业能力的动态分析5.5作业疲劳及其测定5.6提高作业能力与降低疲劳的措施第5章人的作业能力与疲劳5.1人体作业时的能量代谢5.1.1人体能量的产生机理由于骨骼肌约占人体重的40%，故体力劳动的能量消耗较大。骨骼肌活动的能量来自细胞中的贮能元——三磷酸腺苷(ATP)。肌肉活动时，肌细胞中的三磷酸腺苷与水结合，生成二磷酸腺苷(ADP)和磷酸根(Pi)，同时释放出29.3kJ的能量，即ATP＋H2O→ADP＋Pi＋29.3kJ/mol第5章人的作业能力与疲劳1.ATP—CP系列在要求能量释放速度很快的情况下，肌细胞中的ATP由磷酸肌酸(CP)与二磷酸腺苷合成予以补充：CP＋ADPCr(肌酸)＋ATP该过程简称为ATP—ＣP系列。ATP—CP系列提供能量的速度极快，但由于CP在人体内的贮量有限，其产能过程只能维持肌肉进行大强度活动几秒钟。第5章人的作业能力与疲劳2.需氧系列在中等劳动强度下，ATP以中等速度分解，又通过糖和脂肪的氧化磷酸化合成得到补充，即葡萄糖或脂肪＋氧氧化磷酸化ATP由于这一过程需要氧参与合成ATP，故称为需氧系列。在合成的开始阶段，以糖的氧化磷酸化为主，随着持续活动时间的延长，脂肪的氧化磷酸化转为主要过程。第5章人的作业能力与疲劳3.乳酸系列在大强度劳动时，能量需求速度较快，相应ATP的分解也必须加快，但受到供氧能力的限制。此时，则靠无氧糖酵解产生乳酸的方式提供能量，故称为乳酸系列：葡萄糖(糖原)ATP＋乳酸乳酸逐渐扩散到血液，一部分排出体外，一部分在肝、肾内部又合成为糖原。在食物营养充足地合理条件下，经过休息，可以较快的合成为糖原。糖酵解第5章人的作业能力与疲劳虽然糖酸解时1g分子葡萄糖只能合成2g分子ATP，但糖酵解的速度比氧化磷酸化的速度快32倍，所以是高速提供能量的重要途径。乳酸系列需耗用大量葡萄糖才能合成少量的ATP，在体内糖原含量有限的条件下，这种产能方式不经济。此外，目前还认为乳酸是一种致疲劳性物质，所以乳酸系列提供能量的过程不可能持续较长时间。三种产能过程可概括于图5-1中，其一般特性列于表5-1。第5章人的作业能力与疲劳图5-1肌肉活动时能量的来源示意图第5章人的作业能力与疲劳表5-1三种产能过程的一般特性第5章人的作业能力与疲劳5.1.2作业时人体的耗氧动态作业时人体所需要的氧量的大小，主要取决于劳动强度和作业时间。劳动强度越大，持续时间越长，需氧量也越多。从事体力作业的过程中，需氧量随着劳动强度的加大而增加，但人的摄氧能力却有一定的限度。因此，当需氧量超过最大摄氧量时，人体能量的供应依赖于能源物质的无氧糖酵解，造成体内的氧亏负，这种状态称为氧债。氧债与劳动负荷的关系，如图5-2所示。第5章人的作业能力与疲劳图5-2(a)需氧量小于最大摄氧量；(b)需氧量大于最大摄氧量第5章人的作业能力与疲劳5.1.3能量代谢和能量代谢率人体能量产生和消耗称为能量代谢。人体代谢所产生的能量等于消耗于体外做功的能量和在体内直接、间接转化为热的能量的总和。在不对外做功的条件下，体内所产生的能量等于由身体散发出的热量，从而使体温维持在相对恒定的水平上。能量代谢分为三种，即基础代谢、安静代谢和活动代谢。第5章人的作业能力与疲劳1.基础代谢人体代谢的速率，随人所处的条件不同而异。生理学将人清醒、静卧、空腹(食后10h以上)、室温在20℃左右这一条件定为基础条件。人体在基础条件下的能量代谢称为基础代谢。单位时间内的基础代谢量称为基础代谢率，用BR表示。它反映单位时间内人体维持最基本的生命活动所消耗的最低限度的能量，通常以每小时每平方米体表面积消耗的热量来表示。我国正常人基础代谢率平均值见表5-2。第5章人的作业能力与疲劳表5-2我国正常人基础代谢率平均值第5章人的作业能力与疲劳2.安静代谢安静代谢是作业或劳动开始之前，仅为了保持身体各部位的平衡及某种姿势条件下的能量代谢。安静代谢量包括基础代谢量。第5章人的作业能力与疲劳3.活动代谢活动代谢亦称劳动代谢、作业代谢或工作代谢。它是人在从事特定活动过程中所进行的能量代谢。体力劳动是使能量代谢量亢进的最主要的原因。因为在实际活动中所测得的能量代谢率(用AR表示)，不仅包括活动代谢率，也包括基础代谢率与安静代谢率，所以活动代谢率(用MR表示)应为MR＝AR－RR（5-1）第5章人的作业能力与疲劳4.相对能量代谢率体力劳动强度不同，所消耗的能量不同。由于劳动者性别、年龄、体力与体质存在差异，即使从事同等强度的体力劳动，消耗的能量亦不同。为了消除劳动者个体之间差异因素，常用活动代谢率与基础代谢率之比即相对能量代谢率来衡量劳动强度的大小。相对能量代谢率RMR为BRRRARBRMRRMR（5-2）第5章人的作业能力与疲劳表5-3和表5-4为不同活动类型的RMR的实测值和推算值。除利用实测方法之外，还可用简易方法近似计算人在体力劳动中的能量消耗，其计算公式为AR＝RR＋MR＝1.2×BR＋RMR·BR＝（1.2＋RMR）×BR(5-3)总能耗M∑＝（1.2＋RMR）×BR×体表面积(B)×活动时间(t)(5-4)第5章人的作业能力与疲劳5.影响能量代谢的因素影响人体作业时能量代谢的因素很多，如作业类型、作业方法、作业姿势、。由表5-3和表5-4可看出，不同类型的作业对能量代谢的影响。图5-3给出了不同作业的能量消耗值，其范围从1.6～16.2kCal/min。第5章人的作业能力与疲劳表5-3不同活动类型的RMR实测值第5章人的作业能力与疲劳表5-4相对能量代谢率RMR的推算值第5章人的作业能力与疲劳第5章人的作业能力与疲劳图5-3各种作业类型相对应的能耗(kCal/min)第5章人的作业能力与疲劳作业方法不同，能量消耗也不同。S.R德塔(S.R.Datta)等人对搬运重物的七种方式进行了研究，测得相应的氧耗量，如图5-4所示。各种不同姿势的相对氧耗量，如图5-5所示。第5章人的作业能力与疲劳图5-4(a)单肩双包(100%)；(b)头顶(103%)；(C)双肩背(109%)(d)前额挂背(115%)；(e)斜挎(123%)；(f)挑担(129%)；(g)双手提(144%)第5章人的作业能力与疲劳图5-5(a)仰卧(100%)；(b)坐姿(103%～105%)；(C)立姿(108%～１１0％）（d）跪姿(130%～140%)；(e)弯腰(150%～１６0％)第5章人的作业能力与疲劳5.1.4能量代谢的测定能量代谢的测定方法有两种，直接法和间接法。直接法是通过热量计测定在绝热室内流过人体周围的冷却水升温情况，换算成能量代谢率；间接法是通过测定人体消耗的氧量，再乘以氧热价求出能量代谢率。第5章人的作业能力与疲劳表5-5三种营养物质氧化时的数据第5章人的作业能力与疲劳表5-6非蛋白呼吸商和氧热价的关系第5章人的作业能力与疲劳实际应用中，经常采用省略尿氮测定的简便方法，即根据受试者在同一时间内吸入的O2量和CO2产生量求出呼吸商(混合呼吸商)，而不考虑蛋白质代谢部分，实践证明，采用简便方法得到的结果不会有显著误差。第5章人的作业能力与疲劳既然通过作业时消耗的O2量和产生的CO2量可以换算能量消耗，相对代谢率也可以通过测定作业者在作业时、安静时消耗的O2量和产生的CO2的比值，计算作业者在安静时和作业时各自的O2消耗量，然后乘以每消耗1LO2所产生的热量(氧热价)，分别折算成作业时和安静时的能量消耗。第5章人的作业能力与疲劳同理若将作业者的基础代谢量换算成O2消耗量或直接测定出基础代谢时O2消耗量，则相对代谢率计算式又可写成RMR=作业时的O2消耗量－安静时的O2消耗量基础代谢时的O2消耗量(5-5)第5章人的作业能力与疲劳5.2作业时人体的调节与适应5.2.1神经系统的调节与适应作业时的每一个有目的的动作，既取决于中枢神经系统的调节作用(主观能动性)，又取决于从机体内外感受器所传入的各种神经冲动(包括第一和第二信号系统)，在大脑皮层内进行综合分析，形成一时性共济联系(TransientAssoCiation)调节各器官适应作业活动的需要，维持机体与环境的平衡。第5章人的作业能力与疲劳5.2.2心血管系统的调节与适应1.心率心率是单位时间内心脏搏动的次数。正常人安静时的心率为75次/min。心率增加的限度即最大心率随年龄的增长而逐渐减小，可用年龄来推算(最大心率＝220－年龄)。最大心率与安静心率之差称为心搏频率储备，可用来表示体力劳动时心率可能增加的潜在能力。第5章人的作业能力与疲劳从事体力作业时，心率在作业开始后的30～40s内迅速增加，大约经4～5min，即可达到与劳动强度相适应的水平。强度较小的体力劳动，心率增加不多，很快达到与劳动强度相适应的水平后，即随作业的延续而保持在该恒定水平上。而强度很大的劳动，心率将随作业的延续而不断加快，直到个体的最大心率值，通常可达150～195次/min。上述两种劳动强度下的心率变化如图5-6所示。第5章人的作业能力与疲劳图5-6不同劳动强度的心率变化曲线第5章人的作业能力与疲劳2.心输出量心脏每搏动一次，由左心室射入主动脉的血量称为每搏输出量。每分钟由左心室射出的血量称为心输出量。心输出量为每搏输出量与心率的乘积。正常男性成年人安静时每搏输出量约为50～70mL，心输出量约为3.75～5.25L/min。女性心输出量比同体重的男性约低10%。一般人心输出量最多可增加到25L/min。第5章人的作业能力与疲劳3.血压血压是血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力，通常多指血液在体循环中的动脉血压，一般以毫米汞柱(mmHg)为单位(1mmHg＝133.32Pa)。正常人安静时的动脉血压较为稳定，变化范围不大。心室收缩时动脉血压的最高值即收缩压为100～120mmHg，心室舒张时动脉血压的最低值即舒张压为60～80mmHg。血压还受性别、年龄以及其他生理情况的影响，一般男性略高于女性；老年人高于中青年人，特别是收缩压随年龄增长而升高较舒张压更为明显；此外，体力劳动、运动以及情绪波动时，血压也会出现暂时性升高。第5章人的作业能力与疲劳动态作业开始后，主要由于心输出量的增多，收缩压立即升高，并随劳动强度的增加而继续升高，直到最高值，而舒张压却几乎保持不变或略有升高，因此形成收缩压与舒张压之差即脉压的增大，如图5-7所示。脉压逐渐增大或维持不变，是体力劳动可以继续有效进行的标志。第5章人的作业能力与疲劳图5-7动态作业至力竭时收缩压与舒张压的变化第5章人的作业能力与疲劳4.血液的重新分配人处于安静状态时，血液流向肾、肝及其他内脏器官较多，而体力作业开始后，心脏射出的血液大部分流向骨骼肌，以满足其代谢增强的需要。表5-7列出了安静状态和重体力劳动时血液流量的分配状况。由表可知，进行重体力作业时，流向骨骼肌的血液量较安静时多20倍以上，心肌血流量增加5倍。第5章人的作业能力与疲劳表5-7安静时和重体力劳动时的血液分配第5章人的作业能力与疲劳5.2.3其他系统的调节与适应作业时呼吸的频率随作业强度的增强而增加，重强度作业时可达30～40次/min，极大强度作业时可达60次/min，肺通气量也由安静时的6～8L/min增加到40～120Ｌ／min以上。对于锻炼有素者肺通气量的增加主要靠增加肺活量来适应；一般作业者则靠加快呼吸频率来适应。作业停止后，呼吸的恢复期比心率、血压恢复期短。第5章人的作业能力与疲劳5.2.4脑力劳动和持续警觉作业的特点随着科学技术的发展和社会的进步，采用电脑控制的生产过程日益增加和完善，大量繁重体力劳动和职业危害较严重的工种将逐步被机器人所取代，体力劳动的比重和强度将不断减小，而需要智力和神经紧张型的作业越来越多。第5章人的作业能力与疲劳1.脑力作业的生理变化特征脑的氧代谢较其他器官高，安静时约为等量肌肉耗氧量的15～20倍，占成年人体总耗氧量的10%。由于脑的重量仅为体重的2.5%左右，大脑即使处于高度