close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Dobroborskiy Ergonomika i

код для вставкиСкачать
Б. С. ДОБРОБОРСКИЙ, П. А. СТЕПИНА
ЭРГОНОМИКА И ДИЗАЙН
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Б. С. ДОБРОБОРСКИЙ, П. А. СТЕПИНА
ЭРГОНОМИКА И ДИЗАЙН
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2014
1
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
УДК: 573; 613.6; 636; 74.
Рецензенты: д-р мед. наук, профессор А. В. Мельцер (проректор по медико-профилакт. напр., зав. кафедрой профилакт. медицины и охраны здоровья Северо-Западного государственного медицинского университета
им. И. И. Мечникова);
д-р техн. наук, профессор С. А. Волков (СПбГАСУ)
Доброборский, Б. С.
Эргономика и дизайн: учеб. пособие / Б. С. Доброборский,
П. А. Степина; СПбГАСУ. – СПб., 2014. – 180 с.
ISBN 978-5-9227-0486-1
Содержатся основные сведения об эргономике как синтетической науке,
рассматривающей законы неравновесной термодинамики, термодинамики
биологических систем и на их основе – закономерностей функционирования
систем «человек–машина»; методы оценки и расчета эргономических показателей, теорию и практические решения дизайна.
Предназначено для студентов высших технических учебных заведений.
Табл. 17. Ил. 105.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0486-1
Б. С. Доброборский, П. А. Степина, 2014
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2014
2
Предисловие
Современное общество наряду с нарастающей интенсивностью
технического прогресса все в большей степени сталкивается с проблемами несоответствия технических параметров машин физиологическим возможностям человека, что приводит к повышенному утомлению и профессиональным заболеваниям человека, а нередко –
к авариям и катастрофам.
Основной причиной такого положения является огромный разрыв между точными физическими науками, на основании которых
разрабатываются машины, и описательными биологическими науками, в частности физиологией и гигиеной труда, на основании которых даются критерии для разработки машин.
Поэтому нет никаких гарантий, что машины, полностью соответствующие гигиеническим требованиям, являются безопасными.
Сложившаяся обстановка, по объяснениям биологов, связана
с тем, что организм человека является слишком сложным, чтобы применять для описания его функций какие-либо математические методы. Единственные математические методики, которые широко применяются в физиологии и гигиене труда, – это статистика и на ее основе – теория рисков. Но эти методики не устанавливают истинные
причины тех или иных процессов, происходящих в организме человека, а фиксируют лишь результат.
Однако сложившаяся ситуация между техникой и человеком не
является безвыходной.
Организм человека, функционирование которого основано на
различных биохимических реакциях, подчиняется все тем же законам физики, что и весь материальный мир. Кроме того, организм человека подчиняется еще и специфическим биологическим законам,
определяющим закономерность тех или иных биохимических реакций. Принципы прохождения и управления этими реакциями могут
быть с достаточной полнотой проанализированы и описаны математически, так как они являются не результатом воздействия неких
сверхъестественных сил, а результатом воздействия все тех же законов физики.
3
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
В предлагаемом учебном пособии теория взаимодействия машин и человека основана на принципах и законах неравновесной термодинамики, являющейся основой движения и преобразования окружающего нас материального мира, сформулированных одним из
великих ученых XX века, лауреатом Нобелевской премии И. Р. Пригожиным.
Такой подход к решению проблемы противостояния физики
и биологии позволил разработать методы объективной количественной оценки воздействия на человека параметров машин и определить эффективные пути их совершенствования как с позиций эргономики, так и дизайна.
4
Глава 1. ПОНЯТИЯ ОБ ЭРГОНОМИКЕ И ДИЗАЙНЕ
1.1. Краткие сведения об эргономике
Эргономика (от греч. érgon – работа, и nómos – закон) – научная
дисциплина, изучающая взаимодействие человека с другими элементами в составе системы, а также сфера деятельности по применению
теории, принципов, данных и методов этой науки для обеспечения
благополучия человека и оптимизации общей производительности
системы.
Целью эргономики является определение оптимальных условий
функционирования систем «человек–машина».
Этим эргономика отличается от таких наук, как гигиена труда
и охрана труда.
Гигиена труда – наука, изучающая гигиенические условия, характер труда и их влияние на здоровье, работоспособность человека
и разрабатывающая научные основы и практические меры по предупреждению отрицательных последствий трудовой деятельности.
Главным содержанием гигиены труда является научное обоснование нормативов и средств профилактики профессиональных заболеваний, а также прогрессирования хронических заболеваний и их
осложнений у работающих.
Кроме того, это область практической деятельности, решающая
вопросы санитарно-эпидемиологического надзора на действующих,
строящихся и проектируемых производственных объектах различного
назначения.
Охрана труда – наука, целью которой является сохранение жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационнотехнические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические,
реабилитационные и иные мероприятия, а также – как основной – принцип трудового права и трудовых правоотношений.
Термин «эргономия» (ergonomia) впервые был использован
польским ученым В. Б. Ястшембовским (рис. 1) в 1857 году в его
работе «План эргономики, т. е. науки, основанной на истинах, взятых
из естественных наук».
5
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 1. Понятия об эргономике и дизайне
Первые исследования в области
эргономики начали проводиться
в СССР, Великобритании, США и Японии в 1920-х годах.
Собственно термин «эргономика»
был принят Эргономическим исследовательским обществом английских
ученых в 1949 году.
В процессе развития эргономики
неоднократно изменялись формулировки ее предметов изучения и задач,
Рис. 1. Войцех Богумил
стоящих перед ней.
Ястшембовский (1799–1882)
Например, эргономика определялась как интегральная наука о трудовой деятельности, которая позволяет повысить трудовую эффективность путем оптимизации условий труда и всех процессов, с ним связанных.
При этом предметом изучения эргономики определялись системы «человек–машина», «человек–машина–среда» и некоторые другие варианты.
Одним из наиболее распространенных определений эргономики является следующее: современная эргономика представляет собой науку, изучающую функционирование систем «человек–машина» во всех областях жизнедеятельности человека, как в процессах
труда, так и в быту.
На самом деле и эта формулировка не является достаточно корректной, поскольку в область исследований эргономики входят не
только машины – устройства, преобразующие один вид энергии
в другой, но и механизмы – устройства, преобразующие один вид
движения в другой, информационные системы, преобразующие один
вид информации в другой, а также инструменты, преобразующие энергию и движения организма человека, и кроме того параметры воспринимаемой и передаваемой им информации.
Поэтому определим формулировку термина «эргономика» в следующей редакции: современная эргономика представляет собой науку, изучающую функционирование систем «человек–изделие» во
всех областях жизнедеятельности человека как в процессах труда,
так и в быту. При этом под словом «изделие» понимается любое из-
делие со всем набором его параметров: теннисная ракетка, гаечный
ключ, станок, автомобиль и прочее.
Эргономика вплоть до настоящего времени развивалась как описательная наука, основанная на физиологических и гигиенических
исследованиях.
Рядом ученых в круг проблем, стоящих перед эргономикой,
включались такие, как изучение конфликтных ситуаций, стрессов на
рабочем месте, утомления и нагрузки с учетом индивидуальных особенностей работника, процесс отбора, обучения и переобучения специалистов, создание информационной базы и коммуникаций, а также дизайна рабочего места и т. д.
Это связано с тем, что эргономика как наука вплоть до настоящего времени не представляла собой сформированную систему знаний, основанную на физических законах природы, которым подчиняется организм человека, как подчиняются законам природы созданные им машины.
6
7
1.2. Краткие сведения о дизайне
Под словом дизайн (от англ. design – намерение, цель, проект,
чертеж, план, замысел, и от лат. designare – отмерять, намечать) до
последнего времени следовало понимать определенный метод проектирования, посредством которого рассматриваемому объекту или
предметной среде, помимо их основных качеств, придаются дополнительные, такие как соответствующий внешний вид, достигаемый
созданием формы и цветового оформления.
Дизайн присутствует практически в любой сфере жизнедеятельности человека, связанной с промышленным производством.
Как вид искусства дизайн возник в связи с быстрым ростом промышленного производства в начале XX века – века технической революции, так как было замечено, что изготовление красивых и удобных вещей в сочетании с другими параметрами в условиях массового производства пользуется повышенным спросом благодаря тому,
что они в наибольшей степени соответствуют желаниям среднестатистического потребителя.
25 апреля 1919 года в Германии в результате слияния Саксонско-Веймарской Высшей школы изобразительных искусств и осно-
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 1. Понятия об эргономике и дизайне
ванной Анри ван де Вельде Саксонско-Веймарской школы прикладного искусства была создана высшая школа «Баухауз» (от нем.
Bauhaus, Hochschule für Bau und Gestaltung – высшая школа строительства и художественного конструирования), девизом которой стал:
«Новое единство искусства и технологии» (рис. 2).
В данной высшей школе помимо проектирования и архитектуры
начали исследовать эстетику функционализма, т. е. впервые появилась
идея о том, чтобы архитектура была удобной, красивой, экономичной,
функциональной и ориентированной на массовое производство.
где будущие художники-конструкторы овладевали практическими
навыками промышленного производства.
В 1928 году в США одновременно появляется несколько дизайнерских фирм, в связи с чем США несправедливо начали считать
родиной дизайна.
Формирование дизайна в России началось в 20-е годы XX века
с творческих поисков художников «левых» течений в производственном искусстве, а также теоретических исследований искусствоведов
и социологов.
Главными объектами зарождающегося массового дизайна стали праздничное оформление улиц, площадей, выставок, театров, различных помещений, создание рекламных плакатов, книжной продукции. В то же советское время появляются оригинальные идеи К. Малевича, А. Экстер, В. Татлина, А. Веснина, В. Степановой и других,
в Москве впервые создаются производственные факультеты в школе
подготовки дипломированных дизайнеров (ВХУТЕМАС – Московские государственные высшие художественно-технические мастерские), ставшие важнейшим центром создания и разработки новых форм
и стилей соединения искусства с промышленным производством.
Современные тенденции развития дизайна направлены в большей степени на изменение внешнего вида объекта, учитывая его назначение и технические параметры, стремясь при этом, кроме привлекательного внешнего вида объекта, сохранить его особенный стиль
как принадлежность к определенной фирме или торговой марке, что
удается далеко не всегда.
Это связано с тем, что найденные новые удачные сочетания технических и дизайнерских решений, почти всегда запатентованных,
начинают оперативно множиться в самых различных вариантах конкурентами. В результате оригинальное техническое решение очень
быстро становится рутинным, что заставляет дизайнеров еще более
интенсивно трудиться в поисках все новых и новых творческих решений компромисса между формой и содержанием.
Рис. 2. Высшая школа «Bauhaus» в Дессау (Германия)
В 1919 году школа выпустила собственный «Манифест», в котором выделила архитектуру как основное направление в современном дизайне. Также в нем приравнивались прикладные и изящные
искусства и были представлены идеи повышения качества продукции для удовлетворения массовых потребностей населения в желании придать промышленным товарам красоту, ценовую доступность
и максимальное удобство.
Построенные архитекторами школы «Баухауз» здания без традиционных украшений, характеризующиеся прямыми и сжатыми
формами, создали новый стиль в архитектуре.
Особенность этой школы заключалась и в том, что в ее учебные
программы были включены занятия в производственных мастерских,
8
9
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 2. Основные законы термодинамики
2.2. Основные термины и положения термодинамики
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
2.1. О становлении термодинамики как науки
Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических материальных систем, находящихся в различных состояниях относительно термодинамического равновесия, и о процессах
переходов между этими состояниями.
В начале своего становления процессы в термодинамических
системах рассматривались как равновесные и обратимые.
При этом эти системы рассматривались как изолированные от
внешней среды.
Равновесная термодинамика в основном разработана в середине XIX – начале XX века и содержит три закона – три «начала».
Первый закон термодинамики (первое начало термодинамики)
был сформулирован в середине XIX века Ю. Р. Майером, Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем.
Второй закон (второе начало термодинамики) был сформулирован в 1850 году Р. Клаузиусом и независимо от него в 1851 году
У. Томсоном.
Третий закон (третье начало термодинамики) был сформулирован в 1906 году В. Нернстом.
Неравновесная термодинамика (термодинамика открытых систем) была разработана в XX веке.
Она содержит два основных подраздела:
слабо неравновесную термодинамику, основы которой разработаны в 1931 году Л. Онсагером;
сильно неравновесную термодинамику, в основном разработанную Г. Хакеном, И. Пригожиным и Р. Томом в середине XX века.
Первой работой в области неравновесной термодинамики в биологии является опубликованная в 1935 году книга Э. Бауэра «Теоретическая биология», в которой был сформулирован «Всеобщий закон биологии».
10
Система – это совокупность материальных объектов (тел), отграниченных каким-либо образом от окружающей среды.
В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делятся на три типа:
1) изолированная – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией;
2) замкнутая, которая может обмениваться с окружающей средой лишь энергией и не может обмениваться веществом;
3) открытая, которая обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом.
Первые два типа термодинамических систем – условные, так
как все они на самом деле являются в той или иной степени открытыми, поскольку невозможно создать идеальный термос. Более того,
обеспечение эффективной термоизоляции – одна из наиболее серьезных научно-технических проблем.
Однако в целом ряде частных случаев термодинамические системы можно принять изолированными либо замкнутыми, когда процессами обмена энергией или веществом или с другими системами
можно пренебречь.
В зависимости от характера термодинамических процессов внутри систем последние делятся на пассивные, активные и смешанные
(предложено автором пособия Б. С. Доброборским в 2010 г.).
В пассивных термодинамических системах происходит перераспределение имеющейся энергии. Такие системы стремятся к термодинамическому равновесию.
В активных термодинамических системах происходит преобразование одного вида энергии в другой. Такие системы стремятся
к неравновесному термодинамическому состоянию.
В смешанных термодинамических системах происходят оба
процесса.
Состояние любой термодинамической системы характеризуется двумя группами параметров:
интенсивными термодинамическими параметрами (давление,
температура и др.), не зависящими от массы или числа частиц
в системе;
11
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 2. Основные законы термодинамики
экстенсивными термодинамическими параметрами (общая
энергия, энтропия, внутренняя энергия), зависящими от массы или
числа частиц в системе.
Изменение параметров термодинамической системы называется термодинамическим процессом.
Энергию системы W можно представить как совокупность двух
частей: зависящей от движения и положения системы как целого Wц
и не зависящей от этих факторов U:
W = Wц + U .
(1)
Вторую составляющую этой совокупности U называют внутренней энергией системы. Она включает энергию теплового движения частиц, а также химическую и ядерную энергии, определяющие
поступательное, колебательное и вращательное движения молекул,
внутримолекулярное взаимодействие и колебание атомов, энергию
вращения электронов.
Внутренняя энергия U (2) в свою очередь разделяется на свободную энергию и связанную энергию.
Свободная энергия G – часть внутренней энергии, которая может быть использована для совершения работы.
Связанная энергия Wсв – часть энергии, которую нельзя превратить в работу.
(2)
U = G + Wсв .
Потоки и термодинамические силы существуют в термодинамических системах, имеющих градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, под действием которых
возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии,
химических реакций.
Они называются общим термином «потоки» и обозначаются Ji,
а вызывающие их причины (отклонения термодинамических параметров от равновесных значений) – термодинамическими силами Хk.
Связь между Ji и Хk, если термодинамические силы малы, записывают в виде линейного уравнения:
12
m
J i = ∑ Lm X k ,
k =1
(3)
где i = 1, 2, …, m.
2.3. Общие сведения о равновесной термодинамике
2.3.1. Первое начало термодинамики
Первое начало термодинамики – один из трех основных законов термодинамики, представляющий собой закон сохранения энергии для систем, в которых существенное значение имеют тепловые
процессы.
Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая
система (например, пар в тепловой машине) может совершать работу
только за счет своей внутренней энергии или каких-либо внешних
источников энергии.
Первое начало термодинамики объясняет невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу,
не черпая энергию из какого-либо источника.
В чем заключается сущность первого начала термодинамики?
При сообщении термодинамической системе некоторого количества теплоты Q в общем случае происходит изменение внутренней
энергии системы U и система совершает работу А:
Q = ∆U + A.
(4)
Уравнение (4), выражающее первое начало термодинамики, является определением изменения внутренней энергии системы U, так
как Q и А – независимо измеряемые величины.
Внутреннюю энергию системы U можно, в частности, найти,
измеряя работу системы в адиабатном процессе (т. е. при Q = 0):
Аад = – U, что определяет U с точностью до некоторой аддитивной
постоянной U0:
(5)
U = U + U0.
13
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 2. Основные законы термодинамики
Первое начало термодинамики утверждает, что U является функцией состояния системы, т. е. каждое состояние термодинамической системы характеризуется определенным значением U независимо от того, каким путем система приведена в данное состояние (в то
время как значения Q и А зависят от процесса, приведшего к изменению состояния системы). При исследовании термодинамических
свойств физической системы первое начало термодинамики обычно
применяется совместно со вторым началом термодинамики.
Отсюда следует невозможность реализации вечного двигателя
2-го рода, т. е. двигателя без потерь энергии на трение и другие сопутствующие потери.
Кроме того, отсюда также следует, что все реальные процессы, происходящие в материальном мире в открытых системах, необратимы.
В современной термодинамике второе начало термодинамики
изолированных систем формулируется единым и самым общим образом как закон возрастания особой функции состояния системы,
которую Клаузиус назвал энтропией S.
В настоящее время термин «энтропия» применяется в самых
разных случаях.
Понятие энтропии впервые было введено Р. Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для оценки энергии в газах.
Обычно энергию тела определяют по его температуре, теплоемкости и внутренней энергии. Однако в отличие от жидкостей и твердых тел газы имеют свойство изменять свой объем. При этом их внутренняя энергия может значительно изменяться при постоянной температуре. Поэтому для характеристики термодинамического
состояния газа Клаузиус и ввел понятие энтропии.
По определению Клаузиуса
2.3.2. Второе начало термодинамики
Второе начало термодинамики является законом, в соответствии
с которым макроскопические процессы, протекающие с конечной
скоростью, необратимы.
В отличие от идеальных (без потерь) механических или электродинамических обратимых процессов, реальные процессы, связанные с теплообменом при конечной разности температур (т. е. текущие с конечной скоростью), сопровождаются разнообразными потерями: на трение, диффузию газов, расширением газов в пустоту,
выделением джоулевой теплоты и т. д. Поэтому эти процессы необратимы, т. е. могут самопроизвольно протекать только в одном направлении.
Второе начало термодинамики возникло исторически при анализе работы тепловых машин.
Само название «Второе начало термодинамики» и первая его
формулировка (1850 г.) принадлежат Р. Клаузиусу: «…невозможен
процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел
более холодных к телам более нагретым».
Причем такой процесс невозможен в принципе: ни путем прямого перехода теплоты от более холодных тел к более теплым,
ни с помощью каких-либо устройств без использования каких-либо
других процессов.
В 1851 году У. Томсон дал другую формулировку второго начала термодинамики: «В природе невозможны процессы, единственным следствием которых был бы подъем груза, произведенный за счет
охлаждения теплового резервуара».
Как видно, обе приведенные формулировки второго начала термодинамики практически одинаковы.
14
ds =
δQ
,
T
(6)
где ds – приращение энтропии; Q – минимальная энергия (теплота);
подведенная к системе; T – абсолютная температура процесса.
Здесь величина Q/T называется приведенным количеством энергии (теплоты), которое численно равно количеству энергии (теплоты), полученной системой, при постоянной абсолютной температуре T, деленному на эту температуру, что правомерно только для
газов. При этом возможны изменения их термодинамического состояния при постоянной температуре, именуемые изотермическими процессами.
На рис. 3 показана зависимость изменения давления газа P при
изменении его объема V при изотермическом процессе.
15
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 2. Основные законы термодинамики
Как видно из графика на рис. 3,
зависимость давления P от объема
V представляет собой нелинейный
процесс, сопровождающийся постоянной температурой.
Изотерма
В поисках физического смысла
энтропии для всех состояний материи, а не только для газов, Д. Гиббсом
и Л. Больцманом в 1975 году была
0
V
установлена связь между термодиРис. 3. График изотермического намической вероятностью состояния системы и ее энтропией.
процесса
В 1877 году Л. Больцман публикует H-теорему и предлагает новую трактовку энтропии и второго
начала термодинамики. Он предложил связать понимание энтропии
с вероятностью состояния тела.
Эта связь в виде формулы была представлена М. Планком:
2.3.3. Третье начало термодинамики
P
s
k ln( ) ,
Третье начало термодинамики – закон термодинамики, сформулированный В. Нернстом в 1906 году (тепловой закон Нернста), согласно которому энтропия S любой системы стремится к конечному
для нее пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы,
при стремлении температуры (Т) к абсолютному нулю.
Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное
значение энтропии, что нельзя сделать на основе первого и второго
начал термодинамики. В классической термодинамике (первого
и второго начал) энтропия может быть определена лишь с точностью
до произвольной аддитивной постоянной S0, что практически не мешает большинству термодинамических исследований, так как реально измеряется разность энтропий S0 в различных состояниях. Согласно
третьему началу термодинамики при Т
0 значение S 0.
М. Планк в 1911 году дал другую формулировку третьего начала термодинамики – как условие обращения в нуль энтропии всех
тел при стремлении температуры к абсолютному нулю:
(7)
− 23
lim S = 0 .
T →0
(8)
где – статистический вес состояния; k = 1,38 ⋅ 10 Дж/К – постоянная Больцмана;
– статистический вес состояния, является числом возможных микросостояний (способов), с помощью которых можно перейти в данное макроскопическое состояние.
Этот постулат, названный Альбертом Эйнштейном принципом
Больцмана, положил начало статистической механике, которая описывает термодинамические системы, используя статистическое поведение составляющих их компонентов. Принцип Больцмана связывает микроскопические свойства системы
с одним из ее термодинамических свойств s.
В свою очередь И. Р. Пригожин рассматривает энтропию как
меру беспорядка. Он сформулировал теорему, в соответствии с которой при стремлении термодинамической системы к термодинамическому равновесию производство энтропии стремится к нулю (теорема Пригожина).
При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии, если оно не вырождено (практически не зависит от квантовомеханического взаимодействия частиц), для которого W = 1 (состояние реализуется единственным микрораспределением).
Следовательно, при Т = 0 энтропия S = 0.
В действительности при всех измерениях стремление энтропии
к нулю начинает проявляться значительно раньше, чем может стать
16
17
Отсюда S0 = 0. Это дает возможность определять абсолютное
значение энтропии и других термодинамических потенциалов.
Формулировка Планка соответствует определению энтропии
в статистической физике через термодинамическую вероятность W
состояния системы:
(9)
S k lnW .
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 2. Основные законы термодинамики
существенной при T
0 дискретность квантовых уровней макроскопической системы, приводящая к явлениям квантового вырождения, когда на закономерность функционирования системы в большей
степени начинают влиять законы квантовой механики.
Из третьего начала термодинамики следует, что абсолютного нуля
температуры нельзя достигнуть ни в каком конечном процессе,
связанном с изменением энтропии, к нему можно лишь асимптотически
приближаться.
весной термодинамики в линейной, слабо неравновесной области –
«соотношения взаимности».
Суть их чисто качественно сводится к следующему: если сила
«один» (например, градиент температуры) для слабо неравновесных
ситуаций воздействует на поток «два» (например, на диффузию), то
сила «два» (градиент концентрации) воздействует на поток «один»
(поток тепла).
Таким образом, в слабо неравновесной области практически действуют законы равновесной термодинамики, система ни к чему не стремится и ее поведение в большинстве случаев вполне предсказуемо.
Сильно неравновесная термодинамика рассматривает процессы,
происходящие в системах, состояние которых далеко от равновесия.
Когда термодинамические силы, действуя на систему, становятся достаточно большими и выводят ее из линейной области в нелинейную, устойчивость состояния системы и ее независимость от флуктуации значительно уменьшается.
В таких состояниях определенные флуктуации усиливают свое
воздействие на систему, вынуждая ее при достижении точки бифуркации – потери устойчивости – эволюционировать к новому состоянию, которое может быть качественно отличным от исходного.
Рассмотрим несколько примеров.
На рис. 4 показан цилиндрический стержень, установленный на
плоскости в положении А.
2.4. Общие сведения о неравновесной термодинамике
Как было указано выше, классическая термодинамика (ее три
«начала») изучает термодинамические равновесные, обратимые процессы.
Для неравновесных процессов она устанавливает лишь неравенства, которые указывают возможное направление этих процессов.
Фундаментальными работами И. Р. Пригожина установлено, что
вся термодинамика делится на три большие области: равновесную,
в которой производство энтропии, потоки и силы равны нулю, слабо
неравновесную, в которой термодинамические силы «слабы» и энергетические потоки практически линейно зависят от сил, и сильно неравновесную, или нелинейную, где энергетические потоки нелинейны, а все термодинамические процессы носят необратимый характер.
Основная задача неравновесной термодинамики – количественное изучение неравновесных процессов, в частности, определение
их скоростей в зависимости от внешних условий.
В неравновесной термодинамике системы, в которых протекают неравновесные процессы, рассматриваются как непрерывные среды, а их параметры состояния – как полевые переменные, т. е. непрерывные функции координат и времени.
Слабо неравновесная (линейная) термодинамика рассматривает термодинамические процессы, происходящие в системах в состояниях, близких к равновесию.
Таким образом, линейная термодинамика описывает стабильное, предсказуемое поведение систем, стремящихся к минимальному уровню активности.
Первые работы в этой области принадлежат Ларсу Онсагеру,
который в 1931 году впервые открыл общие соотношения неравно18
y
F
А
Б
x
z
Рис. 4. Потеря устойчивости цилиндра после воздействия потока воздуха
19
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 2. Основные законы термодинамики
При воздействии на него потока воздуха, по нормали к его оси
с силой F Fкр, действующей в случайном направлении, стержень
упадет в этом случайном направлении на плоскости x–z, приняв положение Б. При этом очевидно, что он ни при каких воздействиях
потока воздуха не сможет вернуться в первоначальное положение.
Рассмотрим пример поведения песчинок на дороге.
При отсутствии ветра каждая из песчинок находится на дороге
в устойчивом положении независимо одна от другой. Однако при
возникновении ветра все песчинки начнут движение, образуя поток
часто достаточно большой силы. Таким образом, песчинки не только
движутся с определенной скоростью, но в результате своего группового взаимодействия приобретают совершенно новые свойства как
элементы потока.
Аналогично ведут себя и воздушные массы. В результате взаимодействия холодных и теплых воздушных масс в кучево-дождевом
облаке возникают мощные вихревые потоки, направленные вверх
в центре и вниз снаружи, известные как смерчи или торнадо, способные за несколько минут нанести громадные разрушения в результате
сильного разрежения воздуха. На рис. 5 показан водяной смерч у побережья Флориды.
В качестве еще одного примера приведем широко известный
эффект образования ячеек Бернара, представленных на рис. 6.
Этот эффект заключается в том, если в сосуд с плоским дном
налить масло, а сверху насыпать какой-либо плавающий порошок
и нагревать сосуд равномерно по всей площади снизу, например на
плите, то можно наблюдать, что порошок на поверхности масла в
какой-то момент времени начинает перестраиваться и образует сетку
с правильными шестиугольными ячейками.
Рис. 6. Ячейки Бернара
Рис. 5. Смерч у побережья Флориды (США)
Это происходит потому, что нижние слои масла, нагреваясь, расширяются, уменьшая объемный вес, в результате чего вытесняются
наверх холодными и тяжелыми слоями масла, которые опускаются
вниз. Происходит движение двух потоков масла – холодного вниз и
горячего вверх в результате неравенства температур и объемных весов. В результате формируются раздельные потоки в виде ячеек, которые можно увидеть с помощью плавающего порошка на поверхности масла.
Это фундаментальное свойство материи количественно и качественно изменять свое состояние и свойства в зависимости от окружающей среды получило название самоорганизации материи.
Причем, что касается термодинамических свойств материи, то
они являются необратимыми в силу того, что материя как термодинамическая система непрерывно взаимодействует с непрерывно изменяющимися другими термодинамическими системами.
20
21
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 2. Основные законы термодинамики
Что же касается физических и химических свойств конкретной
материи, то они всегда остаются постоянными.
Поэтому неживые материальные системы не развиваются, а их
состояния лишь изменяются в ту или иную сторону в результате изменений условий окружающей среды.
В случае неустановившегося термодинамического процесса:
термодинамические системы I и II с начальными температурами соответственно T1 и T2 обмениваются между собой тепловой энергией,
и при этом температура указанных систем соответственно меняется.
Этот процесс может быть описан уравнением
2.5. Пассивные и активные термодинамические системы
Понятия пассивных и активных термодинамических систем
были предложены автором пособия Б. С. Доброборским в 2010 году;
их сущность заключается в следующем.
В термодинамических системах могут происходить два вида
термодинамических процессов:
1) перераспределение имеющейся энергии;
2) преобразование одного вида энергии в другой.
Системы с первым видом термодинамических процессов называются пассивными, вторые – активными.
При одновременном наличии обоих процессов системы называются активно-пассивными.
Рассмотрим основные термодинамические свойства этих процессов.
Если между двумя некоторыми термодинамическими системами I и II существует градиент температур, то в соответствии с первым началом термодинамики между ними возникнет поток энергии,
направленный от более нагретой системы к менее нагретой. При установившемся термодинамическом процессе, например между бесконечно большими термодинамическими системами, состояние которых практически не зависит от времени, он может быть описан
уравнением теплопроводности Фурье (10):
J q = − k ⋅ gradT ( x),
(10)
где Jq – вектор потока тепла – количество энергии, проходящей через
единицу площади (плотность потока энергии) в единицу времени,
перпендикулярной оси x; k – коэффициент теплопроводности; T –
температура.
22
J = f (T ) =
где t – время процесса.
Отсюда
t=
− k (T1 − T2 )
→ 0,
t
− k (T1 − T2 )
→ ∞.
J
(11)
(12)
Из (12) следует:
1) макрообъекты термодинамических систем непрерывно стремятся к термодинамическому равновесию, но никогда его не достигают;
2) термодинамические системы, между которыми происходит
обмен энергией, всегда находятся в неустойчивом неравновесном
термодинамическом состоянии.
Таким образом, тепловая энергия каждой из указанных двух термодинамических систем может быть представлена в виде:
Q (t ) = Qlim ± ∆Q(t ),
(13)
где Qlim – величина тепловой энергии равновесного состояния термодинамической системы, к которой она стремится; Q(t) – остаточная
тепловая энергия неравновесного состояния термодинамической системы, участвующая в обмене энергией.
Однако хорошо известны термодинамические системы, в которых происходит не обмен энергией, а преобразование одних видов
энергии в другие. К таким системам можно отнести системы, в которых происходят химические реакции, различные виды двигателей:
тепловые, внутреннего сгорания, электрические и другие, а также
живые организмы.
В соответствии со вторым началом термодинамики в установившемся процессе функционирования этих термодинамических си23
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
стем их работа сопровождается постоянным выделением либо поглощением тепловой энергии.
При этом внутренняя тепловая энергия этих систем не меняется:
Qср.вн = соnst,
(14)
а их термодинамическое состояние можно определить как неравновесное устойчивое:
W = Qср.вн + Wk + Qт ,
(15)
где Wk – преобразуемая энергия; Qт – тепловая энергия, выделяемая
в окружающую среду.
Таким образом, указанные системы в процессе их функционирования всегда находятся в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии.
Как в пассивной, так и в активной термодинамических системах полная энергия термодинамической системы представляет
собой сумму внутренней кинетической энергии движения всех тел,
входящих в систему, потенциальной энергии взаимодействия их между собой и энергии, содержащейся внутри тел системы (в полную
энергию термодинамических систем не входят кинетические и потенциальные энергии по отношению к другим термодинамическим
системам).
Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
биологических систем
Труд человека, как и работа машины, сопряжен с определенными энергетическими затратами. Однако биологическая природа человека, представляющего собой живой организм, в отличие от машин, подчиняется наряду с физическими законами еще и целому ряду
биологических законов, в частности законам термодинамики биологических систем.
В связи с этим для определения принципов функционирования
систем «человек–машина» рассмотрим основные энергетические
и биологические процессы, происходящие в живых организмах.
3.1. Общие сведения о физиологии функционирования клетки
Клетки делятся на ядерные (эукариотические) и безъядерные
(прокариотические). На рис. 7 представлены схематические структуры
эукариотических клеток животных и растений.
а
б
Рис. 7. Схематические рисунки строения клетки:
а – животного; б – растения
24
25
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Клетки содержат различные органоиды: ядро, везикулы, митохондриию и другие, выполняющие самые разные функции, обеспечивающие их жизнедеятельность как полноценных организмов.
Органоиды (от др.-греч. organon – орган и eidos – вид), или органеллы, – постоянные специализированные структуры в клетках живых организмов. Каждый органоид осуществляет определенные функции, жизненно необходимые для клетки. Термин «органоиды» объясняется сопоставлением этих компонентов клетки с органами
многоклеточного организма. Кроме органоидов, в клетках формируются и исчезают временные включения, связанные с обменом веществ.
В большинстве органоидов в эукариотической клетке имеются
места локализации биохимических процессов, называемые компартментами.
Рассмотрим назначение и функции основных органоидов клетки, как это описано в биологической литературе.
Везикулы – это относительно маленькие внутриклеточные органоиды, представляющие собой мембранозащищенные сумки,
в которых запасаются или транспортируются питательные вещества.
Везикула считается основным инструментом клетки, обеспечивающим обмен веществ (метаболизм) и их транспорт, а также хранение
ферментов.
Лизосома – клеточный органоид, один из видов везикул. Разные
виды лизосом могут рассматриваться как отдельные клеточные компартменты.
Функциями лизосом являются:
переваривание захваченных клеткой внешних веществ или
частиц;
аутофагия – уничтожение ненужных клетке структур, например во время замены старых органоидов новыми, или переваривание
белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки;
автолиз – самопереваривание клетки, приводящее к ее гибели (иногда этот процесс не является патологическим, а сопровождает
развитие организма или дифференцировку некоторых специализированных клеток. Например при превращении головастика в лягушку
лизосомы, находящиеся в клетках хвоста, переваривают его: хвост
исчезает, а образовавшиеся во время этого процесса вещества всасываются и используются другими клетками тела);
растворение внешних структур.
Рибосома – важнейший немембранный органоид живой клетки.
Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной
матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК – рибонуклеиновой кислотóй – одной из трех основных
макромолекул (две другие – ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов, или мРНК (белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединенных в цепочку пептидной связью. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом).
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных
видов РНК и белков.
Матричная рибонуклеиновая кислота (мРНК, синоним – информационная РНК, иРНК) – РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков. мРНК
синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою
очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза
белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.
Центриоль – внутриклеточный органоид эукариотической клетки, представляющий тельца в структуре клетки, размер которых находится на границе разрешающей способности светового микроскопа.
Центриоли принимают участие в формировании цитоплазматических микротрубочек во время деления клетки и в регуляции образования митотического веретена – одной из фаз деления клетки.
Митохондрия – двумембранная гранулярная или нитевидная
органелла.
Основная функция митохондрий – окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии в синтезе молекул АТФ.
Хроматин – вещество хромосом – комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток-эукариот и входит в состав нуклеоида и прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация – процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты
26
27
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
на матрице родительской молекулы ДНК и репарация – особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические
повреждения и разрывы в молекулах ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов ДНК.
Ядро – один из структурных компонентов эукариотической клетки, содержащий генетическую информацию (молекулы ДНК), осуществляющий основные функции: хранение, передача и реализация
наследственной информации с обеспечением синтеза белка.
Ядрышко находится внутри ядра и не имеет собственной мембранной оболочки, однако хорошо различимо под световым и электронным микроскопом. Основной функцией ядрышка является синтез рибосом.
Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) или эндоплазматическая
сеть (ЭПС) – внутриклеточный органоид эукариотической клетки,
представляющий собой разветвленную систему из окруженных мембраной уплощенных полостей, пузырьков и канальцев. Главная функция гранулярного (шероховатого) эндоплазматического ретикулума –
синтез белков.
Агранулярный эндоплазматический ретикулум осуществляет
синтез гормонов, накопление и преобразование углеводов, нейтрализацию ядов, накопление кальция.
Аппарат (комплекс) Гольджи – мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме.
Аппарат Гольджи был назван так в честь итальянского ученого
К. Гольджи, впервые обнаружившего его в 1897 году.
Пероксисома – органелла эукариотической клетки, ограниченная мембраной, содержащая большое количество ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции. Набор функций пероксисом различается в клетках разных типов. Среди них:
окисление жирных кислот, фотодыхание, разрушение токсичных соединений, синтез желчных кислот, холестерина, а также эфиросодержащих липидов, построение миелиновой оболочки нервных волокон
и т. д. Наряду с митохондриями пероксисомы являются главными
потребителями O2 в клетке.
Микротрубочки – белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав цитоскелета, представляют собой полые внутри ци-
линдры диаметром 25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до, вероятно, нескольких миллиметров.
Микрофиламенты – нити, состоящие из молекул глобулярного
белка актина, присутствующие в цитоплазме всех эукариотических
клеток. Под плазматической мембраной микрофиламенты образуют
трехмерную сеть, в цитоплазме клетки формируют пучки из параллельно ориентированных нитей или трехмерную сеть.
Гликоген (также иногда называемый животным крахмалом, несмотря на неточность этого термина) является основной формой хранения глюкозы в животных клетках. Откладывается в виде гранул
в цитоплазме во многих типах клеток (главным образом печени
и мышц). Гликоген образует энергетический резерв, который может
быть быстро мобилизован при необходимости восполнить внезапный
недостаток глюкозы.
Липидные капли – структуры сферической формы, придающие
гранулярность цитоплазме растительной клетки при наблюдении ее
под световым микроскопом. Более мелкие капли встречаются в пластидах. Однако проведенные исследования показали, что у липидных
капель нет мембраны, хотя они могут быть покрыты белком.
Десмосома – один из типов межклеточных контактов, обеспечивающих прочное соединение клеток (как правило, эпителиальной
или мышечной ткани) у животных. Функция десмосом заключается
главным образом в обеспечении механической связи между клетками.
Реснички – органеллы, представляющие собой тонкие волосковидные структуры на поверхности эукариотических клеток. У человека ресничным эпителием выстланы дыхательные пути, евстахиевы
трубы, семявыносящие канальцы, желудочки мозга и спинномозговой (центральный) канал. Видоизмененные реснички служат световоспринимающим аппаратом фоторецепторов сетчатки глаза и воспринимающим запахи аппаратом хеморецепторов обонятельного эпителия.
Точное назначение каждой из органелл и параметры их функционирования до настоящего времени не известны. Известны лишь некоторые общие процессы биохимических реакций, происходящих в них.
Как видно из рассмотрения функционирования органоидов,
клетки представляют собой полноценный организм, обеспечивающий
выполнение всех необходимых функций для своего существования.
28
29
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Клетки животных и растений мало различаются между собой.
Однако в клетках растений имеются особые органоиды – хлоропласты, обеспечивающие их важнейшее свойство – фотосинтез.
деленного значения. Кроме того, Блэкманом была установлена зависимость скорости фотосинтеза от температуры.
К настоящему времени основные процессы, происходящие при
фотосинтезе, в достаточной степени установлены и подробно описаны в биологической литературе.
Здесь же будут рассмотрены лишь самые общие сведения об этом
процессе.
Фотосинтез происходит в органоидах клеток растений, называемых хлоропласты.
Собственно фотосинтез представляет собой химическую реакцию углекислого газа и воды под действием энергии света в зернах
хлорофилла:
6СО2 + 6Н2О + Wсвета С6Н12О6 + 6О2
3.2. Общие сведения о фотосинтезе и хемосинтезе
Для обеспечения жизнедеятельности всем живым организмам
требуется энергия.
В настоящее время известно два способа получения энергии
живыми организмами:
1. Путем фотосинтеза, осуществляемого растениями с помощью
молекул хлорофилла, которые преобразуют лучистую энергию Солнца в химическую энергию. Тем самым они обеспечивают работу
многочисленных фотофизических, фотохимических, биохимических
и иных процессов, происходящих в их клетках.
2. Путем хемосинтеза – окислений неорганических соединений,
осуществляемых некоторыми бактериями, при которых выделяемая
энергия также обеспечивает работу указанных выше процессов.
Другие организмы, включая организм человека, получают энергию путем синтеза растительных продуктов питания.
3.2.1. Фотосинтез
В области фотосинтеза первые работы были выполнены в XVII веке
голландским естествоиспытателем, врачом и теософом-мистиком
Я. Б. ван Гельмонтом, который установил, что почва не является
источником материала для построения растущего дерева.
В 1771 году английский ученый Дж. Пристли сделал следующее открытие: он заметил, что зеленые растения на свету продолжают жить в атмосфере СО2 и даже делают его пригодным для дыхания.
В течение последующих лет серьезные работы по фотосинтезу
не велись и возобновились лишь в 1905 году, когда известный английский физиолог растений Ф. Блэкман установил новые законы, по
которым проходят процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается уже при слабом освещении, а также то, что скорость
фотосинтеза пропорциональна величине светового потока до опре30
Хлорофиллы поглощают красный и сине-фиолетовый свет, отражают зеленый, поэтому придают растениям характерную зеленую
окраску.
В растениях после реакции фотосинтеза происходит сложный
многоступенчатый процесс других реакций, содержащий реакции
световой и темновой фаз.
Световая фаза происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов – компартментов внутри хлоропластов, при участии хлорофилла, белков – переносчиков электронов и фермента –
АТФ-синтетазы. Под действием кванта света электроны хлорофилла
возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону
мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, находящейся во внутритилакоидном пространстве. Это
приводит к распаду или фотолизу воды:
Н2О + Wсвета
Н+ + ОН–
Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы •ОН:
ОН–
•ОН + е–
31
Радикалы •ОН объединяются, образуя воду и свободный
кислород:
4НО• 2Н2О + О2
Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре». В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счет Н+ заряжается положительно, с другой за счет электронов – отрицательно.
Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ (аденозиндифосфат) до АТФ (аденозинтрифосфат); атомарный водород идет на восстановление никотинамидадениндинуклеотидфосфата – специфического переносчика НАДФ+ до НАДФ Н2:
2Н + 2е + НАДФ
+
–
НАДФ Н2
Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1) синтезом
АТФ; 2) образованием НАДФ Н2; 3) образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ Н2 транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.
В этой фазе после процесса расщепления воды происходит ряд
биохимических и физических процессов, в результате которых синтезируется АТФ (аденозинтрифосфат) с образованием НАДФ Н2
и кислорода.
Темновая фаза представляет собой последовательность реакций
углекислого газа, поступающего из воздуха, с органическими веществами в хлоропластах, в результате которых образуется ряд таких
органических веществ, как глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты и нуклеотиды.
Основные энергетические процессы в клетках заключаются
в синтезе и расщеплении АТФ.
Как видно из рис. 8, АТФ состоит из трех фосфатных групп,
остатков азотистого основания (аденина) и остатка сахара (рибозы).
32
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Фосфоангидридные
связи
Фосфатные группы
Фосфоэфирная
связь
Аденин
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Рибоза
Рис. 8. Структура АТФ
При разрыве фосфоангидридных и фосфоэфирной связей выделяется энергия.
Фосфатные группы могут быть постадийно отщеплены путем
растворения в воде (гидролиза) и образования ортофосфата или неорганического фосфата и аденозиндифосфата АДФ, а после расщепления АДФ и аденозинмонофосфата – с выделением энергии на каждой стадии:
АТФ + Н2О АДФ + Фн + Н+ + G = –30 кДж/моль;
АДФ + Н2О АМФ + Фн + Н+ + G = –30 кДж/моль;
АМФ + Н2О аденозин + Фн + Н+ + G = –13 кДж/моль.
Здесь Фн – неорганический фосфат; H+ – положительный ион
водорода; G – изменение свободной энергии, выделяемой при отрыве концевой фосфатной группы.
Обычно клетки извлекают энергию из АТФ во время клеточного дыхания, отщепляя от его молекулы только одну фосфатную группу.
На рис. 9 приведен пример упрощенного графика циклов синтеза-расщепления АТФ.
33
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Изображенные на графике
процессы синтеза АТФ
I
II
(кривая I) и расщепления
Umax
АТФ (кривая II) представляUm
ют собой непрерывную посUmin
ледовательность циклов, причем оба процесса протекают
0
t
по законам, близким к экспоРис. 9. Упрощенный график синтезанентам.
расщепления АТФ:
Верхние и нижние граU – количество АТФ в клетке; I – проницы
концентрации биохицесс синтеза; II – процесс расщепления
мических веществ Umax и Umin
определяются положительной и отрицательной обратными связями,
имеющимися в клетках, о которых будет указано ниже.
Биосинтез органических соединений при хемосинтезе осуществляется точно так же, как и при фотосинтезе, конечным результатом которого является АТФ.
Другие живые организмы получают АТФ уже из растений, используя их в качестве продуктов питания.
Поэтому основными биохимическими реакциями, происходящими в живых организмах, следует считать те, которые направлены
на обеспечение организма необходимой энергией, т. е. синтез и расщепление АТФ.
Отсюда следуют важные выводы:
1. Обмен веществ, происходящий в живых организмах, является абсолютно естественным процессом по законам физики и химии.
2. Принципиальным условием возникновения жизни на Земле
является смена дня и ночи.
3.2.2. Хемосинтез
3.3. Первый закон термодинамики биологических систем
(«Всеобщий закон биологии» Э. С. Бауэра)
U
Хемосинтез (хемолитоавтотрофия) – тип питания, свойственный
некоторым бактериям, способным усваивать CO2 как единственный
источник углерода за счет энергии окисления неорганических соединений, был открыт в 1887 году С. Н. Виноградским.
Сущностью этого процесса является то, что необходимая для
жизни энергия выделяется в результате различных окислительновосстановительных реакций.
Это открытие в значительной степени изменило представление
ученых об обмене веществ, происходящем в живых организмах.
Для получения энергии путем окислительно-восстановительных
реакций бактериями окисляется водород, окись углерода, восстановленные соединения серы, железо, аммиак, нитриты, сурьма и другие
вещества.
Наиболее многочисленной группой хемосинтезирующих организмов являются водородные бактерии, которые для выделения энергии осуществляют реакцию:
где (CH2O) – условное обозначение образующихся органических
веществ.
Наряду с теоретическими работами физиков над проблемами
законов термодинамики, этой же проблемой, но применительно
к биологии, в начале ХХ века занимался венгерско-российский ученый, биолог-теоретик Э. С. Бауэр.
В то время биология как наука еще не была достаточно развита.
Еще не был известен состав клеток и их основные функции, и считалось, что жизнь – это некоторое вещество с особыми свойствами.
В микроскопе живое вещество различных живых организмов
выглядело практически одинаково – в виде клеток с желеобразной
массой (которая получила название протоплазма).
Основная задача, которую поставил перед собой Э. Бауэр, –
определить основные термодинамические свойства живых веществ,
за которые он принимал молекулы белков в особом, неравновесном
состоянии.
Несмотря на целый ряд ошибочных предположений, принципиальным научным достижением Э. Бауэра в этой работе является неопровержимое доказательство того, что живые организмы могут находиться только в устойчивом неравновесном термодинамическом
состоянии.
34
35
6H2 + 2O2 + CO2 = (CH2O) + 5H2O,
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Э. Бауэром был сформулирован «Всеобщий закон биологии»
в следующей редакции:
Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии
и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу
против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях.
По существу этот закон является Первым законом термодинамики биологических систем.
Э. Бауэром также был сформулирован «Принцип устойчивого
неравновесия живых систем»:
Для живых систем характерно именно то, что они за счет
своей свободной энергии производят работу против ожидаемого
равновесия.
Позже теория Э. Бауэра была полностью подтверждена работами И. Пригожина, Г. Хакена и Р. Тома.
Как утверждал И. Пригожин: «…и биосфера в целом, и ее различные компоненты, живые или неживые, существуют в сильно
неравновесных условиях. В этом смысле жизнь, заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстает перед нами как
высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации».
Однако, как было установлено автором, сформулированный
Э. Бауэром «Всеобщий закон биологии» содержит две существенные
ошибки.
1. Живые организмы относятся к термодинамическим системам
активного типа, т. е. к таким, в которых происходит преобразование
энергии и которые всегда находятся в неравновесном термодинамическом состоянии. Поэтому утверждение Э. Бауэра о том, что «Все
и только живые системы никогда не бывают в равновесии» не соответствует действительности.
2. К равновесному термодинамическому состоянию, требуемому законами физики, стремятся только термодинамические системы
пассивного типа, что к живым организмам не относится.
3.4. Биологические ритмы как способ существования
живой материи
36
3.4.1. Историческая справка
О существовании биологических ритмов людям известно с древних времен. Уже в «Ветхом Завете» даны точные указания о правильном образе жизни, питании, чередовании фаз активности и отдыха
и ряд других рекомендаций. Об этом писали многие выдающиеся ученые древности: Гиппократ, Авиценна и другие.
Основателем хронобиологии – науки о биоритмах, принято считать немецкого врача Х. В. Гуфелянда.
В 1797 году он привлек внимание коллег к универсальности
ритмических процессов в биологии: каждый день жизнь повторяется
в определенных ритмах, а суточный цикл, связанный с вращением
Земли вокруг своей оси, регулирует жизнедеятельность всего живого, включая организм человека.
Первые серьезные научные исследования в этой области начали
проводиться учеными разных стран лишь в начале XX века, в том
числе российскими учеными И. П. Павловым, В. В. Вернадским,
А. Л. Чижевским и другими.
К концу XХ века факт ритмичности биологических процессов
живых организмов стал считаться одним из фундаментальных свойств
живой материи и сущностью организации жизни.
Однако природа биоритмов до последнего времени была неясна.
Как бывает в таких случаях, исследования биоритмов представляли собой процесс накопления информации, выявления свойств
и закономерностей методами статистики, рассматривались вопросы
практического использования.
В результате в науке о биоритмах возникло два научных направления: хронобиология и хрономедицина.
Одной из основных работ в этой области можно считать разработанную Ф. Хальбергом в 1964 году классификацию биологических ритмов.
В соответствии с этой классификацией все биоритмы подразделяются следующим образом:
ультрадианные – с периодом меньше 20 ч;
37
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
циркадианные – с периодом 24 ± 4 ч;
инфрадианные – с периодом больше 28 ч.
Среди последних следует выделять:
циркасемисептанные – с периодом примерно 3 ± 0,5 сут;
циркасептанные – с периодом 7 ± 3 сут;
иркадисептанные – с периодом 14 ± 3 сут;
иркавигинтанные – с периодом 21 ± 3 сут;
иркатригинтанные – с периодом 30 ± 5 сут;
ирканнуальные – с периодом 1 год ± 2 мес.
Далее будет показано, что количество биоритмов на самом деле
значительно больше.
Каждая клетка, каждый орган, каждая система и целостный организм имеют множество различных биоритмов, связанных с самыми
разнообразными циклами обмена веществ, объединенных общим термином – метаболизм.
По поводу природы биоритмов был высказан целый ряд гипотез, производились многочисленные попытки определить их новые
закономерности. Вот некоторые из них.
В 1959 году Ю. Ашофф, директор Института физиологии поведения имени М. Планка в Андексе (Германия), обнаружил закономерность, которая была названа «Правилом Ашоффа» (под этим названием оно вошло в хронобиологию и историю науки).
Правило гласит: «У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то
время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте».
И действительно, как впоследствии установил Ю. Ашофф, при
длительной изоляции человека или животных в темноте цикл «бодрствование – сон» удлиняется за счет увеличения продолжительности
фазы бодрствования. Из правила Ашоффа предполагается следствие,
что именно свет определяет циркадные колебания организма. Шведский исследователь Фольсгрен в опытах на кроликах обнаружил суточный ритм гликогена и желчеобразования.
Советские ученые Е. Е. Введенский, А. И. Ухтомский, а также
И. П. Павлов и В. В. Парина осуществили попытку теоретически обосновать механизмы возникновения ритмических процессов в нервной
системе и показали, что ее (т. е. нервной системы) ритм определяет
прежде всего ритм возбуждения и торможения. Известные российс-
кие ученые Ф. И. Комаров и С. И. Рапопорт в своей книге «Хронобиология и хрономедицина» дают следующее определение биоритмов:
«Ритм представляет собой характеристику периодической временной
структуры. Ритмичность характеризует как определенный порядок временной последовательности, так и длительность отрезков времени, поскольку содержит чередование фаз различной продолжительности».
Таким образом, до последнего времени природа и основные
физиологические свойства биологических ритмов были не выяснены, хотя было понятно, что они имеют в процессах жизнедеятельности живых организмов очень большое значение. Природу биоритмов
и их основные свойства удалось установить только в результате термодинамического анализа процессов, происходящих в биологических системах.
Отметим, что, теоретически предположив наличие структур,
обеспечивающих термодинамическое неравновесие, Э. Бауэр не установил, каким образом живые организмы постоянно поддерживают
это неравновесное термодинамическое состояние.
Неравновесие означает, утверждал Э. Бауэр, что все структуры
живых клеток на молекулярном уровне заранее заряжены «лишней»,
избыточной по сравнению с такой же неживой молекулой энергией,
что выражается в неравенстве потенциалов в созданном химическом
или электрическом градиенте, тогда как в неживой замкнутой системе любые градиенты распределяются в соответствии с правилом энтропии равномерно.
Эту «лишнюю» энергию, существующую в живых клетках на
любом уровне, Бауэр называет «структурной энергией» и понимает
как деформацию, неравновесие в строении живой молекулы.
Для определения того, каким образом живыми системами обеспечивается состояние устойчивого неравновесия, проведем анализ
термодинамических процессов, происходящих в живых организмах.
Так, получение свободной энергии из продуктов питания путем
синтеза и расщепления АТФ для обеспечения своей жизнедеятельности живые организмы осуществляют с помощью биохимических реакций метаболизма, представляющих собой циклы обмена веществ.
38
39
3.4.2. Природа биоритмов. Второй закон термодинамики
биологических систем
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Эти реакции – сложные комплексы разнообразных биохимических
реакций расщепления и синтеза веществ различными метаболическими путями.
Поскольку обмен веСа, %
ществ происходит циклами,
то в клетках в соответствии
100
с этими циклами непрерывно и периодически изме-няются
концентрации
20
веществ, участвующих
t, c в многочисленных биохимических реакциях.
0
75 150 225 300 375
На рис. 10 в качестве
Рис. 10. График внутриклеточных колепримера
представлен грабаний концентрации кальция
фик внутриклеточных колебаний концентрации кальция.
На рис. 11 приведен пример схемы регуляции ферментативных
реакций.
На рис. 11 цифры, заключенные в кружки, указывают вероятные участки
действия гормонов: 1 – изменение проницаемости
мембраны; 2 – переход фермента из неактивной формы
в активную; 3 – изменение
скорости трансляции мРНК
на рибосомальном уровне;
4 – индукция образования
новой мРНК; 5 – репрессия
образования мРНК.
Таким образом, регуляция скорости протекания
ферментативных реакций
Рис. 11. Пример схемы регуляции фермен- происходит посредством их
тативных реакций
активации (ускорения) и ингибирования (замедления)
путем соответствующих положительных и отрицательных гормональных обратных связей.
Устойчивость неравновесного термодинамического состояния
(НТС) клеток обеспечивается следующим образом.
При минимальном значении НТС клетки датчики включают режим расщепления АТФ, в результате чего их энергия начинает возрастать, достигая некоторого максимального значения; при максимальном значении НТС клетки датчики включают режим синтеза АТФ,
при котором энергия организма начинает уменьшаться.
Таким образом, устойчивость неравновесного термодинамического состояния клеток заключается в том, что величина их НТС всегда непрерывно колеблется в пределах, определяемых аллостерическими модуляторами и гормонами.
Количественная оценка условий и степени устойчивости неравновесного термодинамического состояния как клеток, так и органов,
систем и целостного организма может быть определена с помощью
методов А. М. Ляпунова, которым в конце XIX века были разработаны общие критерии устойчивости.
Для определения условий устойчивости НТС биологических
систем могут быть применены методы, широко используемые при
анализе условий устойчивости НТС систем неживой материи, так как
биологические функции всегда являются непрерывными, монотонными и определяемыми во всех точках.
Устойчивость состояний систем обеспечивается путем наличия
в них положительных и отрицательных обратных связей. Например,
для некоторой функции y = f(x) условия устойчивости определяются
следующими выражениями:
Эти условия в живых организмах определяются реакциями аллостерических модуляторов и гормонов, выполняющих функции положительных и отрицательных обратных связей (рис. 12).
40
41
x
0,
dy
< 0,
dt
(16)
x
0,
dy
> 0.
dt
(17)
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Как видно из рис. 12,
при увеличении x функция y
Положительная обратная связь
уменьшается, а при
уменьшении x функция y
увеличивается, обеспечиXk
x
вая тем самым устойчивое
Отрицательная обратная связь значение параметра X
в окрестности точки Xk.
Величина и скорость изменения конценРис. 12. График зависимости изменений
трации и количества ферфункции y от x
ментов, управляющих
биохимическими реакциями, зависят от вида, закономерности изменений, интенсивности и длительности физико-химических и психологических нагрузок, получаемых организмом как из внутренних
источников, так и из внешней среды, на которые организм в той или
иной степени реагирует путем соответствующих изменений функциональных сдвигов его физиологических параметров (частота сердечных сокращений, артериальное давление, длительность реакций на
раздражители и другое).
Эти реакции происходят поочередно в зависимости от состояния внешней среды, которое в свою очередь вызывает те или иные
гормональные реакции. Графики чередований синтеза и расщепления АТФ и соответствующих им чередований затрат и выделения
энергии представлены на рис. 13.
В результате последовательных чередований циклов биохимических реакций синтеза и расщепления АТФ соответственно протекают и термодинамические процессы затрат и выделения энергии,
причем количество выделяемой энергии больше потребляемой.
Среднее значение разницы между выделяемой и потребляемой
энергией равно Wср > 0.
Величина энергии Wср всегда больше нуля и непосредственно зависит от реакции клетки на воздействия внутренней и внешней среды
в виде ферментативной регуляции процессов синтеза и расщепления
АТФ. Датчиками, определяющими скорость и характер метаболических процессов в клетках, являются аллостерические модуляторы и гормоны, непрерывно контролирующие их термодинамическое состояние.
Рассмотрим термодинамиa U
ческие процессы на уровне оргаСинтез Расщепление
нов, систем и организма в целом
на примере организма человека.
Поскольку каждая клетка
представляет собой полноценный
T
микроорганизм, находящийся
б W
в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии, обWв
Wп
разуемые этими клетками органы,
Wср
системы и целостные организмы
0
также находятся в устойчивом
неравновесном термодинамичеt
ском состоянии.
I
II
Причем, так как все биохи- Рис. 13. Графики чередований синтеза и расщепления АТФ:
мические процессы в этих клета
–
график
чередования фаз синтеза
ках взаимосвязаны, то функциои
расщепления
веществ; б – график
нирование органов, систем
чередования фаз потребления и выи целостных организмов обеспеделения энергии; I – фаза потреблечивается путем соответствующих ния энергии; II – фаза выделения
совокупных синхронных интег- энергии; W – энергия потребления;
п
ральных колебаний неравновес- Wв – энергия выделения; Wср – средного термодинамического состо- недействующее значение выделяемой энергии
яния клеток.
Это находит свое выражение
в периодических колебаниях физиологических параметров (функциональных сдвигов) органов,
систем и целостного организма.
Наглядным примером может служить последовательность сокращений и расслаблений сердечной мышцы: при сокращении сердечной
мышцы у входящих в нее клеток происходят синхронные процессы
расщепления АТФ, а при расслаблении – процессы синтеза АТФ.
Закономерность изменений функциональных сдвигов в случае их
когерентности происходит в соответствии с законом действующих масс.
Поскольку состояние и функционирование всех органов и систем целостного организма так или иначе связаны между собой, воз-
42
43
y
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
действие любой из возможных нагрузок, а также их сочетаний вызывает разнообразные функциональные сдвиги во всех органах и системах организма в соответствии с видом, величиной, длительностью
и другими параметрами нагрузок.
Таким образом, величина изменения каждого функционального
сдвига uj может быть представлена в виде системы дифференциальных уравнений (18):
где u1, u2, …, uj – основные функциональные сдвиги; n1, n2, …, nj –
коэффициенты пропорциональности.
В случае одновременного воздействия нескольких нагрузок в
зависимости от их свойств, сочетаний, величины и характера воздействия состав и величины основных функциональных сдвигов могут
меняться в ту или иную сторону. При этом коэффициенты n1, n2, …, nj
станут функциями от si и wi:
 du1
 dt = k1 f ( si , wi , Twi , ...)

 du2 = k f ( s , w , T , ...)
2
i
i wi
,
 dt
.....................................

 du j = k f ( s , w , T , ...)
j
i
i wi
 dt
(18)
где kj – корректирующий коэффициент; si – вид нагрузки; wi – величина нагрузки; Twi – длительность воздействия нагрузки и т. д.
В зависимости от параметров нагрузок в организме человека
возникает множество различных функциональных сдвигов.
Однако для каждого вида нагрузок характерны определенные группы основных функциональных сдвигов, в наибольшей степени реагирующих на соответствующие виды нагрузок и в основном определяющие
состояние организма, нежели все остальные, а их величины в первую
очередь отражают уровни нагрузок и длительности их воздействия.
В случае воздействия на организм одной нагрузки закономерность роста вызванных ею основных функциональных сдвигов можно представить в виде (19):
 du1
 dt = n1 wTw

k du 2 = n wT

2
w
,
 dt
......................

 du j
k dt = n j wTw
44
(19)
n1 = f ( s1 , s2 , ..., s z ; w1 , w2 , ..., wz ),
(20)
n2 = f ( s1 , s2 , ..., s z ; w1 , w2 , ..., wz ).
(21)
Отсюда следует, что, меняя в определенных пределах параметры одной из нагрузок и при этом контролируя изменения всех основных функциональных сдвигов, возможно, при соответствующей статистической обработке, определение и количественный учет коэффициентов n1, n2, …, nj, и, тем самым, значимости каждой из нагрузок.
Необходимо отметить, что при последовательных циклах сокращения и расслабления сердечной мышцы в этих процессах статистически достоверно одновременно, интегрированно и синхронно происходят соответствующие биохимические реакции у огромного количества клеток, каждая из которых в составе сердечной мышцы
выполняет свою роль. При этом частота сердечных сокращений определяется термодинамическим состоянием всего организма и может колебаться в зависимости от испытываемой организмом нагрузки в достаточно больших пределах. Аналогично происходят соответствующие колебательные процессы в системе дыхания, центральной
нервной системе и других.
Анализируя любые физиологические процессы, нетрудно убедиться, что отнюдь не все клетки, вовлеченные в эти процессы, ведут
себя как солдатики, четко выполняя предписанную им роль.
В живых организмах, являющихся открытыми термодинамическими системами, непрерывно происходят различные необратимые
процессы, поэтому условия существования и жизнедеятельности каждой клетки непрерывно меняются и соответственно меняются (перераспределяются) их роли в интегральных процессах, происходящих
в органах и системах.
45
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Однако статистически, в результате действия большого количества клеток, они в конечном итоге производят те действия, для которых предназначены, в данном случае последовательные сокращения
и расслабления сердечной мышцы в необходимом ритме.
На воздействие нагрузок наиболее четко и оперативно реагирует сердечно-сосудистая система, так как остановка ее работы даже на
несколько минут может привести к гибели организма.
Несколько свободнее, но в достаточно жестких пределах работает система органов дыхания, периодические процессы которой человек может в незначительной степени сознательно регулировать.
В еще более свободном режиме колебаний работают некоторые
центры головного мозга, система пищеварения и другие.
Человек может позволить себе в определенных пределах нарушать ритм сна и бодрствования, ритмы потребления пищи и некоторые другие. Однако допустимая величина всех этих нарушений в значительной степени зависит от общего состояния организма и от условий окружающей среды.
Поскольку органы и системы выполняют самые различные функции, то периоды колебаний параметров этих органов и систем, а также закономерности изменений этих колебаний могут быть самыми
разными.
При восприятии импульсов света или звука периоды колебаний
составляют доли секунд.
При некоторых видах труда периоды вызванных ими колебаний
(в сочетании с другими колебаниями) могут составлять сутки, недели и даже месяцы.
При этом, независимо ни от чего, все виды физиологических
колебаний представляют собой непрерывные последовательности
циклов, соответствующие энергетическим колебаниям потребления
и выделения энергии. Отсюда следует, что принцип обеспечения устойчивости неравновесного термодинамического состояния живых
организмов (биологических систем) как на уровне клеток, так и на
уровне органов, систем и целостных организмов заключается в непрерывных чередованиях потребления и выделения энергии посредством управляемых на соответствующих уровнях циклов синтеза
и расщепления АТФ. На основании изложенного сформулируем Второй закон термодинамики биологических систем:
Устойчивость неравновесного термодинамического состояния
биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием
фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ соответственно.
Из этого закона вытекают следующие следствия:
1. В живых организмах ни один процесс не может происходить
непрерывно, а должен чередоваться с противоположно направленным: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном,
синтез веществ с их расщеплением и т. д.
2. Состояние живого организма никогда не бывает статическим, а все его физиологические и энергетические параметры всегда
находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений как по частоте, так и по амплитуде.
Отсюда следует, что описанные выше физиологические колебания живых организмов, уже многие тысячи лет наблюдаемые человечеством, и являются биоритмами.
Таким образом, природой биоритмов живых организмов являются непрерывные чередования фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ,
направленные на обеспечение устойчивого неравновесного термодинамического состояния биологических систем. Причем циклические
колебания энергии света, связанные с вращением Земли, принудительно вызывают соответствующие энергетические колебания в биохимических реакциях клеток растений, стимулируя тем самым их
жизнедеятельность. Таким образом, есть основания полагать, что
происхождение жизни на Земле непосредственно связано с чередованием света и темноты.
46
47
3.4.3. Собственная и принудительная частота биоритмов
В живых организмах жизнедеятельность каждой клетки, каждого органа, каждой системы и целостного организма характеризуется соответствующими комплексами биологических ритмов. Причем параметры этих ритмов находятся в тесной взаимосвязи и определяются как внутренними свойствами соответствующих элементов
организма, так и их ролью в составе того или иного органа или системы, а также средой обитания.
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Например, частота сердечных сокращений у человека в спокойном состоянии составляет 58–75 уд./мин, а при большой нагрузке она
может доходить до 160 и более. В то же время циклы биохимических
реакций, связанных с перевариванием пищи, происходят, например,
от 3 до 5 раз в сутки, в зависимости от режима питания.
Поскольку каждый живой организм по-своему уникален, то для
него будет характерен соответствующий только ему оптимальный
образ жизни: время сна и бодрствования, режим и состав питания,
соответствующая окружающая среда, необходимые физические нагрузки и многое другое. В связи с этим для такого живого организма
будут характерны и соответствующие только ему биологические ритмы физиологических параметров.
Однако в реальной жизни такой режим невозможен, так как он
не может существовать в отрыве от условий окружающей его обстановки. Каковы же условия этой обстановки?
Одним из основных условий является период цикла сон-бодрствование, равный 24 ч. Это условие определяется периодом вращения Земли вокруг своей оси. Другим основным условием является
то, что человек живет в обществе, в связи с чем он должен подчиняться его правилам, в частности режиму дня, времени работы и отдыха, времени приема пищи и так далее.
Поэтому в большинстве случаев определенные параметры биоритмов для каждого организма являются принудительными.
На рис. 14 представлен пример идеализированных типовых колебаний функциональных сдвигов организма человека, являющихся
обобщением биоритмов таких физиологических параметров, как температура тела, артериальное систолическое и диастолическое давление, реакции на свет и звук, частота сердечных сокращений.
Обобщенные периодические колебания функциональных сдвигов организма человека носят как суточный, так и недельный характер. Каким же образом в организме человека происходит согласование собственных и принудительных параметров биоритмов? Здесь
необходимо обратить внимание на то, что все процессы, происходящие в организме человека в условиях собственных биоритмов, являются абсолютно необходимыми для его жизнедеятельности, так как
иначе будет происходить накопление значений невосстанавливающихся функциональных сдвигов. А это может привести к потере работоспособности, заболеваниям и в конечном итоге к гибели.
Кроме того, из графика U
на рис. 14 видно, что при
принудительной интенсивной работе в течение рабочей недели у человека
происходят накопления остаточных функциональных
Дни
недели
сдвигов, которые успевают Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс Пн
Рис. 14. Идеализированные типовые
полностью восстановиться
колебания функциональных сдвигов
только за дни отдыха. В слуорганизма человека
чае отсутствия необходимых
условий для отдыха значительные функциональные сдвиги приведут
организм к заболеваниям. Поэтому принудительные периоды биоритмов биохимических процессов циклов сна и бодрствования, режима
труда и отдыха, режима питания и других циклов корректируются
организмом таким образом, чтобы все необходимые для его жизнедеятельности функции укладывались в эти принудительные рамки.
В частности, человек должен определять для себя вид трудовой деятельности, время и продолжительность сна, вид отдыха, ассортимент
продуктов питания, занятия спортом и многое другое.
Кроме того, указанная коррекция в значительной степени происходит также за счет способности организма к фенотипической адаптации. Как показывают многочисленные исследования в области хронобиологии и хрономедицины, способности живых организмов,
и в частности человека, к коррекции собственных биоритмов всегда
очень индивидуальны.
48
49
3.5. Теоретические основы адаптации
3.5.1. Общие сведения об адаптации
Как известно, в результате воздействия внешней среды материя
принимает те или иные формы своего существования, то есть происходит ее самоорганизация.
В этих процессах у неживой материи отсутствует факт какоголибо развития – неживая материя лишь принимает те или иные формы своей организации в зависимости от собственных свойств
и свойств окружающей среды.
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Однако совсем другими свойствами самоорганизации обладает
живая материя. В зависимости от изменений окружающей среды она
не только меняет свою структуру, но и приобретает качественно новые свойства, обеспечивающие возможность ее жизнедеятельности
в самых разных условиях. Ярким примером приобретения таких
свойств является переход от термонестабилизированных живых организмов – холоднокровных, к термостабилизированным живым организмам – теплокровным. Это свойство живых организмов обозначается термином «адаптация».
Адаптация – свойство приспособления живого организма к постоянно изменяющимся условиям существования во внешней среде,
выработанное в процессе эволюционного развития.
Проблемам адаптации посвящено большое количество работ,
в основном содержащих факты либо различные теории, предлагающие те или иные научные объяснения наблюдаемым процессам.
В частности, этой теме было посвящено большое внимание таких
ученых, как П. К. Анохин, Ф. З. Меерсон и многих других.
Известно два типа адаптации: генотипическая и фенотипическая.
По определению Большой медицинской энциклопедии (БМЭ):
«…генотипическая адаптация возникает вследствие отбора клеток
с определенным генотипом, обусловливающим выносливость».
Это определение нельзя признать безупречным, так как оно не
отражает того, к какому виду нагрузок относится выносливость, потому что в большинстве случаев, приобретая одни преимущества,
живые организмы теряют другие.
Если, например, растение хорошо переносит жаркий засушливый климат, то, скорее всего, оно будет плохо переносить холодный
и влажный. Что же касается фенотипической адаптации, то к настоящему времени также нет строгого определения этого термина.
По определению БМЭ «…фенотипическая адаптация возникает как защитная реакция на действие повреждающего фактора», а по
определению Ф. З. Меерсона «фенотипическая адаптация – развивающийся в ходе индивидуальной жизни процесс, в результате которого организм приобретает отсутствующую ранее устойчивость к определенному фактору внешней среды и таким образом получает возможность жить в условиях, ранее не совместимых с жизнью».
Известны также аналогичные определения адаптации и других
авторов.
Можно утверждать, что ни одно определение не отражает в полной мере свойства живых организмов к фенотипической адаптации.
Действительно, если проанализировать определение фенотипической адаптации по БМЭ, то очевидно, что ограничение процесса
адаптации только наличием повреждающего фактора, по всей видимости, необоснованно.
В том случае, когда действует такой неповреждающий фактор,
как, например, питьевая вода с другим содержанием солей, к которой
нужно привыкнуть, либо переезд в зону другого часового пояса, либо
в других аналогичных ситуациях, организм также должен перестраиваться благодаря собственным свойствам фенотипической адаптации. Что касается определения, данного Меерсоном, то оно недостаточно широко охватывает область, в которой проявляется фенотипическая адаптация, так как, приобретая устойчивость к одному,
организм с течение определенного времени может потерять устойчивость к другому.
Причина неоднозначности определений генотипической и фенотипической адаптации заключается в том, что в определении этих понятий отсутствует основной критерий жизнеспособности организмов –
устойчивость их неравновесного термодинамического состояния.
Поэтому для обеспечения однозначности и полноты содержания этих терминов предлагаются следующие редакции определений
генотипической и фенотипической адаптации:
Генотипическая адаптация – изменение генофонда вида путем
естественного отбора по показателю максимальной устойчивости его
неравновесного термодинамического состояния.
Фенотипическая адаптация – свойство организма изменять свои
биологические параметры при постоянно изменяющихся условиях
внешней среды для обеспечения устойчивости неравновесного термодинамического состояния.
Проблемы генотипической адаптации в основном связаны с условиями окружающей среды применительно для каждого вида.
При этом наилучшие шансы для выживания имеют те популяции видов, которые могут наиболее оперативно изменять свои генетические свойства в условиях тех или иных изменений параметров
окружающей среды. Свойства генотипической адаптации по существу представляют собой функции распределения плотности вероят-
50
51
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
ности генетических и соответствующим им физиологических свойств,
которые являются определяющими для соответствующих изменений
условий окружающей среды.
Процессы фенотипической адаптации условно могут быть разделены на два вида:
1. Оперативная фенотипическая адаптация, в результате которой организм путем соответствующих оперативных физиологических реакций непрерывно реагирует на все кратковременные факторы, влияющие на его жизнедеятельность, не меняя при этом их средние значения.
2. Устойчивая фенотипическая адаптация, в результате которой
при длительных воздействиях на организм факторов окружающей
среды произошли такие изменения средних значений его функциональных систем, в результате которых организм стал более приспособлен к этим факторам.
Ниже будут рассмотрены вопросы определения природы адаптации и ее основных законов путем анализа биологических процессов исходя из принципов жизнедеятельности живых организмов как
открытых термодинамических систем, находящихся в устойчивом
неравновесном термодинамическом состоянии.
Как было установлено вторым законом термодинамики биологических систем, устойчивость неравновесного термодинамического состояния этих систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых
реакций синтеза и расщепления АТФ. Однако наряду с реакциями
синтеза и расщепления АТФ в живых организмах происходит большое количество и других жизненно важных биохимических реакций
в виде различных циклов обмена веществ – метаболизма. Время выполнения полного цикла биохимических реакций определяется наименьшим средним значением скорости реакции в каждой фазе цикла.
Причем параметры процессов биохимических реакций в клетках не являются постоянными. Наоборот, они непрерывно меняются
как по каким-либо внутренним причинам, так и из-за непрерывно
меняющихся внешних воздействий окружающей среды. При любом
воздействии на клетку: изменении параметров окружающей среды,
состава продуктов питания и других, в ответ в ней происходят многочисленные изменения в биохимических реакциях и физическом
состоянии, направленные на поддержание ее жизнеспособности –
обеспечение устойчивости ее неравновесного термодинамического
состояния.
В частности, это выражается в изменениях скоростей чередования циклов метаболических процессов, объемов веществ, вступающих в реакции, скорости поступления продуктов питания и других
ингредиентов, периода деления клеток, энергетического потенциала,
среднего времени жизни, содержания и скоростей выполнения других жизненных процессов, а также массы и геометрических параметров. Такие реакции в ряде случаев могут обеспечивать жизнеспособность живых организмов при изменениях параметров внешней
среды в очень больших пределах: на высоте более 80 км над уровнем
моря и на глубине 11 км в океане при давлении в тысячу атмосфер,
в шахтах на глубине 4 км, в безжизненных пустынях и в самом соленом из озер – Мертвом море, в контурах ядерных реакторов, при очень
низких концентрациях питательных веществ и других условиях.
Следует отметить, что элементы клеток (плазматическая мембрана, органеллы и другие) по своим физическим характеристикам
достаточно пластичны.
Поэтому в процессе жизнедеятельности при воздействии нагрузок их размеры и формы непрерывно меняются в определенных пределах, зависящих от величины и характера этих нагрузок.
Свойства фенотипической адаптации многоклеточных живых
организмов определяются совокупными свойствами клеток, органов
и систем, из которых они состоят, реагировать на те или иные нагрузки. Примеры внешних проявлений фенотипической адаптации уже
были приведены выше.
Исходя из изложенного, можно сформулировать сущность свойства живых организмов к фенотипической адаптации в следующей
редакции:
Свойство к фенотипической адаптации живых организмов основано на периодичности чередования фаз выделения и потребления
энергии и заключается в физических и биохимических изменениях
в клетках, органах и организме в целом, направленных на сохранение
52
53
3.5.2. Сущность процессов фенотипической адаптации
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
устойчивого неравновесного термодинамического состояния при
изменениях параметров внешней среды.
3.5.3. Принципы работы механизма фенотипической адаптации
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
m, г
1,1⋅10–10
1⋅10–10
9⋅10–11
Для анализа работы механизма фенотипической адаптации рассмотрим в качестве примера поведение клетки при воздействии на
нее некоторой нагрузки.
При воздействии нагрузки на клетку для сохранения устойчивости своего неравновесного термодинамического состояния клетке
необходимо увеличить объем и скорости синтеза и расщепления АТФ.
Одновременно с этими изменениями реакций в клетках изменяются и многие другие, включенные в соответствующие метаболические пути.
При воздействии на клетку такой нагрузки в ней будут активизированы ферменты, функции которых заключаются в повышении
скорости биохимических реакций в первой фазе – фазе поступления
питательных веществ и синтеза из них АТФ.
Эта фаза под действием ферментов будет происходить в ускоренном режиме до достижения увеличенного количества синтезированного АТФ.
При достижении в клетке критического количества АТФ фаза
синтеза АТФ за счет действия обратных связей переключится на фазу
расщепления АТФ.
При фазе расщепления АТФ идут совершенно другие реакции,
в основном реакции гидролиза, в результате которых АТФ превращается в АДФ с выделением энергии.
Эти реакции также будут идти в ускоренном режиме до достижения минимального количества АТФ.
Указанные реакции, проходящие при участии и под контролем
ферментов, будут также сопровождаться усиленным синтезом последних.
Изменения в ходе биохимических реакций приводят к биологическим и к физическим изменениям клетки: скоростей и объема реакций, массы, формы, геометрических размеров. На рис. 15 и 16 приведены графики изменений массы нейтрофилов и спектральной плотности массы.
В том случае, если нагрузка невелика и действует на клетку незначительное время, то после ее снятия все параметры клетки (как
параметры биохимических реакций, так и физические) быстро вернутся к первоначальному состоянию. Как было указано выше, такой
вид фенотипической адаптации является оперативным.
Как видно из рис. 17, в течение времени tF действия нагрузки Em
происходит функциональный сдвиг процесса колебаний физиологического параметра u.
После прекращения действия нагрузки функциональный сдвиг
восстанавливается в исходное состояние.
54
55
8⋅10–11
7⋅10–11
6⋅10–11
5⋅10–11
0
100
200
300
400
500
t, мин
Рис. 15. График изменения массы нейтрофила
8⋅10
–28
Q, г2/Гц
6⋅10–28
4⋅10–28
2⋅10–28
0
f, Гц
1,4⋅10–4 2,8⋅10–4 5,6⋅10–4 7⋅10–4 8,4⋅10–4 9,8⋅10–4
Рис. 16. График изменений спектральной плотности
массы клетки
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
U
t
0
E
Em
t
tF
Рис. 17. Пример оперативной фенотипической адаптации
0
Но если нагрузка действует продолжительное время, то благодаря циклическому характеру процессов обмена веществ в клетке
постепенно произойдут устойчивые изменения ее физических
и биохимических параметров: изменятся геометрические размеры
и масса, пределы регуляции биохимических реакций, скорость деления и другие.
При снятии после таких изменений нагрузки на длительный срок
благодаря тому же циклическому характеру процессов обмена веществ
за достаточно продолжительное время в клетке произойдет устойчивый возврат к исходным параметрам.
В этом нетрудно убедиться на примере тренировок спортсменов.
В результате длительных тренировок у них практически всегда
наблюдается значительное увеличение мышечной массы. Однако, если
тренировки прекращаются, то мышечная масса со временем возвращается к своим прежним параметрам. При биохимических и физических изменениях в клетках, не превышающих предельно допустимые, фенотипические адаптационные процессы в них можно считать
условно обратимыми. Это связано с тем, что вся материя представляет собой открытые термодинамические системы и все процессы, происходящие в материальном мире, необратимы.
Действительно, возврат организма к исходным параметрам
в принципе может произойти и происходит, но уже при другом его
состоянии.
За время фенотипической адаптации и ее возвращения к исходным параметрам организм в определенной степени изменится, в частности, станет несколько старше.
56
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
В его органах и системах за это время успевают совершиться
определенные изменения, биохимические реакции произойдут иначе из-за приема другой пищи, погоды и массы других параметров
внешней среды, которые также непрерывно меняются.
Рассматривая процессы перестройки многоклеточных организмов, необходимо отметить, что они в той или иной степени, но всегда
затрагивают абсолютно все органы и системы.
Кроме того, эти органы и системы обладают самыми разными
свойствами реакций на нагрузки.
Некоторые органы и системы реагируют на воздействие нагрузок очень быстро, например сердечно-сосудистая система, а некоторые очень медленно, как уже упоминавшийся процесс изменения
мышечной массы.
Поэтому объем процессов перестроек в организме под действием нагрузок в значительной степени зависит как от длительности воздействия этих нагрузок, так и от их характера.
3.6. Основные закономерности реакций на нагрузки
3.6.1. Закон действующих масс
Закон действующих масс описывает закономерность скорости
протекания химических реакций в зависимости от концентрации реагентов.
Для одностадийной гомогенной реакции a + b
c этот закон
может быть выражен дифференциальным уравнением, отображающим изменение скорости химической реакции в зависимости от концентраций реагентов ca и cb:
dсa dcb
=
= kca cb ,
dt
dt
(22)
где ca и cb – концентрации веществ a и b, моль/л; k – коэффициент
пропорциональности (константа скорости реакции).
Как видно из уравнения (22), скорость химической реакции
пропорциональна концентрациям ингредиентов ca и cb.
57
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Общий вид графика изменения скорости химических реакций
в соответствии с уравнением (22) представлен на рис. 18.
cc
При биохимических реакциях в живых организмах скорость
и закономерность каждой биохи- сс max
мической реакции в значительной
степени зависит от активности
ферментов, выполняющих роль
как катализаторов, так и ингибиторов, непосредственно и непре0
t
рывно влияющих на ход этих реРис. 19. Изменение концентрации
акций, но при установившемся
продукта сс, моль/л
процессе в конечном итоге они
так же подчиняются закону действующих масс.
V
ca = cb
t
0
Рис. 18. График изменения скорости химических реакций
Для определения закономерности изменения концентрации продукта сс, получаемого в результате химической реакции, составим
систему уравнений:
3.6.2. Реакции на одиночную нагрузку
График изменения концентрации сс в результате указанной выше
реакции представлен на рис. 19. Как видно из графика, в процессе
химической реакции концентрация сс сс max.
Воздействия на клетки различных нагрузок приводят к соответствующим изменениям в ходе происходящих в них реакций, а также
к биологическим и физическим изменениям: скорости и величине
реакций, массы, объема, формы, геометрических размеров. Для определения закономерности зависимости таких реакций от нагрузки
рассмотрим воздействие на организм одиночной нагрузки в виде прямоугольного импульса.
На рис. 20 представлен упрощенный график закономерности
изменений некоторого функционального сдвига u при воздействии
на организм импульсной нагрузки E1 прямоугольной формы, действующей в течение промежутка времени T = t2 – t1. Здесь следует отметить, что на самом деле живой организм всегда реагирует не только
на величину нагрузки, но и на скорость ее нарастания. Кроме того,
в природе в принципе не бывает импульсов абсолютно прямоугольной формы – всегда есть передний и задний фронты, меняющиеся по
определенным законам, с определенными конечными параметрами.
Как видно из рис. 20, при воздействии на организм нагрузки E1
длительностью T = t2 – t1 в организме возникает и начинает нарастать
некоторый функциональный сдвиг u, который достигает своего максимального значения u1 в момент прекращения действия нагрузки t2
(кривая 1).
58
59
kca ⋅ cb = v;

c a + cb = cc ,
(23)
где
dc a
.
dt
(24)
v + kca2
.
kca
(25)
v=
Отсюда
cc =
Из (25) очевидно, что при v
0
c c → c a = cb .
(26)
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
ds
μ=
μ 0 dt
1
μ0
2
E
E1
0
u
u1
0
1
t
2
s
0 KM
t1
Рис. 21. Закон Михаэлиса – Ментен. Зависимость
скорости реакции как функции начальной концентрации субстрата s:
–
максимальная
скорость, KM – константа
0
Михаэлиса
t
t2
Рис. 20. Упрощенный график закономерности изменений функционального сдвига u при воздействии
импульсной нагрузки прямоугольной формы E1
После снятия нагрузки E1 функциональный сдвиг u восстанавливается до исходного значения (кривая 2).
Наблюдаемая закономерность изменений функционального
сдвига является результатом большого комплекса биохимических
ферментативных реакций, вызванных воздействием нагрузки E1.
Попытка математического описания таких реакций была предпринята еще в 1913 году немецкими учеными Л. Михаэлисом
и М. Ментен.
В результате проведенных исследований ими были выведен закон, описывающий кинетику изменения субстрата в ферментативной
реакции (закон Михаэлиса – Ментен):
μ0s
ds
=−
,
dt
KM + s
(27)
где s – концентрации субстрата; 0 – максимальная скорость; KМ –
константа Михаэлиса.
График зависимости скорости реакции как функции начальной
концентрации субстрата s представлен на рис. 21.
60
Однако закон Михаэлиса – Ментен описывает только одну каталитическую реакцию и то при нескольких не совсем реальных допущениях, в частности таких, как отсутствие в растворе других форм
фермента. В нашем же случае необходимо анализировать закономерность изменений функционального сдвига как конечного совокупного результата всего комплекса биохимических реакций, участвующих
в его формировании. В связи с этим для описания совокупного реального процесса реакций организма на некоторую единичную нагрузку, выражающуюся в росте соответствующего функционального
сдвига и реакции восстановления этого сдвига после снятия нагрузки, могут быть использованы математические формулы, составленные по результатам практических исследований этих процессов
и построения соответствующих графиков.
В частности, закономерность нарастания функционального сдвига u (см. рис. 20, кривая 1) может быть описана формулой
u = u1 (1 − e −kt ) .
(28)
Как видно из формулы (28), u u1 при t
.
В свою очередь, процесс восстановления функционального сдвига u1 в сторону исходного состояния (см. рис. 20, кривая 2) может
быть описан формулой
61
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
u = u1e − kt .
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
(29)
Как видно из формулы (29), u 0 при t
.
Отсюда следует, что определить точное время роста функционального сдвига t, при котором u = u1, и время восстановления функционального сдвига t, при котором u = 0, невозможно.
При определенных изменениях величины нагрузки E1 и длительности ее воздействия T соответствующим образом будет меняться
закономерность роста и восстановления функционального сдвига u,
так как при этом в биохимических реакциях будет принимать участие различное количество ингредиентов с соответствующей динамикой концентрации.
Рассмотрим зависимость изменений
функциональных сдвиE
гов u от изменения величины наE3
грузки E.
E2
На рис. 22 показаны законоE1
мерности изменений функцио0
t
нальных сдвигов u при разной абu
солютной величине нагрузки E.
u3
С увеличением абсолютной велиu2
чины нагрузки E, действующей
u1
в течение равных промежутков
времени T, величина функциоt
T T1 T T2 T T3
нальных сдвигов u возрастает.
При этом возрастает и время их
Рис. 22. Зависимость изменений
восстановления.
функциональных сдвигов u
от изменения величины нагрузки E
Далее рассмотрим зависимость изменений величины функциональных сдвигов u от длительности действия нагрузки E.
На рис. 23 показаны закономерности изменений функциональных сдвигов u при разном времени действия нагрузки E.
Как видно из рис. 23, с увеличением длительности воздействия t
одинаковой по величине нагрузки Em величина функциональных сдвигов u возрастает. При этом возрастает и время их восстановления.
Таким образом, время восстановления T функциональных сдвигов u зависит как от величины нагрузки E, так и от длительности ее
62
E
воздействия t. Величина и длиEm
тельность действия нагрузок на
организм могут быть различными,
но они всегда ограничены по мак0
t
симальным значениям. В зависиu
u3
мости от величины нагрузки соответствующим образом меняются
u2
процессы биохимических реакu1
ций, и как следствие – физиологические процессы. При незначиt
t2 T2 t3
T3
t1 T1
тельных как по величине, так и по
времени действия нагрузках, к коРис. 23. Зависимость изменений
торым организм в достаточной величины функциональных сдвигов u от длительности действия
степени приспособлен (назовем их
нагрузки Em
нормальными), вызванные ими
функциональные сдвиги после снятия нагрузок быстро восстанавливаются до исходных значений. При максимально большой или максимально длительной нагрузке за счет ферментов изменения скорости биохимических реакций и объема участвующих в них реагентов
достигают предельных значений.
После снятия таких нагрузок организму требуется достаточно
большое время для восстановления вызванных ими функциональных
сдвигов.
При воздействиях на организм нагрузок, превышающих предельно допустимые, достаточно велика вероятность повреждений, заболеваний или гибели организма. При этом, как правило, не происходит полного восстановления функционального сдвига.
На рис. 24 показан пример графика реакции функционального сдвига на непереносимую нагрузку (шум от взрыва), вызвавшую акустическую травму, и процесс восстановления слуха после такой травмы.
График роста функционального сдвига u при воздействии непереносимой нагрузки (кривая I) представляет собой крутую характеристику, переходящую в верхней части в горизонтальную линию, свидетельствующую о переходе реакции в режим предельного значения
функционального сдвига umax, следствием которого стала акустическая травма.
63
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Процесс восстановления функционального сдвига (кривая II) –
E1
восстановления слуха после акустической травмы – происходит лишь
t
частично, до уровня umin.
0 t1
u
Таким образом, нагрузки, возI
действующие на организм, можно
umax
II
разделить на три категории: норumin
мальные, повышенные и непереносимые со следующими определениt
T1
T2
ями: нормальные нагрузки – не выРис. 24. График реакции функцио- зывающие каких-либо последствий;
повышенные нагрузки – которые
нального сдвига на непереносимогут воздействовать на организм
мую нагрузку
без последствий лишь ограниченное время; непереносимые нагрузки – которые могут привести организм к заболеваниям, травмам либо к гибели.
E
3.6.3. Реакции организма на периодическую нагрузку
Нагрузки, воздействующие на живые организмы, достаточно
часто носят не только одиночный, случайный, но и периодический
характер. Наиболее часто периодический характер нагрузок связан
с вращением Земли. Кроме того, у человека он может быть связан
с производственными процессами, режимом труда и отдыха и другими причинами. Реакция организма на периодическую нагрузку зависит от разных причин: что собой представляет эта нагрузка, ее величина, параметры периодичности и другого. Рассмотрим в качестве
примера воздействие на организм человека нормальной периодической физической нагрузки прямоугольной формы.
На рис. 25 приведены: график периодического чередования нагрузок E (a) и график соответствующих функциональных сдвигов u (б).
Как видно из графика (см. рис. 25, а), на организм человека периодически, с периодом t0, длительностью tF и паузой tR воздействует
нагрузка величиной Em.
Как видно из графика (см. рис. 25, б), в течение времени воздействия tF нагрузки Em в организме человека происходит реакция, выража64
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
ющаяся в виде роста функциональноа
E
го сдвига u, достигающего к концу
времени воздействия значения um.
Em
Во время пауз между нагрузками длительностью tR происходит
0
восстановление функционального
TF
сдвига E, который фактически достигает своего исходного значения 0
б
за время tr.
U
Точное время восстановления
функционального сдвига здесь так- um
же определить невозможно в связи
с экспоненциальной зависимостью
приближения его значения к оси
0
абсцисс.
E
I
II
tF tR
t
III
T
U
um3
um2
um1
un2
un1
0
TR
T0
tr
t
Рис. 25. График колебаний функционального сдвига u (б) от
воздействия нормальной периодической нагрузки E (а)
Em
0
t
tw
tr
Рис. 26. График колебаний
функционального сдвига u при
воздействии повышенной
периодической нагрузки E
t
Как видно из графиков a
и б, tr < tR, а закономерности роста функциональных сдвигов u при
последующих нагрузках Em идентичны. Это означает, что к началу следующей нагрузки организм
полностью восстановился от действия предыдущей нагрузки.
Рассмотрим случай воздействия на организм периодической
повышенной нагрузки Em, при которой tr > tR.
На рис. 26 представлен график воздействия на организм
периодической повышенной нагрузки, из которого видно, что воздействие на организм повышен65
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
ной нагрузки I величиной Em и длительностью tF вызывает повышенный функциональный сдвиг um1.
Этот сдвиг не успевает полностью восстановиться за время паузы tR, и к моменту прихода нагрузки II остаточное значение функционального сдвига составляет n1.
В результате действия нагрузки II функциональный сдвиг u растет и достигает значения um2 > um1, он также не успевает полностью
восстановиться до прихода нагрузки III, и его остаточное значение
уже составляет un2 > un1. Воздействие нагрузки III вызывает рост функционального сдвига u до значения um3. И только в процессе длительной паузы tr функциональный сдвиг u восстанавливается полностью.
Такой рост функциональных сдвигов часто происходит в течение рабочей недели при полном восстановлении за выходные дни, при вахтовых графиках работы в экстремальных условиях (неделя через неделю) и в других случаях.
ких-либо нагрузок в нем происходят соответствующие этим нагрузкам изменения в виде циклов биохимических реакций. Если такая
нагрузка по своей величине соответствует нормальной или повышенной, возникает сравнительно редко и на короткое время, то каждый раз
после ее окончания режим работы клетки восстанавливается до исходного уровня, так как для этого требуется незначительное время.
Если же такая нагрузка действует длительное время, а перерывы между нагрузками сравнительно короткие, то в результате многочисленных циклов метаболизма в клетке постепенно возникают определенные физические изменения. Режим функционирования клетки перестроится на повышенное или пониженное количество
питательных веществ, а биохимические реакции – на повышенное
или пониженное количество реактивов.
Таким образом, режим
u
функционирования клетки
в условиях постоянного действия нагрузки станет для нее u
2
нормальным и он будет сохраняться все время ее действия.
u1
Как видно из рис. 27, до 0
t
начала действия нагрузки E1,
E
в период времени 0 – t 1 ,
среднее значение колебаний E1
функционального сдвига составляло u1.
В результате фенотипи0
t1
t2
t
ческой адаптации за длительРис. 27. Процесс устойчивой фенотиный период времени t2 – t1 дейпической адаптации
ствия нагрузки E1 происходят
изменения в ходе биохимических реакций, в результате которых среднее значение колебаний функциональных сдвигов u1 увеличивается
до значения u2, которое становится постоянным в условиях постоянного воздействия нагрузки E1.
При длительном снятии нагрузки произойдет фенотипическая
адаптация в обратном направлении до исходного уровня, так как ее
величина ниже предельно допустимой.
3.7. Основные закономерности фенотипической адаптации
3.7.1. Оперативная фенотипическая адаптация
Как известно, оперативная фенотипическая адаптация представляет собой реакции организма на все кратковременные факторы, влияющие на его жизнедеятельность, не меняя при этом средние значения показателей его функциональных систем.
Свойства оперативной фенотипической адаптации многоклеточных живых организмов определяются результатом совокупных свойств
клеток, органов и систем, из которых они состоят, а также всего организма реагировать на те или иные нагрузки изменением происходящих в них различных видов биохимических процессов для сохранения устойчивости неравновесного термодинамического состояния.
3.7.2. Устойчивая фенотипическая адаптация
3.7.2.1. Устойчивая фенотипическая адаптация
при воздействии постоянной одиночной нагрузки
При рассмотрении процессов оперативной фенотипической
адаптации было установлено, что при воздействии на организм ка66
67
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Необходимо отметить, что в реальных условиях в большинстве
случаев нагрузка не прикладывается мгновенно, а нарастает в течение определенного времени.
Кроме того, живые организмы реагируют не только на величину нагрузки, но и на скорость ее нарастания (поэтому спортсмены,
чтобы уменьшить величину воздействия нагрузки, прежде чем выполнять соответствующие упражнения, предварительно «разогреваются»).
В течение промежутка времени t2 – t3 функциональный сдвиг u
незначительно восстанавливается, достигая верхним пределом уровня u3, так как происходит восстановление функционального сдвига,
вызванного действием параметра скорости нарастания нагрузки. Далее происходят изменения колебаний функционального сдвига u, определяемые только действием величины нагрузки E1: размах колебаний функционального сдвига уменьшается при одновременном увеличении среднего уровня его значения.
С момента времени t4 процесс перестройки организма можно
считать установившимся. При этом колебания функционального сдвига будут постоянно, в течение всего времени действия нагрузки E1,
находиться в пределах u2 – u5. После снятия нагрузки в течение определенного времени может произойти возврат функционального сдвига u к значениям, близким, но не равным исходным, так как в процессе жизнедеятельности живых организмов непрерывно происходят
необратимые процессы.
u
u5
u4
u3
u2
u1
0
t
E
E1
0
t0 t1 t2
t3
t4
3.7.2.2. Устойчивая фенотипическая адаптация
при воздействии длительной периодической нагрузки
t
Рис. 28. График изменений колебаний функциональных
сдвигов u при быстром воздействии постоянной
нагрузки E1
Из графика на рис. 28 видно, что до начала действия нагрузки
E1 колебания функционального сдвига находятся в пределах (0 – u1).
Нагрузка E1 на организм начинает действовать с момента t0, возрастая за промежуток времени t0 – t1 от значения 0 до значения E1.
За промежуток времени t0 – t2 действия нагрузки E1 верхний предел колебаний функционального сдвига u резко вырастает от значения u1 до u4.
Это объясняется реакцией организма на два одновременно воздействующих параметра нагрузки: величину E1 и скорость ее нарастания v:
v=
dE1
.
dt
68
(30)
При анализе реакций организма на периодическую нагрузку
были рассмотрены основные закономерности реакций живых организмов на воздействия нагрузок прямоугольной формы. Теперь же
определим закономерность процесса адаптации живых организмов
при таких нагрузках на примере организма человека в случае их длительного воздействия. Характер процесса фенотипической адаптации
в основном зависит от таких параметров нагрузки, как абсолютная
величина, периодичность и длительность воздействия.
Если абсолютная величина нагрузки относится к категории нормальных и соотношения длительностей воздействия нагрузки и пауз
такие, при которых функциональный сдвиг, вызванный нагрузкой,
полностью восстанавливается, то при этом фенотипической адаптации не происходит, так как организм уже адаптирован к таким нагрузкам. Если абсолютная величина нагрузки относится к категории
повышенных, и при этом время восстановления функциональных
сдвигов, вызванных нагрузкой, фактически будет больше времени пауз
между нагрузками, то начнется процесс длительной фенотипической
69
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
адаптации. При этом в организме будут происходить биохимические
реакции как синтеза из продуктов питания, так и расщепления АТФ
в объемах, незначительно превышающих обычные, величина которых будет обеспечивать устойчивость его неравновесного термодинамического состояния.
Процесс устойчивой фенотипической адаптации, при котором
воздействующая на организм нагрузка носит периодический характер, вызывая при этом соответствующие периодические последовательности реакций синтеза из продуктов питания и расщепления АТФ,
обеспечивает возможность значительно больших диапазонов перестроек функциональных параметров организма, чем при постоянной
нагрузке.
Это вызвано тем, что периодический характер нагрузок позволяет организму обеспечить более оперативно процессы изменений
скоростей биохимических реакций и объемов реактивов, участвующих в них.
Закономерность этих процессов имеет индивидуальный характер, так как она непосредственно связана как с собственными биологическими ритмами, так и с физиологическим состоянием живых
организмов.
Указанное свойство организма достаточно убедительно подтверждается процессами тренировок спортсменов, когда при правильном
выборе графиков последовательных изменений в сочетаниях нагрузок и отдыха достигаются значительные показатели в спортивных
достижениях.
На рис. 29 представлен примерный график процесса устойчивой фенотипической адаптации при воздействии на организм периодической нагрузки.
Как видно из графика, в начальный период времени 0 – t1 воздействия нагрузки Em происходит перестройка функциональных сдвигов u, при которых восстановление за время пауз между нагрузками
полностью не происходит.
Однако с момента времени t1 рост и восстановление функциональных сдвигов стабилизируется. Это означает, что фенотипическая адаптация закончилась, и процессы синтеза из продуктов
питания и расщепления АТФ начинают происходить уже на другом уровне.
70
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
E
Em
0
t
u
Непереносимые
Повышенные
Нормальные
Повышенные
Непереносимые
0
t
t1
Рис. 29. Примерный график устойчивой фенотипической
адаптации к периодическим нагрузкам
с постоянными параметрами
При этом одновременно происходит и сдвиг значений нагрузок,
характеризующих нормальную, повышенную и непереносимую
нагрузки.
Таким образом, свойство фенотипической адаптации живых
организмов к изменяющимся условиям внешней среды обусловлено
принципом функционирования биохимических реакций в виде чередующихся последовательностей циклов синтеза и расщепления веществ.
Указанный принцип позволяет оперативно и в большом диапазоне «раскачивать» в необходимых пределах объемы всего комплекса веществ, участвующих во взаимосвязанном между собой множестве биохимических реакций при одних условиях внешней среды,
и замедлять их при других условиях.
Таким образом обеспечивается высокая устойчивость неравновесного термодинамического состояния живых организмов при самых разных условиях их существования.
71
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
3.8. Фенотипическая адаптация и окружающая среда
Популяции живых организмов,
постоянно проживающие в условиях ϕ(U)
определенной окружающей среды
и прошедшие процесс генотипической адаптации – естественного отбора, в своем подавляющем большинстве обычно хорошо приспособлены
к параметрам окружающей среды
обитания. Причем степень приспособU
ленности индивидов, входящих в по- 0
пуляцию, обычно соответствует закоРис. 30. График плотности
ну плотности нормального распреденормального распределения
вероятности
ления вероятности. Однако в природе
всегда имеет место определенная вероятность того, что параметры внешней среды могут измениться настолько сильно, что для большинства особей той или иной популяции станут дискомфортными, при которых их существование значительно усложнится, а также и непереносимыми.
В результате для популяции сложатся условия, несовместимые
с возможностью выживания, и тогда популяция вымирает.
Для характеристики внешней среды по условиям жизнедеятельности разделим ее на три зоны: комфорта, дискомфорта и непереносимости со следующими определениями:
Зона комфорта – диапазон совокупных условий внешней среды,
в котором жизнедеятельность данного вида живых организмов происходит наиболее комфортно, а воздействующие на них нагрузки относятся к категории нормальных.
Зона дискомфорта – диапазон совокупных условий внешней
среды, в которых живые организмы данного вида находятся в трудных условиях выживания, а воздействующие на них нагрузки относятся к категории повышенных.
Зона непереносимости – диапазон совокупных условий внешней среды, при которых жизнедеятельность данного вида живых организмов невозможна, и воздействующие на них нагрузки относятся
к категории непереносимых.
3.8.1. Основные закономерности изменений параметров
окружающей среды
При рассмотрении вопросов неравновесной термодинамики было
установлено, что одним из основных термодинамических свойств неживой материи является то, что неживая материя всегда находится
в неустойчивом неравновесном термодинамическом состоянии.
В отличие от неживой природы, живые организмы для обеспечения своей жизнедеятельности всегда должны находиться в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии.
Поэтому любые изменения параметров внешней среды немедленно вызывают в живых организмах посредством обратных связей
соответствующие изменения в протекании биологических процессов,
направленных на сохранение устойчивого неравновесного термодинамического состояния.
При этом если изменения параметров внешней среды периодические, то они вызывают в живых организмах соответствующие периодические изменения в протекании биологических процессов. Случайные же изменения параметров внешней среды вызывают соответствующие случайные изменения в протекании этих процессов.
Значения параметров внешней среды, их состав и закономерность изменений на территории обитания живых организмов в основном определяются ее географической зоной и в большинстве случаев подчиняются соответствующим законам статистики.
В общем случае каждый из параметров внешней среды: температура воздуха, влажность и другие, а также их совокупности имеют соответствующие статистические характеристики вероятности, закономерности которых обычно соответствуют закону плотности нормального распределения вероятности (рис. 30), выражаемому формулой
1 −(
φ(U ) =
e
2p
U2
)
2 ,
(31)
где (U) – значение вероятности; U – плотность нормального распределения вероятности.
72
73
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
3.8.2. Внешняя среда и жизнедеятельность живых организмов
Но кроме состояния окружающей среды для живых организмов
имеет исключительно большое значение то, каким образом осуществляется их жизнедеятельность.
Для этого уточним содержание широко использующихся в современной науке понятий «условия жизнедеятельности», «оптимальные условия жизнедеятельности» и «оптимальная жизнедеятельность».
Условия жизнедеятельности – совокупность физических, химических, биологических и психологических факторов внешней среды, оказывающих то или иное влияние на процессы жизнедеятельности живых организмов.
Оптимальные условия жизнедеятельности – совокупность физических, химических, биологических и других факторов внешней
среды, при которых может быть обеспечена максимальная устойчивость неравновесного термодинамического состояния живых организмов.
Оптимальная жизнедеятельность – совокупность биологических, физических и иных функций, при которых в заданных условиях внешней среды обеспечивается максимальная устойчивость неравновесного термодинамического состояния живых организмов.
На рис. 32 представлен идеализированный пример графика суточных колебаний функциональных сдвигов организма человека
в случае его оптимальной жизнедеятельности.
Для каждого вида, для каждой популяции живых организмов
всегда имеется свой, предпочтительный набор условий, наиболее
оптимально подходящих для их жизнедеятельности.
Например, для одних видов предпочтителен более влажный
и теплый климат, для других более сухой и холодный, для третьих
необходимы солнечные лучи и т. д. Причем в каждом виде и в каждой
популяции имеется определенный разброс, определенная дисперсия
требований к параметрам окружающей среды, связанная с индивидуальными особенностями особей.
Здесь необходимо отметить, что указанный предпочтительный
набор условий не является чем-то незыблемым, он также достаточно
динамичен, меняясь вслед за процессами генотипической и фенотипической адаптации популяций.
На рис. 31 изображен пример граP
фика распределения плотности вероятности обобщенных показателей ре1
2
альной (кривая 1) и оптимальной (кривая 2) внешней среды для некоторого
вида живых организмов.
0
n
Из графиков видно, что реальная
закономерность распределения плотРис. 31. График распределения
ности вероятности параметров внешплотности вероятности обобней среды в значительной степени, но
щенных показателей внешней
не полностью совпадает с оптимальсреды
ной для исследуемого вида.
Это означает, что исследуемый вид не до конца адаптирован
к параметрам внешней среды.
Поскольку эти графики достаточно близки, то можно ожидать,
что со временем, путем как генотипической, так и фенотипической
адаптации, этот вид в еще большей степени приспособится к данной
внешней среде.
В случаях, когда такие графики в значительной степени не совпадают, например при экологических катастрофах, это ведет к гибели вида.
74
u
C
B
Зона непереносимости
Работа
Отдых Зона дискомфорта
A
0
–A
Зона комфорта
–B
Зона дискомфорта
–C
Зона непереносимости
Зона комфорта
t
Рис. 32. Идеализированный график суточных колебаний
функциональных сдвигов человека при оптимальной
жизнедеятельности
75
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем
Из графика видно, что для обеспечения максимальной устойчивости неравновесного термодинамического состояния организма человека размах колебаний функциональных сдвигов должен быть также максимальным и находиться не только в пределах зоны комфорта,
но также и в нижней (например, при гиподинамии) и в верхней (например, при гипердинамии) зонах дискомфорта.
При этом значения зон комфорта, дискомфорта и непереносимости в результате процессов фенотипической адаптации будут
в определенных пределах расширяться, обеспечивая тем самым максимальную устойчивость неравновесного термодинамического состояния организма.
Если все суточные колебания, представленные на графике, идентичны или достаточно близки друг другу, то это означает, что организм в течение суток полностью восстанавливается от испытываемых перегрузок.
u
Режим, при котором колебания функциональных сдвигов
C
имеют максимальный размах,
входящий в зону дискомфорта,
B
и при этом в течение суток полA
ностью восстанавливаются, явля0
t
–A
ется наиболее близким к оптимальному. При этом организм го–B
тов к максимальным для него
–C
значениям перегрузок. В случае
E
возникновения перегрузок периEm
одические колебания функциональных сдвигов организма будут
0
tF
t
иметь вид, представленный на
Рис. 33. График изменений периоди- рис. 33.
При изменениях параметров
ческих колебаний функциональных
сдвигов u от нагрузки Em:
окружающей среды в течение вреC, –C – зоны непереносимости;
мени от 0 до tF, вызывающих поB, –B – зоны дискомфорта;
вышенную нагрузку на организм
A, –A – зоны комфорта
Em, соответствующим образом меняется процесс колебаний функциональных сдвигов u, сдвигаясь вверх
к зоне непереносимости.
При восстановлении исходного значения окружающей среды
в момент tF постепенно полностью восстанавливаются и параметры
колебаний функциональных сдвигов. Необходимо отметить, что зоны
комфорта, дискомфорта и непереносимости, как и нормальные, повышенные и непереносимые нагрузки являются индивидуальными
параметрами для каждого организма.
76
77
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
4.1. Методы и приборы для измерения эргономических
показателей машин, рабочих мест и окружающей среды
Глава 4. ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ. ПРИНЦИПЫ
И МЕТОДЫ ЭРГОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Целью эргономических исследований является определение
оптимальных условий труда и путей их достижения, а их содержанием – определение перечня основных функциональных сдвигов.
Функциональные сдвиги возникают в процессе труда в результате воздействия на организм человека эргономических параметров
машин, рабочих мест и окружающей среды.
В процессе эргономических исследований производится контроль за их ростом в процессе труда и измерение времени их восстановления к исходному уровню в процессе отдыха, после прекращения воздействия этих параметров.
Основными эргономическими параметрами машин и рабочих
мест являются вибрация, шум, освещение, пыль, физические и психологические нагрузки и ряд других.
Наиболее часто встречающиеся функциональные сдвиги –
частота сердечных сокращений, частота дыхания, температура тела,
артериальное давление, тремор, моторные реакции на световой и звуковой раздражители и некоторые другие.
Особенностью исследований воздействия на организм человека эргономических параметров является то, что все они должны происходить исключительно оперативно и часто одновременно.
При этом нельзя допускать каких-либо серьезных искажений
в результаты исследований, так как в процессе отдыха некоторые функциональные сдвиги, например пульс, восстанавливаются очень быстро. Поэтому такие виды физиологических исследований, как биохимические, рентгеноскопические и некоторые другие, требующие
для их проведений особых условий, применяться не могут. Ниже будут рассмотрены некоторые виды методик и приборов для исследований эргономических показателей машин и физиологических реакций на них организма человека, встречающиеся наиболее часто.
78
4.1.1. Акустический шум
4.1.1.1. Общие сведения
В физике под акустическим шумом понимаются беспорядочные
звуковые колебания разной физической природы, распространяющиеся в воздушной среде.
Звуковые колебания в упругой воздушной среде представляют
собой волновые процессы распространения перепадов давления воздуха, вызванные различными источниками, например механическими движениями.
При механических колебаниях предмет воздействует на непосредственно окружающий его воздух, периодически меняя его давление в большую или меньшую стороны вблизи этого предмета с той
же частотой. За счет упругих связей эти колебания давления воздуха
распространяются по всей воздушной среде.
Поэтому в общем случае при гигиенической оценке параметрами, определяющими характеристику шума, являются звуковое давление и частотный спектр. При этом не рассматриваются такие характеристики шума, как смысловой и несмысловой, в ряде случаев
имеющие большое значение.
Для определения параметров шума применяются специальные
приборы – шумомеры, анализаторы спектра и ряд других, которые
обеспечивают необходимый объем и точность измерений.
Шумы классифицируются по разным параметрам:
по времени действия – на постоянный и непостоянный,
в состав которого входят: колеблющийся, прерывистый и импульсный;
спектру – на широкополосные и тональные;
частотной характеристике: на инфразвук (< 16 Гц), слышимый диапазон, содержащий низкочастотный (16–400 Гц), среднечастотный (400–1000 Гц) и высокочастотный (1000–20 000 Гц), и ультразвук (> 20 000 Гц);
источникам возникновения: механический, гидравлический,
аэродинамический и другие.
79
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
4.1.1.2. Измерение уровня шума
Здесь пределы переключений линейных измерений (mV, V) кратны трем, что соответствует переключениям шкал дБ на 10 (такой подход используется в большинстве универсальных измерительных приборов).
Величина, выраженная в децибелах, численно равна десятичному логарифму безразмерного отношения физической величины
к одноименной физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять:
Уровень шума измеряется в децибелах (дБ). Децибел – логарифмическая единица отношений различных по природе (не только шума)
уровней, затуханий и усилений, применяемая в тех случаях, когда эти
параметры имеют значительные количественные значения, трудные
для восприятия, например сравнение усиления сигнала в одном усилителе в 2834 раза, а в другом в 3205 раз.
Качественно сравнить такие усилители между собой достаточно сложно. Поэтому значительно удобнее использовать логарифмические масштабы, где линейно располагаются значения, отличающиеся друг от друга на порядок, как это можно увидеть на рис. 34, где
показаны примеры линейной (а) и логарифмической (б) шкал.
а
0
1
2
3
4
5
б
1⋅100
1⋅101
1⋅102
1⋅103
1⋅104
1⋅105
AдБ = 10 lg
Рис. 35. Милливольтметр В3-38А
AдБ = 20 lg
A
.
A0
(33)
Это связано с тем, что мощность электрической энергии определяется из выражения
(34)
W = I ⋅U ,
где W – мощность; I – сила тока; U – напряжение.
В соответствии с законом Ома
I=
U
,
R
где R – сопротивление.
80
(32)
где AдБ – величина в децибелах; A – измеренная физическая величина;
A0 – величина, принятая за базис.
В физике децибел, определяемый по формуле (32), – это безразмерная, относительная единица, применяемая при определении мощности.
В тех случаях, когда измеряется не характеристика мощности, а
силовая характеристика (например, в электроэнергии сила тока или
напряжение), то формула (32) принимает вид:
Рис. 34. Линейная (а) и логарифмическая (б) шкалы
В универсальных приборах,
которые могут быть использованы
при измерениях как небольших, так
и больших чисел, одновременно
применяются как линейные шкалы,
так и логарифмические шкалы в дБ.
На рис. 35 изображен внешний
вид милливольтметра В3-38А, где
используются, как и во многих других приборах, обе шкалы.
A
,
A0
81
(35)
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Выражая мощность W только через I или U, можно написать:
W =
U2
= I 2 R.
R
(36)
Отсюда, вводя в (32) вместо параметров мощности силовые параметры (I или U), получим:
2
AдБ
U 
W
U 2R
U
 = 20 lg
10 lg
= 10 lg
= 10 lg 
2
W0
U0
RU 0
U0 
(37)
или
 I 
W
I 2R
I
10 lg 2 = 10 lg   = 20 lg .
W0
I0
I0 R
 I0 
(38)
Таким образом, в результате десятичного логарифмирования
в формуле (32) вместо коэффициента 10 необходимо применять коэффициент 20.
Уровни акустического давления звуков, воспринимаемых человеком, имеют очень большой динамический диапазон, поэтому при
измерениях уровней акустического давления используют децибелы.
Примерные уровни звукового давления у различных источников имеют значения, приведенные в табл. 1.
Таблица 1
Примерные уровни звукового давления у различных источников
дБ
0–5
5–10
10–15
15–25
25–30
30–35
35–45
Источники звука
Ниже порога чувствительности слуха
Тихий шелест листьев
Шелест листвы
Шепот человека (на расстоянии 1 м)
Тиканье настенных часов
Тихий разговор
Обычный разговор
82
дБ
45–55
55–65
65–70
70–75
75–85
85–95
95–105
105–115
115–125
130–145
> 145
> 160
> 200
Источники звука
Шум в офисном помещении
Громкий разговор (1 м)
Громкие разговоры (1 м)
Крик (1 м)
Громкий крик
Громкие крики
Оркестр
Пневматические перфораторы в замкнутом пространстве
Рубильные молотки внутри металлических помещений
Самолет на старте
Возникают травмы
Возможен разрыв барабанных перепонок и легких
Летальный исход
4.1.1.3. Методы анализа акустического шума
2
AдБ = 10 lg
Окончание табл. 1
Итак, при исследованиях воздействия шума на организм человека исследования шума производятся путем измерений общего уровня шума и измерений его спектра.
Измерение уровня звукового давления шума происходит с помощью шумомера. Структурная схема шумомера приведена на рис. 36.
Микрофон
Усилитель
Фильтр
Индикатор
Рис. 36. Структурная схема шумомера
Шумомер состоит из измерительного конденсаторного микрофона (капсуля), который преобразует звуковые колебания в электрические, электронного усилителя электрических сигналов с линейной
амплитудно-частотной характеристикой, корректирующего фильтра
с амплитудно-частотной характеристикой А и некоторыми другими,
и индикатора.
Измерительные конденсаторные микрофоны по сравнению
с микрофонами, действующими на других принципах (например, электромагнитные), обеспечивают минимальные искажения за счет линейной амплитудно-частотной характеристики во всем диапазоне
83
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
измеряемых частот и чрезвычайно большом диапазоне измеряемых
звуковых давлений.
Внешний вид измерительного конденсаторного микрофона представлен на рис. 37.
На рис. 38 дана частотная характеристика измерительного конденсаторного микрофона фирмы Behringer.
начинает вибрировать, изменяя емкость конденсатора. К микрофону
подается постоянное поляризующее напряжение. При изменении
емкости конденсатора возникают токи его заряда, что и является полезным сигналом.
Поскольку микрофоны даже одного и того же типа имеют индивидуальные различия, для обеспечения учета таких различий в комплекте с микрофоном поставляется также его индивидуальная характеристика, содержащая все необходимые параметры.
Для избежания искажений звука при его измерениях корпуса шумомеров высокой точности имеют особую форму, подавляющую отраженные от посторонних предметов
звуки.
В качестве примера конструктивного исполнения шумомеров на
рис. 39 показан портативный анализатор – интегральный шумомер типа
2250 фирмы «Брюль и Къер» (Дания).
Корпус прибора имеет коническую форму, на его конце установлен
измерительный конденсаторный
микрофон.
Шум исследуют по общей характеристике и путем спектрального
анализа, измеряя при этом среднедейРис. 39. Анализатор – интествующие или пиковые значения зву- гральный шумомер типа 2250
фирмы «Брюль и Къер»
кового давления.
Среднедействующее значение –
среднее значение энергии, численно определяемое как
1
2
Рис. 37. Измерительный конденсаторный микрофон фирмы Behringer:
1 – капсуль; 2 – предусилитель
Рис. 38. Амплитудно-частотная характеристика измерительного
конденсаторного микрофона фирмы Behringer
W = w12 + w22 + ... + wn2 .
(39)
Из рис. 38 видно, что амплитудно-частотная характеристика измерительного микрофона имеет линейную характеристику до 2 кГц
и небольшие отклонения в диапазоне от 2 кГц до 16 кГц.
Измерительный конденсаторный микрофон – это конденсатор,
одна из обкладок которого выполнена из эластичного материала
(обычно – полимерная пленка с нанесенной металлизацией). Под действием звуковых колебаний давления воздуха эластичная обкладка
Пиковые значения звукового давления – максимальные и минимальные значения независимо от времени действия.
При исследованиях общего уровня шума, например для определения факта и величины превышения или непревышения допустимых значений звукового давления, в шумомере включается ампли-
84
85
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
тудно-частотная характеристика А (рис. 40), которая соответствует
амплитудно-частотной характеристике слухового анализатора человека. Такой уровень шума обозначается дБА.
Такие фильтры имеют форму, близкую к П-образной, и пропускают шум в полосе частот, в которой верхняя частота в два раза выше
нижней (октавные), либо на 1/3 – третьоктавные.
На рис. 41 показана стандартная частотная характеристика октавного фильтра.
Рис. 40. График амплитудно-частотной характеристики А
Слуховой анализатор человека лучше всего воспринимает шум
на частотах в диапазоне от 1000 до 5000 Гц, в то время как на других
частотах его чувствительность резко падает. Чтобы человеку слышать
сигнал на частоте 30 Гц с такой же громкостью, как на частоте 1000 Гц,
необходимо на этой частоте его подавать со звуковым давлением, на
40 дБ (100 раз) большим, чем на частоте 1000 Гц.
В качестве «опорной частоты» действующими стандартами принята частота 1000 Гц, соответствующая 0 дБ, относительно которой
производятся все основные расчеты.
Применяя такую амплитудно-частотную характеристику шумомера при измерениях шума, определяют ощущения громкости шума
независимо от его частотной характеристики.
Для более детального исследования шума производится его спектральный анализ, при котором включается линейная амплитудно-частотная характеристика шумомера (рис. 40), а усиленный сигнал шума
подается на частотный анализатор.
Частотный анализатор представляет собой набор октавных
и третьоктавных фильтров с одинаковым коэффициентом передачи.
86
Рис. 41. Пример частотной характеристики октавного фильтра
Изготовить октавный фильтр
идеальной П-образной формы практически невозможно, поэтому октавные фильтры всегда имеют сложную
амплитудно-частотную характеристику, которая должна соответствовать требованиям соответствующих
стандартов.
График затухания октавного
фильтра в зависимости от класса точности измерительных приборов по
ГОСТ 17168–82 показан на рис. 42.
При измерениях акустического
шума используют как октавные, так
и третьоктавные фильтры, имеющие
фиксированные среднегеометрические частоты.
87
0,125 0,25 0,5
1
2
4
8
Рис. 42. График затухания октавного фильтра по ГОСТ 17168–82
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Набор октавных фильтров содержит октавные фильтры с фиксированными среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, 31,5, 63,
125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16 000, 32 000 Гц, которые непрерывно перекрывают весь измеряемый диапазон частот.
При гигиенических и эргономических исследованиях измеряют
шум в пределах 31,5–8000 Гц, как это показано на рис. 43.
Спектральный анализ шума с использованием октавных фильтров позволяет определить, на каких частотах генерируется тот или
иной уровень звукового давления.
4.1.1.5. Инфразвук
u
1
31,5
63
125
250
500
1000 2000 4000 8000
f, Гц
Инфразвук представляет собой звуковые волны, имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом.
За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно
принимают 16 Гц. Нижней границей инфразвукового диапазона условно считается частота 0,001 Гц.
Особенность физиологического воздействия инфразвука на организм человека связана с длиной звуковой волны, которая представляет собой перепад давления воздуха.
При скорости распространения звука в 343 м/с (при температуре 20 °С) и частоте 10 Гц длина инфразвуковой волны составит:
λ=
v 343
=
= 34,3 м,
f
10
(40)
Для определения допустимого уровня шума на рабочих местах,
в жилых помещениях, общественных зданиях и на территории жилой застройки используются различные нормативные документы:
стандарты и санитарные нормы, являющиеся обязательными для исполнения: ГОСТ 12.1.003–83. ССБТ «Шум. Общие требования безопасности», СН 2.2.4/2.1.8.562–96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».
В табл. 2 приведены данные санитарных норм СН 2.2.4/
2.1.8.562–96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».
что многократно превышает размеры организма человека.
Таким образом, при воздействии инфразвука весь организм человека испытывает периодические, иногда весьма значительные, изменения давления воздуха, в среде которого он находится.
Техногенными источниками инфразвука могут быть низкочастотные колебания поверхностей оборудования больших размеров,
например металлоконструкций в корпусах судов, крупного промышленного оборудования, мощные турбулентные потоки жидкостей
и газов и другие источники.
Воздействие высоких уровней инфразвука вызывает в организме человека ряд существенных нарушений функционирования его
органов. Опасным считается уровень выше 105 дБ.
Физиологическое действие инфразвука на человека заключается в том, что на него воздействуют значительные перепады давления
воздуха, которые с течением времени повреждают внутренние органы, головной мозг и другие органы вследствие развития тканевой
гипоксии – кислородного голодания.
При уровне в 180–190 дБ под действием инфразвука возможен
разрыв легочных альвеол, приводящий к смертельному исходу.
Предел выраженного инфразвукового дискомфорта и непереносимости наступает при уровне инфразвука в 154 дБ.
88
89
Рис. 43. Распределение октавных фильтров частотного анализатора
Поскольку ухо человека имеет сложную амплитудно-частотную
характеристику и шум на разных частотах влияет на человека по-разному, то такой анализ позволяет определить степень влияния шума
на тех или иных частотах и при необходимости принять необходимые меры для уменьшения уровня шума на необходимых частотах.
4.1.1.4. Гигиеническое нормирование шума
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Таблица 2
Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий
и на территории жилой застройки
(Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562–96)
Рабочее место
В помещениях проектно-конструкторских
бюро, расчетчиков
В конторских помещениях, в лабораториях
В помещениях диспетчерской службы с речевой связью по телефону; на участках точной сборки
Дистанционное управление без речевой связи
по телефону, в лабораториях с шумным оборудованием
Выполнение всех видов
работ на постоянных
рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятий
Жилые комна- с 7 до
ты квартир
23 ч
с 23 до
7ч
Территории,
с 7 до
непосредст23 ч
венно прилес 23 до
гающие к жи- 7 ч
лым домам
Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах
со среднегеометрическими частотами, Гц
Уровни
звука,
дБА
31,5
63
125
250
500 1000 2000 4000 8000
86
71
61
54
49
45
42
40
38
50
93
79
70
68
58
55
52
52
49
60
96
83
74
68
63
60
57
55
54
65
103
91
83
77
73
70
68
66
64
75
107
95
87
82
78
75
73
71
69
80
в диапазоне частот от 1 до 100 Гц вызывали у испытуемых ощущение
вибрации грудной стенки, сухость в полости рта, нарушение зрения,
головную боль, головокружение, тошноту, кашель, удушье, беспокойство в области подреберий, звон в ушах, модуляцию звуков речи, боли
при глотании и некоторые другие признаки нарушений в деятельности организма.
На рис. 44 показана схема лабораторной установки для исследований воздействия инфразвука на организм человека.
1
2
3
4
5
Рис. 44. Схема лабораторной установки для исследований
воздействия инфразвука на организм человека
Время восстановления функциональных сдвигов организма человека в результате непродолжительного действия высоких уровней
ультразвука может составлять до 6 недель и более.
Исследования показали, что низкочастотные акустические колебания, в том числе и инфразвукового диапазона, продолжительностью от 25 с до 2 мин с удельным звуковым давлением от 145 до 150 дБ
При включении электродвигателя-редуктора с механизмом регулировки 5 в результате вращения выходного вала редуктора с механизмом регулировки с помощью кривошипа 4 шток 3 производит
возвратно-поступательные движения, соответствующим образом деформируя резиновую мембрану 2. В результате внутри герметичной
кабины 1 происходят колебания давления воздуха с необходимыми
параметрами по частоте и инфразвуковому давлению.
Меняя в необходимых пределах частоту вращения двигателя
и амплитуду движения штока, создаются соответствующие частота
и давление воздуха внутри кабины.
В табл. 3 приведены справочные данные о предельно допустимых уровнях инфразвука на рабочих местах, допустимые уровни инфразвука в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки в соответствии с санитарными нормами
СН 2.2.4/2.1.8.583–96.
90
91
79
63
55
44
39
35
32
30
28
40
72
52
45
35
29
25
22
20
18
30
90
75
66
59
54
50
47
45
44
55
83
67
57
49
44
40
37
35
33
45
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Таблица 3
Предельно допустимые уровни инфразвука на рабочих местах,
допустимые уровни инфразвука в жилых и общественных
помещениях и на территории жилой застройки
№
п/п
1
2
3
Назначение помещений
Работы с различной степенью тяжести и напряженности трудового процесса в
производственных помещениях и на территории предприятий:
работы различной степени
тяжести
работы различной степени
интеллектуально-эмоциональной напряженности
Территория жилой застройки
Помещения жилых и общественных зданий
контактным путем (контактный ультразвук) при соприкосновении с твердыми и жидкими средами.
Характеристикой воздушного ультразвука на рабочих местах
являются уровни звукового давления в децибелах в третьоктавных
полосах со среднегеометрическими частотами 12,5, 16, 20, 25, 31,5,
40, 50, 63, 80 и 100 кГц.
В соответствии с ГОСТ 12.1.001–89 допустимые уровни звукового давления на рабочих местах не должны превышать значений,
приведенных в табл. 4.
Характеристикой контактного ультразвука являются пиковые
значения виброскорости Lv или ее логарифмические уровни в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 8, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16 000,
31 500 кГц.
2
4
8
16
Общий
уровень
звукового
давления,
дБ Лин
100
95
90
80
100
95
90
85
80
95
Таблица 4
Допустимые уровни звукового давления на рабочих местах
90
75
85
70
80
65
75
60
90
75
Среднегеометрические частоты
третьоктавных полос, кГц
12,5
16
20
25
31,5–100,0
Уровни звукового давления, дБ,
в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
4.1.1.6. Ультразвук
Уровень звукового давления,
дБ
80
90
100
105
110
Источником ультразвука является производственное оборудование, в котором генерируется ультразвук для выполнения технологических процессов, контроля и измерений, и производственное оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор, а также медицинское ультразвуковое
оборудование.
Ультразвук считается относительно безвредным источником
воздействия на организм человека. Поэтому он широко используется
в диагностических медицинских приборах.
По частотному составу ультразвуковой диапазон подразделяется:
на низкочастотный – от 1,12 104 до 1,0 105 Гц;
высокочастотный – от 1,0 105 до 1,0 109 Гц.
По способу распространения ультразвук распространяется:
воздушным путем (воздушный ультразвук);
Вибрация представляет собой колебательный процесс твердых
предметов в широком диапазоне частот.
В основном вибрация возникает в результате работы различных
механизмов, в которых происходят неуравновешенные возвратнопоступательные движения их деталей и узлов, несбалансированных
вращающихся деталей и других источников.
Вибрации характеризуются частотой и амплитудой смещения,
скоростью и ускорением.
92
93
4.1.2. Вибрация
4.1.2.1. Понятие о вибрации и ее влиянии на организм человека
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Работа машин и промышленного оборудования часто сопряжена с горизонтальными и вертикальными толчками и тряской.
В зависимости от частоты и виброскорости или виброускорения вибрация может оказывать вредное воздействие на здоровье человека.
Воздействие вибрации характеризуется по ряду параметров.
Предельно допустимый уровень (ПДУ) вибрации – это уровень,
который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более
40 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не должен вызывать
заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых
современными методами исследований, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.
Корректированный уровень вибрации – одночисловая характеристика вибрации, определяемая как результат энергетического суммирования уровней вибрации в октавных полосах частот с учетом
октавных поправок.
Эквивалентный (по энергии) корректированный уровень изменяющейся во времени вибрации – это корректированный уровень
постоянной во времени вибрации, которая имеет такое же среднеквадратичное корректированное значение виброускорения и/или виброскорости, что и данная непостоянная вибрация в течение определенного интервала времени.
На организм человека вибрация воздействует в диапазоне частот от 1,5 до 1000 Гц.
По способу передачи различают следующие виды вибрации:
общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;
локальную вибрацию, передающуюся через руки или ноги
человека, а также через предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями.
Поскольку диапазон частот вибрации практически совпадает
с шумом, для ее измерений используются те же измерительные приборы, в которых вместо измерительных микрофонов используются
вибродатчики.
Для точных измерений параметров вибрации в качестве вибродатчиков в современной аппаратуре применяются пьезоэлектрические акселерометры.
Принцип их действия заключается в том, что при вибрации находящийся внутри пьезоакселерометра грузик, прикрепленный к пьезокристаллу, деформирует его в соответствии с испытываемым ускорением. При деформации в пьезокристалле возникает электрическая
разность потенциалов (пьезоэффект), которая измеряется соответствующей электронной аппаратурой.
Схематичное устройство пьезоакселе2
1
3
рометра показано на рис. 45.
При воздействии вибрации в верти4
кальном направлении на корпус 1 пьезоакселерометра пьезоэлемент 2 под действи5
ем силы инерции грузика 3 начинает деформироваться, создавая на противоположных
гранях разность потенциалов, которые через соединительные провода 4 поступают
Рис. 45. Схематичное
на разъем 5.
устройство пьезоакселеВеличина разности потенциалов на
рометра
пьезоэлементе пропорциональна действующей на него силе и, соответственно, ускорению.
Таким образом, пьезоакселерометр является датчиком виброускорения.
На рис. 46 показаны различные типы пьезоакселерометров фирмы «Брюль и Къер».
Такое разнообразие пьезоакселерометров связано с различными требованиями к измерениям вибрации. Основные из них:
масса;
чувствительность;
диапазон измеряемых частот;
направления измерений вибрации;
устройство крепления датчика.
Перечисленные требования связаны с обеспечением необходимой точности измерений и соответствия полученных данных о характере вибрации.
Рассмотрим влияние перечисленных параметров пьезоакселерометров на результаты измерений.
94
95
4.1.2.2. Измерение вибрации
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Рис. 46. Пьезоакселерометры фирмы «Брюль и Къер»
Масса. Требование к допустимой массе связано с тем, что в результате установки пьезоакселерометра на объект измерения вибрации он вместе с элементами крепления не должен внести каких-то
существенных изменений в параметры и характер вибрации объекта.
Это в первую очередь связано с массой объекта вибрации и причинами, вызывающими вибрацию.
Например, в случае измерения вибрации корпуса машины, связанной с возвратно-поступательными движениями его узлов, масса
пьезоакселерометра вместе с элементами крепления должна быть
такой, чтобы изменения вибрации, вызванные его установкой, не внесли бы изменений в параметры вибрации, превышающие требуемую
точность измерений.
Если измеряется вибрация корпуса машины, имеющего массу
50 000 г при требуемой точности измерений ±10 %, то можно предположить, что изменение массы корпуса машины за счет массы пьезоакселерометра с устройством его крепления на 1 % (50 г) не вызовет
существенных изменений в параметрах вибрации (существенные изменения могут иметь место, например, при резонансных явлениях).
96
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Чувствительность датчика. Чувствительность датчика – это
напряжение электрического потенциала, возникающее при ускорении в 1 g, где g – ускорение свободного падения.
При выборе датчиков по чувствительности необходимо учесть,
что электронный измерительный прибор, измеряющий параметры
электрического потенциала, подключенный к пьезоакселерометру, при
своей работе генерирует собственные шумы, которые так или иначе
накладываются на результат измерений.
Поэтому необходимо, чтобы их чувствительность была максимальна, что обеспечит более точный результат измерений, так как при
этом будет обеспечено максимальное соотношение уровня электрического потенциала к собственным шумам измерительного прибора.
Данные о чувствительности пьезоакселерометра, как правило,
имеются в его паспортных данных.
Диапазон измеряемых частот. Конструкции датчиков обеспечивают практически линейную амплитудно-частотную характеристику в измеряемом спектре частот. Это достигается тем, что резонансная частота датчика находится значительно выше измеряемого диапазона, как это можно увидеть на рис. 47.
u, дБ
50
40
30
20
10
0
10 20
fрез
50 100 200 500 1000 2000 5000
f, Гц
Рис. 47. Пример амплитудно-частотной характеристики
пьезоакселерометра
97
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
В данной конструкции пьезоакселерометра в диапазоне частот
от 10 Гц до 1000 Гц его амплитудно-частотная характеристика имеет
линейный характер, что обеспечивает высокую точность преобразования параметров вибрации в электрические сигналы.
Направления измерений вибрации. В технической характеристике каждого пьезоакселерометра указывается его необходимая ориентация по отношению к направлению измеряемой вибрации.
При этом конструкцией пьезоакселерометров предусмотрены
меры, обеспечивающие его минимальную чувствительность к вибрации, направленной перпендикулярно направлению измеряемой
вибрации.
Это обеспечивает получение высокой точности получаемых результатов.
Однако в случаях необходимости измерений и анализа сложной
вибрации, например вибрации кузова движущегося автомобиля, имеющего одновременно несколько источников вибрации с разными параметрами, необходимо применение по крайней мере трех пьезоакселерометров, установленных перпендикулярно друг к другу, либо
установки трехосевых пьезоакселерометров.
Устройство крепления пьезоакселерометров. Правильная установка пьезоакселерометров имеет решающее значение при измерениях вибрации.
В зависимости от задач, условий и требований к проведению
измерений необходимо произвести выбор соответствующих способов и приспособлений для установки пьезоакселерометров, что не
всегда бывает простой задачей.
Главной целью при выборе способа крепления пьезоакселерометра является обеспечение максимально высокой резонансной частоты монтажа.
Типовыми способами монтажа пьезоакселерометров, рекомендуемыми фирмой «Брюль и Къер», являются следующие:
1. Монтаж на шпильке. Крепление акселерометра с помощью
стальной шпильки является наилучшим способом монтажа, поскольку
таким образом удается достичь самой высокой резонансной частоты
монтажа.
2. Цементирование шпилек. В местах, где невозможно или нежелательно просверливать и пробивать крепежные отверстия, опти-
мальным монтажным решением может стать цементирование шпильки. Такая зацементированная шпилька может быть закреплена на испытываемом объекте с помощью эпоксидной смолы или цианакрилатного клея. Частотная характеристика при таком способе будет почти такой же хорошей, как и при использовании обычной шпильки.
3. Монтаж с помощью пчелиного воска. Для быстрого крепления акселерометра (например, при наблюдении за вибрациями в разных точках путем перемещения акселерометра) можно использовать
пчелиный воск для удобства монтажа и демонтажа. Поскольку при
высоких температурах пчелиный воск размягчается, этот метод ограничен температурой примерно 40 °C.
4. Монтаж с помощью постоянного магнита. Удобный метод
монтажа акселерометра состоит в использовании постоянного магнита, который можно быстро и легко переместить из одного положения в другое, что особенно удобно, когда требуется провести наблюдения в большом количестве точек измерения за минимально возможное время испытаний. Этот метод ограничен установкой на
чистых и плоских ферромагнитных поверхностях, а его динамический диапазон ограничен из-за ограниченной силы магнита. Тем не
менее, метод может дать хорошую высокочастотную характеристику, особенно на плоских поверхностях. Установка на магнит самоклеящегося диска обеспечит электрическую изоляцию между акселерометром и поверхностью, на которой он крепится. На рис. 48
представлены иллюстрации различных видов монтажа пьезоакселерометров.
98
99
Рис. 48. Типовые способы монтажа пьезоакселерометров
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Однако часто в производственных условиях требуется оперативное измерение вибрации в местах, которые невозможно заранее
подготовить, например измерение вибрации мокрых деревянных полов передвижных буровых установок геологоразведочных партий,
горного оборудования в шахтах, вибрации рукояток с резиновым покрытием и т. д.
В таких случаях необходима разработка специальных приспособлений для установки пьезоакселерометров.
Примеры таких технических решений
приведены на рис. 49 и 50: приспособление
для измерения вибрации деревянных конструкций и приспособление для измерения вибрации на обрезиненных рукоятках (при исследованиях локальной вибрации).
Как видно из рис. 49, крепление пьезоакселерометра на деревянные детали производится путем резьбового соединения. Это
Рис. 49. Монтаж пьезоак- позволяет обеспечить надежное крепление,
селерометра на деревянмало зависящее от состояния поверхности
ной детали
этой детали.
Эти данные должны быть учтены при оценке возможных искажений, вносимых в результаты измерений массой приспособления
и параметрами жесткости скобы.
4.1.2.3. Воздействие общей вибрации на организм человека
При измерении вибрации металлическая скоба 2 (см. рис. 50)
прижимается рукой оператора к обрезиненной рукоятке 3 исследуемой машины.
Для обеспечения достаточной точности измерений предварительно должно быть измерено усилие оператора при выполнении работ и направление воздействия вибрации.
Общая вибрация передается организму человека через опорные
поверхности на ноги (положение стоя), на ноги, ягодицы и спину (положение сидя) и на все тело в целом (положение лежа) и может наблюдаться, например, на транспортных средствах, в зданиях и поблизости от работающего оборудования.
Воздействие общей вибрации на организм человека может нанести существенный вред его здоровью.
В отношении сидящего человека общая вибрация может быть
вредна для поясничных позвонков и связанных с ними нервных окончаний.
Кроме того, большие механические напряжения, нарушения
питания ткани диска могут вызвать развитие дегенеративных процессов в поясничных сегментах позвоночника (спондилеза, межпозвонкового остеохондроза, артроза).
Воздействие общей вибрации может привести также к появлению определенных эндогенных – связанных с особенностями конкретного организма – патологических отклонений позвоночника.
Общая вибрация может оказывать влияние на органы пищеварения, мочевыделительную систему и женские репродуктивные органы.
Особенно вредны вибрации с вынужденной частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний тела человека или его отдельных органов (для тела человека – 6…9 Гц, головы – 6 Гц, желудка – 8 Гц, других органов – в пределах 25 Гц).
Частотный диапазон расстройств зрительных восприятий лежит
между 60 и 90 Гц, что соответствует резонансу глазных яблок.
Обычно изменения в состоянии здоровья человека проявляются только после продолжительного многолетнего воздействия общей
вибрации. Поэтому для ее оценки необходимо иметь представительные данные об этом воздействии за длительный период времени.
Общая вибрация характеризуется не только по параметрам виброускорения и спектру частот, но и по видам движения: поступательное, м/с2, и угловое, рад/с2.
100
101
1
2
3
4
5
Рис. 50. Установка пьезоакселерометра на обрезиненной рукоятке:
1 – пьезоакселерометр; 2 – металлическая скоба; 3 – обрезиненная рукоятка;
4 – втулка; 5 – винт
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
При анализе общей вибрации рассматривают направления
и формы движения вибрации относительно положения организма человека, как это показано на рис. 51, где представлена базицентрическая система координат по ГОСТ 31191.1–2004.
Общую вибрацию по источнику ее возникновения и возможности регулирования ее интенсивности оператором подразделяют на
следующие категории (ГОСТ 12.1.012–90):
категория 1 – транспортная вибрация, воздействующая на оператора на рабочих местах самоходных и прицепных машин и транспортных средств при их движении по местности, агрофону и дорогам,
в том числе при их строительстве; при этом оператор может активно,
в известных пределах, регулировать воздействие вибрации;
категория 2 – транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на человека-оператора на рабочих местах машин с ог-
раниченной подвижностью при перемещении их по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок и горных выработок; при этом оператор может лишь
иногда регулировать воздействие вибрации;
категория 3а – технологическая вибрация, воздействующая
на оператора на рабочих местах стационарных машин или передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации;
категория 3б – вибрация на рабочих местах работников умственного труда и персонала, не занимающегося физическим трудом.
К ней относятся рабочие места на промышленных кранах, у станков
металло- и деревообрабатывающих, кузнечно-прессового оборудования, литейных машин и другого стационарного технологического
оборудования.
Оценка воздействия общей вибрации на организм человека производится по критериям степени комфорта, чувствительности к вибрации и болезни движения.
В соответствии с действующими стандартами воздействие общей вибрации анализируют в диапазоне частот:
от 0,5 до 80 Гц – для оценки воздействия на здоровье и степень комфорта и чувствительности к вибрации;
от 0,1 до 0,5 Гц – для оценки подверженности болезни движения (укачивания).
Причем на различных частотах и в различных направлениях
вибрация воздействует по-разному.
Для определения пространственной ориентации пьезоакселерометров для измерения воздействующей на организм человека вибрации при проведении исследований применяется базицентрическая
система координат, изображенная на рис. 51.
Эта система координат включает в себя три положения тела человека: стоя, сидя и лежа.
Фиксация ориентировки пьезоакселерометров при измерениях
вибрации в соответствии с данной системой координат обеспечивает
соизмеримость результатов исследований в самых разных условиях
проведения измерений.
Поскольку чувствительность организма человека к разным частотам общей вибрации разная, для возможности получения эквивалентных данных воздействия вибрации на организм человека неза-
102
103
Рис. 51. Базицентрическая система координат для тела человека
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
висимо от частотного спектра вибрации применяются различные виды
специальных корректирующих фильтров, выбираемых в зависимости от направлений и условий действия вибрации. Эти фильтры могут
быть как аналоговыми, так и цифровыми.
Графики основных функций частотной коррекции по ГОСТ
31191.1–2004 представлены на рис. 52:
Wk – для направления z, а также для вертикального направления
для лежащего человека (исключая голову);
Wd – для направлений х и у, а также для горизонтального направления для лежащего человека;
Wt – болезнь движения.
Рис. 53. Дополнительные функции частотной коррекции
На рис. 53 изображены следующие графики:
Wc – для измерений на спинке сидений;
We – для измерений угловой вибрации;
Wj – для измерений вибрации под головой лежащего человека.
Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной
нагрузки на оператора даны в табл. 6.
Таблица 5
Среднегеометрические частоты третьоктавных фильтров
Рис. 52. Графики основных функций частотной коррекции
(ГОСТ 31191.1–2004)
Для учета воздействия вибрации спинки сиденья, при наличии
угловой вибрации и вибрации применяются дополнительные виды
частотной коррекции, графики которых изображены на рис. 53.
Частотный анализ всего диапазона частот производится с помощью набора, состоящего из 44 третьоктавных фильтров.
Номера полос частот и соответствующие им среднегеометрические частоты третьоктавных фильтров представлены в табл. 5.
Для санитарного нормирования и контроля вибрации используются среднеквадратичные значения виброускорения и виброскорости, а также их логарифмические уровни в децибелах.
104
Номер
полосы
частот
–17
–16
–15
–14
–13
–12
–11
–10
–9
–8
Среднегеометрическая
частота, Гц
0,02
0,025
0,0315
0,04
0,05
0,063
0,08
0,1
0,125
0,16
Номер
полосы
частот
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
105
Среднегеометрическая
частота, Гц
3,15
4
5
6,3
8
10
12,5
16
20
25
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Окончание табл. 5
Номер
полосы
частот
–7
–6
–5
–4
–3
–2
–1
0
1
2
3
4
Среднегеометрическая
частота, Гц
0,2
0,25
0,315
0,4
0,5
0,63
0,8
1
1,25
1,6
2
2,5
Номер
полосы
частот
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Среднегеометрическая
частота, Гц
31,5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
Таблица 6
Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной нагрузки
на оператора. Общая вибрация, категория 1
Среднегеометрические
частоты полос, Гц
0,8
1,0
1,25
1,6
2,0
2,5
3,15
4,0
5,0
6,3
8,0
10,0
12,5
16,0
20,0
Нормативные значения виброускорения
дБ
в 1/3-окт.
в 1/1-окт.
в 1/3-окт.
в 1/3-окт.
Z0
Х 0, Y0
Z0
Х 0, Y 0
Z0
Х 0, Y0
Z0
Х0 , Y 0
0,71
0,224
117
107
1,10
0,39
121
112
0,63
0,224
116
107
0,56
0,224
115
107
0,50
0,224
114
107
0,79
0,42
118
113
0,45
0,224
113
107
м ⋅ с–2
0,40
0,355
0,315
0,315
0,315
0,315
0,40
0,50
0,63
0,80
0,280
0,365
0,450
0,56
0,710
0,900
1,12
1,40
1,80
2,24
0,57
0,8
0,6
1,62
1,13
3,2
106
112
111
110
110
110
110
112
114
116
118
109
111
113
115
117
119
121
123
125
127
115
118
116
124
121
130
Окончание табл. 6
Среднегеометрические
частоты полос, Гц
25,0
31,5
40,0
50,0
630
80,0
0,8
1,0
1,25
1,6
2,0
2,5
3,15
4,0
5,0
Нормативные значения виброускорения
дБ
в 1/3-окт.
в 1/1-окт.
в 1/3-окт.
в 1/3-окт.
Х 0 , Y0
Z0
Х 0, Y 0
Z0
Х 0 , Y0
Z0
Х0, Y0
Z0
1,0
2,80
120
129
2,25
6,4
127
136
1,25
3,55
122
131
1,60
4,50
124
133
2,00
5,60
126
135
4,5
12,8
133
142
2,50
7,10
128
137
м ⋅ с–2
3,15
14,12
10,03
7,13
4,97
3,58
2,95
1,78
1,25
1,00
9,00
4,45
3,57
2,85
2,29
1,78
1,78
1,78
1,78
1,78
20,0
6,3
7,1
3,5
2,5
3,2
130
129
126
123
120
117
114
111
108
106
139
119
117
115
113
111
111
111
111
111
132
122
123
117
114
116
4.1.2.4. Воздействие локальной вибрации на организм человека
При воздействии высоких уровней вибрации у рабочих, длительное время использующих ручные и переносные машины, в результате травматизации возникают разнообразные изменения в мышцах
плечевого пояса, рук и кистей, поражается периферическая нервная
система, происходят костно-суставные изменения, нарушается кровоснабжение.
Вибрация также оказывает отрицательное воздействие на общее состояние организма: изменяются работа сердечной мышцы, частота пульса, артериальное давление, мозговое кровообращение, функционирование вестибулярного аппарата, происходит ухудшение зрения и др.
Локальная вибрация возникает в результате передачи на органы
управления вращательных или возвратно-поступательных движений
деталей и механизмов машин, воздействуя в основном на руки оператора. К таким машинам относятся ручные машины, различные
транспортные средства и технологическое оборудование. Кроме того,
107
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
локальная вибрация может передаваться на руки при обработке детали, которую оператор держит в руках.
Воздействие высоких уровней локальной вибрации может приводить к различным нарушениям функционирования организма человека: нарушениям потоков крови в периферических сосудах рук,
неврологических и локомоторных функций кисти и всей руки.
Опасному воздействию локальной вибрации подвергаются
в основном рабочие горной и металлургической промышленности,
а также в ряде строительных отраслей.
В результате этих воздействий возникает серьезное профессиональное заболевание – вибрационная болезнь, которая причислена
к профессиональным заболеваниям, нередко приводящая к инвалидности, а в некоторых случаях и к летальному исходу.
Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов, которые начинаются с концевых фаланг пальцев рук и распространяются на всю
кисть, предплечье, захватывают сосуды сердца.
Вибрация в диапазоне частот от 35 до 250 Гц является наиболее
критической для развития вибрационной болезни.
На восприятие человеком вибрации в рабочих условиях могут
оказать влияние следующие факторы:
направление действия и частотный состав локальной вибрации;
выполняемая рабочая операция и квалификация оператора;
возраст рабочего, а также какая-либо предрасположенность
к вибрационной болезни, обусловленная его конституцией или состоянием здоровья;
структура рабочего дня и метод работы, т. е. чередование
периодов работы и отдыха, удержание рабочим не работающего инструмента в руках или откладывание его в сторону и т. д.;
прилагаемые силы в месте контакта, такие как сила нажатия
и сила обхвата, передаваемые оператором через рукоятку ручной машины или обрабатываемую деталь, давление на кожу руки;
положение кисти, всей руки и тела человека в процессе воздействия вибрации (угол наклона запястья, углы в локтевом и плечевом суставах);
тип и состояние вибрирующей машины, ручного инструмента
и присоединенных элементов или обрабатываемой детали;
место и площадь той части руки, которая подвергается воздействию вибрации;
климатические условия и другие факторы, влияющие на температуру рук или тела;
наличие заболеваний, связанных с кровообращением;
вещества, влияющие на периферийное кровообращение, такие как никотин, медицинские препараты или химические реагенты,
сопутствующие конкретным рабочим условиям;
шум.
Методы измерения локальной вибрации и оценка ее воздействия
утверждены соответствующими стандартами, что обеспечивает соизмеримость получаемых результатов измерений.
Стандартные методы исследований следует применять только
при официальных испытаниях.
Но методы, предусмотренные стандартами, не являются абсолютно совершенными. По мере получения новых научных данных
эти стандарты периодически пересматриваются. Иногда при этом
в них вводятся весьма существенные изменения.
Местоположение и ориентация пьезоакселерометров
При измерении локальной вибрации необходима правильная
ориентация пьезоакселерометров, учитывающая как направление
вибрации, так и положение руки оператора на рукоятке.
Локальную вибрацию следует измерять в направлении осей
ортогональной системы координат, как показано на рис. 54
(ГОСТ 31192.1–2004).
Из практических соображений эту систему координат удобно
задавать относительно соответствующей базицентрической системы
координат. В случае измерения локальной вибрации положение базицентрической системы координат определяется предметом – обрабатываемой деталью, рукояткой инструмента или рычагом устройства управления – через который вибрация передается на сжатую
кисть.
Центром биодинамической системы координат является головка третьей пястной кости. Ось zh определена как продольная ось третьей пястной кости с положительным направлением в сторону кончика пальца. Ось хh проходит через начало координат, перпендику-
108
109
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
лярна к оси zh и направлена вверх, когда кисть находится в нормальном анатомическом положении (ладонью вверх). Ось yh перпендикулярна к двум другим осям и положительно направлена в сторону большого пальца. На практике обычно используют базицентрическую
систему координат, получаемую вращением системы координат
в плоскости (у–z) таким образом, чтобы ось yh была параллельна оси
предмета, удерживаемого кистью руки (например, рукоятки).
Рис. 55. Точки крепления пьезоакселерометров к жестким поверхностям
Рис. 54. Система координат, связанная с кистью руки
Желательно измерять вибрацию во всех трех направлениях одновременно. Допустимо проведение измерений вдоль каждой оси по
очереди при условии, что рабочие условия от измерения к измерению остаются неизменными. Измерения следует проводить на вибрирующей поверхности по возможности ближе к центру области обхвата рукой машины, инструмента или обрабатываемой детали. Местоположение датчиков должно быть зафиксировано.
На рис. 55 показаны различные точки крепления пьезоакселерометров к жестким поверхностям в соответствии с рекомендациями по ГОСТ 31192.2–2005.
110
Оценка воздействия локальной вибрации
Воздействие вибрации на человека-оператора зависит от уровня (виброускорения или виброскорости), частотного спектра, способа передачи вибрации на человека, направления действия вибрации,
временной характеристики действия вибрации, а также других сопутствующих факторов: физической нагрузки, нервно-эмоциональной нагрузки, температуры и влажности окружающего воздуха, шума,
химического состава воздушной среды, наличия масляных аэрозолей, пыли и многих других факторов.
Из перечисленного перечня факторов, влияющих на результат
воздействия локальной вибрации, при стандартных исследованиях
в производственных условиях учитываются лишь частотный спектр вибрации, уровень вибрации, длительность воздействия вибрации в течение рабочего дня, суммарное воздействие вибрации, накопленное к определенному моменту времени в течение трудовой деятельности.
Измерения вибрации на рукоятках, вибрирующих поверхностях
машин или обрабатываемой детали осуществляются в типичных
условиях применения инструмента или для типичного технологического процесса.
111
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Поэтому для учета этих условий и получения объективных данных в ряде случаев необходима разработка специальных приспособлений и оборудования.
Например, для учета суммарного времени воздействия вибрации, наличия и времени пауз и микропауз, а также их статистического распределения при исследованиях ручных электроинструментов
применяются датчики, фиксирующие время их работы по расходу
электроэнергии, сопряженные с регистрирующими устройствами.
С той же целью используются специальные пневмоэлектрические датчики для контроля времени работы ручных пневматических
машин.
На рис. 56 в качестве примера показана конструкция пневмоэлектрического датчика.
ное давление, а в верхней камере 8 – пониженное давление сжатого
воздуха. Под действием разницы давлений мембрана 6 деформируется, перемещая вверх контактный стержень 5, с помощью которого
происходит замыкание электрических контактов в электроконтактной группе 4. При остановке пневматической машины мембрана 6
и контактный стержень 5 принимают исходное положение, а электрические контакты размыкаются.
При этом состояние электрических контактов фиксируется регистрирующей аппаратурой.
Таким образом, с помощью пневмоэлектрического датчика производится регистрация режима работы пневматической машины.
Основной величиной, используемой для измерения уровня вибрации, является среднеквадратичное значение корректированного
виброускорения, м/с2.
Измерения корректированного виброускорения требуют применения соответствующих полосовых и весовых фильтров. Применение частотной коррекции необходимо, так как вибрация на разных
частотах по-разному влияет на руки оператора. На рис. 57 показана
кривая частотной коррекции Wh для локальной вибрации.
3
4
5
6
7
8
2
9
1
Рис. 56. Пневмоэлектрический датчик
Труба подключается к источнику сжатого воздуха и шлангу пневматической машины таким образом, чтобы направление движения
сжатого воздуха соответствовало направлению стрелки (см. рис. 56).
К электроконтактной группе 4 подключается регистрирующее
устройство (самописец, магнитофон, таймер и т. п.).
В исходном состоянии, когда в воздухопроводную сеть подан
сжатый воздух, но пневматическая машина не включена, в нижней
камере 3 и верхней камере 8 давления сжатого воздуха одинаковые.
При этом мембрана 7 и контактный стержень 6 находятся нижнем
состоянии.
При включении пневматической машины по трубе 1 в направлении стрелки начинается движение сжатого воздуха. При этом
с помощью трубок Пито 2, 9 в нижней камере 3 создается повышен112
Рис. 57. Кривая частотной коррекции Wh для локальной вибрации
Среднеквадратичное значение получают путем интегрирования
сигнала вибрации по формуле
a kw =
1T 2
∫ a kw (t )dt .
T0
113
(41)
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Время интегрирования T должно быть выбрано таким образом,
чтобы оно могло охватить характерный участок вибросигнала.
Предельно допустимые значения локальной вибрации представлены в табл. 7.
Таблица 7
Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной нагрузки
на оператора. Локальная вибрация
Среднегеометрические
частоты октавных полос,
Гц
8
16
31,5
63
125
250
500
1000
Нормативныe значения в направлениях
виброускорения
виброскорости
–2
м/с
дБ
м/с
дБ
1,4
123
2,8
115
1,4
123
1,4
109
2,7
129
1,4
109
5,4
135
1,4
109
10,7
141
1,4
109
21,3
147
1,4
109
42,5
153
1,4
109
85,0
159
1,4
109
4.1.3. Освещение
4.1.3.1. Общие сведения
Видимый свет представляет собой участок спектра электромагнитных волн в пределах 400–760 нм, воспринимаемых человеческим
глазом в виде различных цветов от красного до фиолетового. Чувствительность глаза человека к различным цветам видимого спектра
разная. Кроме того, субъективное восприятие у разных людей различно и в значительной степени зависит от условий наблюдения.
Глаз обладает максимальной чувствительностью на длине электромагнитной волны 555 нм, находящейся в зеленой части спектра (рис. 58).
Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность
падает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального
диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380–400 нм, а в качестве длинноволновой – 760–780 нм.
114
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
k
λ
1,0
0,5
, нм
Рис. 58. Чувствительность глаза в видимом спектре
электромагнитных волн
Глаз человека содержит два типа светочувствительных клеток
(фоторецепторов): высокочувствительные палочки, отвечающие за
черно-белое (серое) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение. Собственно цветное зрение формируется
в результате совместного функционирования палочек и колбочек.
В сетчатке человека в каждом глазу содержится около 110–123
млн палочек и примерно 6–7 млн колбочек. Поэтому разрешающую
способность зрения определяют палочки, а колбочки обеспечивают
лишь соответствующую цветовую окраску.
На сетчатке глаза имеется три вида колбочек – S, M и L, обладающие разной чувствительностью к воспринимаемым длинам волн
(табл. 8).
Таблица 8
Чувствительность колбочек к воспринимаемым длинам
электромагнитных волн
Тип
колбочек
S
M
L
Обозначение
β
γ
ρ
Воспринимаемые
длины волн, нм
400–500
450–630
500–700
Максимум
чувствительности, нм
420–440
534–555
564–580
Свет с разной длиной волны по-разному воздействует на разные типы колбочек. В результате одновременного воздействия разных длин волн на все три колбочки у человека формируется воспри115
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
ятие различных цветовых оттенков, а благодаря поступающей информации от палочек – и разной яркости.
Этот закон имеет первостепенное значение для теории цвета.
Для унификации и стандартизации измерений в области света
в 1913 году была создана Международная комиссия по освещению
(МКО).
МКО является наиболее авторитетным органом в мире по вопросам, входящим в компетенцию светотехнической подотрасли. МКО
разрабатывает нормы, рекомендации, стандарты по технике всех видов освещения. Документы МКО являются обязательной базой для
разработки национальных норм освещения.
По мере развития колориметрии для обеспечения объективных
измерений и оценок цвета первоначально были разработаны шкалы
цветов.
Однако в связи с увеличением количества образцов цвета
в XX веке появилась необходимость в принятии стандартов основных цветов и разработке стандартизованных атласов цветов.
Первая стандартная колориметрическая система была принята
в 1931 году на VIII сессии МКО.
В этой системе, получившей название RGB, в качестве трех линейно независимых цветов были выбраны следующие монохроматические излучения: красный R (l = 700 нм, легко выделяемый красным светофильтром из спектра лампы накаливания); зеленый G
(l = 546,1 нм – линия е в спектре ртутной лампы); синий В (l = 435,8 нм –
линия g в спектре ртутной лампы).
В результате смешения всех трех цветов с определенным сочетанием интенсивности из-за разной чувствительности колбочек получается белый цвет.
При попарном смешивании основных цветов формируются вторичные цвета:
красный и зеленый – желтый;
зеленый и синий – голубой;
красный и синий – пурпурный.
На рис. 59 показано получение вторичных цветов при смешении двух основных цветов и белого цвета при смешении трех основных цветов.
Поскольку любые цвета состоят из трех основных цветов, любой измеряемый цвет S может быть представлен графически в трехмерном цветовом пространстве коэффициентами цвета с координа-
4.1.3.2. Колориметрия
Колориметрия – наука, исследующая проблемы цветов и их измерений.
Главную роль в развитии колориметрии сыграло открытие немецким математиком Г. Грассманом трех законов аддитивного синтеза цвета.
1. Первый закон (трехмерности): любой цвет однозначно выражается тремя цветами, если они линейно независимы. Линейная
независимость заключается в том, что ни один из этих трех цветов
нельзя получить сложением двух остальных.
2. Второй закон (непрерывности): при непрерывном изменении
излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.
3. Третий закон (аддитивности): цвет смеси излучений зависит
только от их цвета, а не от спектрального состава. Следствием является аддитивность цветовых уравнений: если цвета смешиваемых
излучений описаны цветовыми уравнениями, то цвет смеси выражается суммой цветовых уравнений.
Таким образом, если:
Ц1 = R1 R + G1G + B1 B,
Ц 2 = R 2 R + G 2 G + B2 B ,
....................................... ,
(42)
Ц n = Rn R + G n G + Bn B,
то:
Ц сум = ( R1 + R2 + ... + Rn ) R + (G1 + G2 + ... + Gn )G +
+ ( B1 + B2 + ... + Bn ) B,
где R – красный цвет; G – зеленый; B – синий.
116
(43)
117
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
тами R' , G ' , B' в виде соответствующих
координатных
   осей с единичными векторами R , G и B .
Отсюда цвет S может быть выражен
векторным цветовым уравнением:



(44)
S = R' R + G' G + B' B.
Для количественной оценки излучений трех основных цветов их сравнительные значения должны в результате смешеРис. 59. Формирование вторичных цветов при разных ния обеспечивать баланс белого цвета.
сочетаниях двух основных Количественная характеристика каждого
цветов и белого при сочета- из основных цветов при этом может
ниях трех основных цветов быть измерена, например, по мощности
излучения.
Построение единичной плосG
кости в цветовом пространстве
G=1
Точка белого
RGB показано на рис. 60.
Единичная
Участок единичной плоскоплоскость
сти
внутри
треугольника представR+B+G=1
ляет цветовой охват данной систе.S N
мы координат и называется цветоR
вым треугольником. Положение
R=1
B=1
точки S в цветовом треугольнике
задается координатами (коэффициB
ентами) цветности r, g, b, которые
Рис. 60. Единичная плоскость в цве- определяются модулем – отношетовом пространстве RGB
нием координат цвета к их сумме:
r=
B'
R'
G'
.
; g=
; b=
R ' + G ' + B'
R' + G ' + B '
R' + G' + B'
(45)
Поскольку
r + b + g = 1,
118
(46)
то отсюда, зная два из трех коэффициентов цветности, всегда
и однозначно можно определить третий, а зная модуль, можно получить полную характеристику цвета S.
Кроме знаний о цвете, необходимо также знать и его яркость,
для чего используется координата цвета Y ' .
Если точка S, как видно из рис. 60, находится внутри плоскости
треугольника, то ее координаты RGB только положительные.
В том случае, если точка S находится на плоскости вне треугольника, то одна или две координаты могут быть отрицательными
(рис. 61). Такой случай может
G
быть, когда измеряемый цвет не
G =1
может быть получен в результате
смешивания основных цветов.
Таким образом, не все реальные
цвета можно получить смешиванием цветов в системе RGB.
. S –R
На рис. 62 представлены
R
R=1
графики (кривые сложения)
удельных координат цвета B = 1



r (λ), g (λ), b (λ) в системе RGB B
(МКО 1931).
Рис. 61. Точка S имеет
Как видно из графиков, для
отрицательную координату – R
каждой длины волны видимого
цвета можно определить состав и величину основных цветов, которые в результате смешения воспроизводят такой же цвет. Поскольку
существование отрицательных координат для реальных цветов неудобно в проведении вычислений, МКО в 1931 г. была стандартизована система XYZ (рис. 63), в которой удельные координаты системы
RGB были пересчитаны таким образом, чтобы все координаты цветов были бы положительные.
При этом основные цвета реально не существуют.
Как пространственная система координат, так и диаграммы
удельных координат цвета в ряде случаев недостаточно удобны.
В данном случае значительно удобнее пользоваться треугольником цветности RGB.
119
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
0,4
0,2
0,0
Рис. 62. Диаграммы (кривые сложения) удельных
координат цвета в системе RGB
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
начала координат соответственно по гориg
зонтали и вертикали, как это показано
1
на рис. 64.
Обозначим на треугольнике RGB значения координат цветности, соответствующие спектральным излучениям от 380
до 700 нм.
Для этого воспользуемся кривыми
сложения или удельными координатами rl,
b
1 r
gl, bl, которые представляют собой функции распределения по спектру цветовых Рис. 64. Треугольник rgb
координат монохроматических излучений
мощностью в 1 Вт, показанными на рис. 62.
Внутри локуса находятся все реальные цвета, в то время как вне
локуса лежат нереальные цвета.
В системе XYZ локус принимает вид, изображенный на рис. 65.
На рис. 66 показан вид локуса в прямоугольной системе координат xy.
G
1,5
510
1,0
520
530
0,5
500
1
560
490
Рис. 63. Диаграмма системы цветов XYZ
–R
460
380
–G
Треугольник цветности RGB представляет собой прямоугольный
треугольник, в котором одна из вершин, например b, принята за начало системы координат (b = 0). Величины r = 1 и g = 1 отложены от
Рис. 65. Вид локуса в системе XYZ
120
121
700
1 R
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
y
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы
радиусом r, вырезающему из сферы поверхность площадью r2, как
это показано на рис. 67.
Если такой телесный угол имеет вид кругового конуса, то угол
его раскрытия составит:
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
1 

θ = 2arccos 1 –  ≈ 1,144 rad .
 2π 
0,4
0,3
(47)
Измерение цвета заключается в определении координат конкретного оттенка цвета в трехмерной системе цветовых координат.
Для измерений цвета используются такие приборы, как спектрометры, спектрофотометры и спектрорадиометры. Измерения цветов производятся для самых разных целей, в том числе и при решении вопросов гигиены труда и эргономики.
Кандела является основной единицей измерения силы света (от лат.
r2
r
candela – свеча) в системе СИ. Определена как «сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой
540 · 1012 Гц, энергетическая сила света
которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср». (Здесь ср – стерадиан –
Рис. 67. Изображение
единица измерения телесных углов.)
телесного угла в 1 ср
Люмен – единица измерения светового потока, где световой поток является физической величиной, характеризующей количество
«световой» мощности в соответствующем потоке излучения.
Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным
изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан: 1 лм = 1 кд ср ( = 1 лк м2).
Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4 люменам.
Люкс – единица измерения освещенности.
Люкс равен освещенности поверхности площадью 1 м2 при световом потоке падающего на нее излучения, равном 1 лм.
Для измерения цвета, яркости и света используются такие приборы, как спектрометры, спектрофотометры, спектрорадиометры,
люксметры, яркомеры и блескомеры.
Спектрометр – прибор, в котором регистрация и измерения осуществляются спектральным сканированием и преобразованием оптического излучения в электрические сигналы приемниками излучения.
Спектрофотометр – прибор для исследования спектрального
состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом
диапазоне, нахождения спектральных характеристик излучателей
и объектов, взаимодействовавших с излучением, фотометрирования
и спектрального анализа.
Спектрорадиометр – спектрометр, предназначенный для измерения и регистрации спектральных распределений фотометрических
величин.
Блескомер – прибор для измерения блеска. Брескомеры используются во всех сферах деятельности, где блеск определяет качество.
122
123
0,2
0,1
0,0
x
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
х
Рис. 66. Вид локуса в системе xy
4.1.3.3. Измерение цвета и света
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Блеск с помощью блескомера измеряется путем направления светового луча постоянной мощности под углом к тестируемой поверхности и контроля отраженного света. Блескомеры предназначены для
измерения блеска различного рода поверхностей и покрытий при
различном освещении.
Люксметр (измеритель освещенности) – это прибор для измерения освещенности, который в основном используется в гигиенических и эргономических исследованиях (рис. 68).
Люксметр состоит из селенового фотоэлемента, который преобразует световую энергию в энергию электрического тока, и измеряющего этот фототок микроамперметра (цифрового или стрелочного) со шкалами, проградуированными в люксах. Шкалы соответствуют различным диапазонам измеряемой освещенности, например 2000,
20 000 и 50 000 лк. Для увеличения измеряемого диапазона на фотоэлемент надевают светорассеивающую насадку, ослабляющую в широком интервале длин волн излучения падающее на элемент излучение в определенное число раз.
Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента
и среднего человеческого глаза неодинаковы. Поэтому показания люксметра и восприятие глаза могут не совпадать при разных составах
спектров излучения.
Для этого люксметры соответствующим образом градуиру1
ются (в большинстве случаев с лам2 пой накаливания), а при других
источниках света применяют поправочные коэффициенты. Погрешность измерений такими люксметрами составляет не менее
10 % от измеряемой величины.
Для повышения точности измерений применяются специальные корригирующие светофильтРис. 68. Цифровой люксметр:
ры, в результате чего спектральная
1 – цифровой микроамперметр;
чувствительность фотоэлемента
2 – селеновый фотоэлемент
приближается к чувствительности
глаза. Точность измерений лучшими люксметрами – порядка 1 %.
4.1.3.4. Основные светотехнические характеристики
рабочих мест
124
Освещение характеризуется количественными и качественными показателями.
К количественным показателям относятся:
световой поток Ф, воспринимаемый зрительным анализатором как свет;
сила света Iv – пространственная плотность светового потока, определяемая как:
Iv =
dΦ v
,
dΩ
(48)
где dΩ – телесный угол.
Освещенность Ev – поверхностная плотность светового потока.
Освещенность численно определяется отношением светового потока, падающего на участок поверхности малой единичной площади:
Ev =
dΦ v
.
dσ
(49)
Единица измерений освещенности – люкс (лк).
Яркость представляет собой отношение освещенности E в точке плоскости, перпендикулярной направлению на источник, к элементарному телесному углу, в котором заключен поток, создающий эту
освещенность:
L=
dE
.
dΩ cos θ
(50)
Яркость измеряется в кд/м2.
Из всех световых величин яркость наиболее непосредственно связана со зрительными ощущениями, так как освещенности изображений
предметов на сетчатке пропорциональны яркостям этих предметов.
Для эргономической и гигиенической оценок условий труда по
параметрам освещенности применяются такие показатели, как фон,
констраст, коэффициент пульсации и показатель ослепленности.
125
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Фон – это поверхность, на которой происходит различение объекта. Фон характеризуется способностью поверхности отражать падающий на нее световой поток. Эта способность (коэффициент отражения р) определяется как отношение отраженного от поверхности
светового потока Фотр к падающему на нее световому потоку Фпад (51):
p=
Φ отр
Φ пад
.
Lф − Lо
Lф
.
(52)
Для контраста приняты следующие градации:
k > 0,5 – большой контраст;
k = 0,2…0,5 – средний контраст;
k < 0,2 – малый контраст.
На рис. 69 показаны одинаковые изображения с разной контрастностью: а – большой контраст; б – средний контраст; в – малый
контраст, а на рис. 70 с разной яркостью: а – низкая яркость; б – средняя яркость; в – высокая яркость.
а
б
в
Рис. 70. Изображения с разной яркостью
(51)
В зависимости от цвета и фактуры поверхности значения коэффициента отражения p находятся в пределах 0,02...0,95.
По степени восприятия фон считается светлым при р > 0,4; средним при р = 0,2...0,4 и темным при р < 0,2.
Контраст между некоторым объектом по сравнению с фоном k
характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта)
и фона.
Он определяется по формуле
k=
а
Коэффициент пульсации освещенности kE – это критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени
светового потока:
kE =
E max − E min
E
− E min
100 % = max
100 %,
2 E ср
E max + E min
(53)
где Еmin, Еmax и Еср – соответственно минимальное, максимальное
и среднее значения освещенности за период колебаний.
Различные источники света в зависимости от принципа действия
имеют различные значения коэффициентов пульсации освещенности. В частности, газоразрядные лампы имеют kE = 25...65 %, лампы
накаливания обыкновенные – kE = 7 %, лампы накаливания галогенные – kE = 1 %.
Показатель ослепленности Ро – критерий оценки слепящего
действия, создаваемого осветительной установкой.
Показатель ослепленности определяется по формуле
Pо = 1000
V1
,
V2
(54)
Рис. 69. Изображения с разной контрастностью
где V1 и V2 – видимость объекта различения соответственно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения.
Экранирование источников света может быть обеспечено путем
применения экранов, козырьков, щитков и других изделий.
Видимость объекта различения V характеризует способность
глаза различать объект в зависимости от его освещенности, размера,
яркости, контраста с фоном и длительности экспозиции.
126
127
б
в
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т. е. V = k/kпор, где kпор – пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении
которого объект становится неразличим на этом фоне.
В необходимых случаях общее освещение дополняется локальным для определенного рабочего места (например, при выполнении точных работ). Такие виды освещения называются комбинированными.
В качестве источников света в настоящее время применяются
лампы накаливания и газоразрядные лампы.
Благодаря высокой экономичности газоразрядные лампы, особенно после разработки малогабаритных конструкций, использующих стандартные патроны для ламп накаливания, нашли самое широкое применение во всем мире.
Для создания необходимых условий освещения производственных помещений и рабочих мест электрические лампы устанавливаются в светильники различных конструкций, которыми осуществляется необходимое распределение световых потоков в соответствии
с предъявляемыми требованиями.
В частности, обеспечивается равномерность освещенности, защита глаз операторов от слепящего света и т. д.
На рис. 72 приведен пример освещения складского помещения.
Электрические светильники расположены на достаточной высоте, что
обеспечивает равномерность освещения, отсутствие ослепления
и недоступность для случайного повреждения.
4.1.3.5. Виды производственного освещения
Для обеспечения необходимой освещенности производственных
помещений используется как естественное, так и искусственное освещение.
Для естественного освещения производственных помещений
применяются световые проемы в наружных стенах, зенитные фонари и другие конструкции, обеспечивающие поступление как бокового, так и верхнего освещения. На рис. 71 приведен пример зенитных
фонарей на крыше здания.
Рис. 71. Зенитные фонари на крыше здания
Искусственное освещение создается электрическими источниками света различных конструкций и параметров в соответствии
с действующими нормативными документами. В зависимости от условий работы применяется и совмещенное освещение.
Искусственное освещение имеет два вида: общее и комбинированное.
Общее освещение применяют в тех случаях, когда оно обеспечивает необходимые гигиенические и эргономические параметры для
выполняемых работ, например учебные аудитории.
128
Рис. 72. Освещение складского помещения
Еще одним недостатком светильников является то, что при преобразовании направления световой энергии часть световой энергии
129
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
теряется. Поэтому одним из основных параметров светильников является их коэффициент полезного действия св.
Он определяется по формуле
Освещение оказывает большое влияние на функциональное состояние человека: физическую и умственную работоспособность,
утомляемость, настроение. Оно также влияет на память, слуховой
аппарат и другие органы.
Для обеспечения соответствия параметров освещения физиологическим требованиям человека к естественному, искусственному
и совмещенному освещению жилых и общественных зданий предъявляются соответствующие гигиенические требования, которые утверждены в виде официального нормативного документа, обязательного для выполнения.
Таким документом предусмотрены отдельные требования применительно к самым разным случаям в виде общих и раздельных
требований к освещению жилых и общественных зданий.
В состав общих требований включаются такие, как разделение
искусственного освещения на рабочее и аварийное, общее и комбинированное, разрешенные для применения типы ламп, места освещения и др. Примеры требований к освещению жилых зданий представлены в табл. 9.
ηсв =
Φф
Φл
,
(55)
где Фф – световой поток светильника; Фл – световой поток лампы.
По распределению светового потока в пространстве различают
светильники прямого, преимущественно прямого, рассеянного, отраженного и преимущественно отраженного света.
На рис. 73 показаны примеры распределения светового потока
в пространстве.
130
1. Жилые комнаты,
гостиные, спальни
2. Жилые комнаты
общежитий
3. Кухни, кухнистоловые
4. Детские
5. Кабинеты,
библиотеки
Коэффициент пульсации
освещенности, К_п, %,
не более
Свет, воздействуя на зрительный анализатор человека, обеспечивает возможность визуально воспринимать окружающие предметы и происходящие с ними процессы, получая с его помощью около
90 % общей информации о происходящем в его окружении.
Зрительный анализатор обладает высокой чувствительностью:
например, человек видит свет стеариновой свечки на расстоянии более 10–12 км!
Показатель дискомфорта,
М, не более
4.1.3.6. Биологическое воздействие света
Освещенность рабочих
поверхностей, лк
Помещения
При боковом освещении
Рис. 73. Примеры распределения световых потоков
Искусственное
освещение
При верхнем или
комбинированном
освещении
Рассеянный свет
Совмещенное
освещение
КЕО е_н, %
При боковом освещении
Отраженный свет
Естественное
освещение
КЕО е_н, %
При верхнем или
комбинированном
освещении
Прямой свет
Рабочая поверхность и плоскость
нормирования КЕО и освещенности
(Г – горизонтальная,
В – вертикальная) и высота
плоскости над полом, м
Таблица 9
Гигиенические требования к освещению жилых зданий
Г-0.0
2,0
0,5
–
–
150*
–
–
Г-0.0
2,0
0,5
–
–
150
–
–
Г-0.0
2,0
0,5
1,2
0,3
150*
–
–
Г-0.0
Г-0.0
2,5
3,0
0,7
1,0
–
1,8
–
0,6
200*
300*
–
–
–
–
131
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Окончание табл. 9
велла);
распределение частиц по скоростям (распределение Макс-
132
133
При верхнем или
комбинированном
освещении
При боковом освещении
Освещенность рабочих
поверхностей, лк
Показатель дискомфорта,
М, не более
Коэффициент пульсации
освещенности, К_п, %,
не более
11. Тренажерный зал
12. Биллиардная
13. Ванные комнаты,
уборные, санузлы,
душевые
Искусственное
освещение
При боковом освещении
6. Внутриквартирные
коридоры, холлы
7. Кладовые,
подсобные
8. Гардеробные
9. Сауна, раздевалки
10. Бассейн
Совмещенное
освещение
КЕО е_н, %
При верхнем или
комбинированном
освещении
Помещения
Рабочая поверхность и плоскость
нормирования КЕО и освещенности
(Г – горизонтальная,
В – вертикальная) и высота
плоскости над полом, м
Физическая сущность температуры неизвестна до сих пор. Существует несколько теорий, описывающих закономерность состояния веществ в зависимости от их температуры:
распределение образующих систему частиц по уровням энергии (статистика Максвелла – Больцмана);
степень ионизации вещества (уравнение Саха);
спектральная плотность излучения (формула Планка);
полная объемная плотность излучения (закон Стефана – Больцмана) и др.
Величина температуры определяется по величинам характеризующих ее факторов, например плотности веществ, электрического
сопротивления, объема, интенсивности излучения и других.
Температура измеряется путем выбора соответствующих температурных шкал.
К наиболее известным температурным шкалам относятся три
следующие:
Абсолютная шкала Кельвина (K) предложена в 1848 году английским ученым У. Томсоном (лорд Кельвин).
Используется в термодинамике.
По этой шкале за нулевую точку (абсолютный нуль) берется температура, при которой молекулы вещества полностью перестают двигаться. Второй точкой является тройная точка воды – состояния, при
котором лед, вода и водяной пар находятся в равновесии.
Один Кельвин равен 1/273,15 расстояния между этими точками.
Шкала Цельсия была предложена шведским астрономом Андерсом Цельсием в 1742 году.
Используется в быту.
По этой шкале за 0° принимают точку замерзания воды, а за 100° –
точку кипения воды при атмосферном давлении.
Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно
хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют
через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный
ноль принимается за –273,15 °C.
Шкала Фаренгейта была предложена немецким ученым Габриэлем Фаренгейтом в 1709 году.
Используется в Великобритании и США.
В этой шкале на 100 градусов разделен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия – это 32 градуса
Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
Естественное
освещение
КЕО е_н, %
Г-0.0
–
–
–
–
50*
–
–
Г-0.0
–
–
–
–
30*
–
–
Г-0.0
Г-0.0
Г-0.0
Г – поверхность воды
Г-0.0
Г-0.0
Г-0.0
–
–
2,0
–
–
0,5
–
–
1,2
–
–
0,3
75*
100*
100*
–
–
60*
–
–
20*
–
–
–
–
–
–
1,2
–
–
0,3
–
–
150*
300*
50*
60*
440*
–
20*
20*
–
В таблице КЕО – коэффициент естественного освещения.
Требования к освещению общественных зданий содержат тот же
перечень параметров, но сами требования разнообразны в зависимости
от их назначения: школы, больницы, производственные помещения и др.
4.1.4. Температура
4.1.4.1. Общие сведения
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
В табл. 10 приведен пересчет температуры между основными
шкалами.
ного вещества (массовая влажность) или от ее объема (объемная
влажность).
Влажность характеризуется также влагосодержанием или абсолютной влажностью – отношением количества воды к единице массы сухой составляющей материала.
Относительная влажность характеризует содержание влаги по
сравнению с максимальным количеством влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия.
Она измеряется в процентах от максимума.
Относительная влажность воздуха – это отношение плотности
водяного пара, содержащегося в воздухе, к плотности насыщенного
пара при данной температуре, выраженное в процентах:
Пересчет температуры между основными шкалами
Кельвин
Кельвин (K)
Цельсий (°C)
Фаренгейт (°F)
=K
= K − 273,15
= K ⋅ 1,8 − 459,67
Цельсий
= С + 273,15
=C
= C ⋅ 1,8 + 32
Таблица 10
Фаренгейт
= (F + 459,67) /1,8
= (F − 32) /1,8
=F
4.1.4.2. Измерение температуры
Для измерения температуры используются первичные преобразователи – устройства, преобразующие температуру в другой физический параметр, подлежащий прямому измерению.
В настоящее время в промышленности применяют следующие
первичные преобразователи:
термометры расширения, в которых измеряется объем вещества;
манометрические термометры, которыми определяют давление газа;
термометры сопротивления, в которых измеряется электрическое сопротивление проводника;
термопары (термоэлектрические пирометры), принцип действия которых основан на свойстве двух разнородных проводников,
находящихся в контакте друг с другом, создавать термоэлектродвижущую силу (термо-э.д.с.) в результате контактной разности электрических потенциалов. Величина термо-э.д.с. зависит от температуры.
Кроме того, широкое применение нашли приборы бесконтактного измерения температуры – пирометры излучения.
Принцип их действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах
инфракрасного излучения и видимого света.
ϕ=
ρ
ρ нас
⋅ 100 % .
(56)
Сухость или влажность воздуха зависит от того, насколько близок его водяной пар к насыщению.
Если влажный воздух охлаждать, то находящийся в нем пар можно довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться.
Признаком того, что пар насытился, является появление первых капель сконденсировавшейся жидкости – росы.
Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы.
4.1.4.4. Измерение влажности воздуха
Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влаж-
Приборы, предназначенные для измерения влажности воздуха,
называются гигрометры.
По принципу действия гигрометры делятся на две группы:
1) гигрометры, непосредственно определяющие влажность: конденсационные гигрометры, психрометры, электролитические и сорбционные гигрометры;
2) гигрометры, измеряющие свойства тела, зависящие от влажности, например импедансные гигрометры.
Одним из наиболее распространенных гигрометров является
психрометр.
134
135
4.1.4.3. Влажность воздуха
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Он содержит два термометра, определенным образом продуваемых воздухом, влажность которого подлежит измерению.
Чувствительный узел одного из термометров (влажного) обернут материей, увлажняемой дистиллированной водой.
При испарении воды происходит охлаждение термометра до
равновесного значения температуры th, называемой «температурой
влажного термометра». Это происходит потому, что испаряются (отрываются от воды) молекулы, обладающие достаточно большой энергией, и, следовательно, большой температурой.
Другой термометр показывает фактическую температуру воздуха t, называемую «температурой сухого термометра».
Измерение температуры влажного термометра с помощью психрометра представляет собой экспериментальный способ определения теоретической величины, называемой «термодинамической температурой увлажненного термометра».
Сравнивая температуры влажного и сухого термометров, в зависимости от атмосферного давления определяют относительную
влажность воздуха по формуле
На рис. 74 представлен психрометр с электрообдувом.
В соответствии с принципом действия психрометра теплота,
необходимая для испарения воды из фитиля, должна отбираться из
воздуха, поэтому приборы снабжаются противорадиационным экраном, и в тепловом балансе должен преобладать конвективный теплообмен.
Для этого необходима минимальная скорость потока 2–4 м/с.
Измерение температуры сухого термометра и температуры влажного
термометра производится с помощью либо ртутных термометров
в механических психрометрах, либо с помощью платиновых термометров сопротивления (100 Ом при 0 °С), термопар или полупроводниковых термометров. Влажный термометр обернут хлопчатобумажной тканью.
p п = p н (t h ) − αAp (t − t h ),
(57)
где – коэффициент, зависящий от t и th и характеризующий психрометр, в случае идеального функционирования = 1;
A – психрометрическая постоянная; при t = +10 °С постоянная
A = 0,00064.
Приведенное выше соотношение позволяет на основе измерений t и th и при известном барометрическом давлении p определить
парциальное давление водяного пара pп и, следовательно, температуру точки росы td и относительную влажность .
Психрометры выполняются в виде различных конструкций.
Наиболее широко распространенными являются конструкции с механическим или электрическим обдувом.
Циркуляция воздуха в таких психрометрах осуществляется
с помощью вентилятора, приводимого в действие либо пружинной
механической системой (в простейших моделях), либо электродвигателем (в моделях с непрерывным поступлением воды).
136
Рис. 74. Электрический психрометр с обдувом конструкции фирмы Ultrakust:
1 – трубка обдува; 2 – металлическая гильза; 3 – сухой термометр; 4 – влажный термометр; 5 – двигатель вентилятора; 6 – вентилятор; 7 – резервуар
с дистиллированной водой; 8 – влажный фитиль
Поскольку вода поступает к влажному термометру непрерывно, необходимо, чтобы участок фитиля (примерно вдвое длиннее датчика температуры) контактировал с воздухом для сокращения поступления тепла вследствие теплопроводности со стороны резервуара
с водой. Точность психрометра зависит от его конструкции (противорадиационная защита, достаточная скорость течения воздуха и т. д.)
и от аккуратности проведения измерений.
При высокотемпературных измерениях периодически необходимо проверять градуировку. Чувствительность психрометра зависит только от чувствительности датчиков температуры.
Дифференциальная схема включения датчиков температуры
обеспечивает высокую чувствительность и точность даже вблизи на137
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
сыщения, т. е. в той области, где применение большинства датчиков
влажности ограничено. Перечисленные достоинства психрометров
как точных, простых и недорогих приборов позволили им найти самое широкое применение в разных областях исследований относительной влажности. В табл. 11 приведены оптимальные величины
показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений.
Физиологическими параметрами, наиболее оперативно реагирующими на воздействие нагрузок, являются частота сердечных сокращений, кардиоинтервалы, частота дыхания, сенсомоторные реакции на звук и свет, температура тела, артериальное давление и тремор. Измерение этих параметров производится достаточно просто
и оперативно.
Таблица 11
Оптимальные величины показателей микроклимата
на рабочих местах производственных помещений
Период
года
Холодный
Теплый
Категория раОтноситель- Скорость
Темпера- Температубот по уровню
ная влаждвижения
тура воз- ра поверхэнергозатрат,
ность возду- воздуха,
духа, °С ностей, °С
Вт
ха, %
м/с
Iа (до 139)
22–24
21–25
60–40
0,1
Iб (140–174)
21–23
20–24
60–40
0,1
IIа (175–232)
19–21
18–22
60–40
0,2
IIб (233–290)
17–19
16–20
60–40
0,2
III (более 290)
16–18
15–19
60–40
0,3
Iа (до 139)
23–25
22–26
60–40
0,1
Iб (140–174)
22–24
21–25
60–40
0,1
IIа (175–232)
20–22
19–23
60–40
0,2
IIб (233–290)
19–21
18–22
60–40
0,2
III (более 290)
18–20
17–21
60–40
0,3
4.2. Методы и приборы для измерения физиологических
параметров организма человека
4.2.1. Выбор физиологических параметров для исследований
Состав и содержание исследования физиологических параметров человека определяются условиями его труда, испытываемыми
нагрузками, организацией рабочего места и перечнем основных
и второстепенных воздействующих факторов.
В результате анализа условий труда (продолжительность рабочей смены, график рабочих смен и др.) производится ориентировочное определение характера испытываемых нагрузок по тяжести
и напряженности.
138
4.2.1.1. Частота сердечных сокращений
Частота сердечных сокращений может быть измерена с помощью самых разных приборов. К ним относятся электрокардиографы,
регистрирующие биопотенциалы сердечной мышцы, приборы для
измерения артериального давления, регистрирующие импульсы прохождения крови в артериях, плетизмографы, регистрирующие импульсы кровотока в пальцах, инфракрасные измерители пульсовой волны, основанные на измерении отражательной способности инфракрасного излучения при движении крови внутри капилляров кожи,
например мочки уха или пальца человека, контактные измерители
пульса и многие другие.
На рис. 75 показаны спортивные часы
с контактным измерением пульса фирмы
JUNSD (Китай).
Основные функции этих часов: таймер
и календарь, будильник и почасовой сигнал,
секундомер, счетчик упражнений и счетчик
калорий, измерение пульса.
Однако, несмотря на свою популярность, параметр частоты сердечных сокращений не отражает реальное состояние организма, так как он характеризует среднюю Рис. 75. Спортивные часы
частоту сердечных сокращений за одну ми- с контактным измерением
нуту, что в ряде случаев требует достаточно пульса фирмы JUNSD
длительного времени.
4.2.1.2. Кардиоинтервалы
Кардиоринтервалы, в отличие от частоты сердечных сокращений, характеризуют «мгновенную» скорость процессов, происходя139
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
щих в сердечной мышце. С их помощью определяются фактические,
а не усредненные процессы изменения работы сердечной мышцы.
Для измерения кардиоинтервалов фирмой «Нейролаб» была разработана специальная компьютерная программа для регистрации
и последующего анализа кардиоинтервалов, интерфейс которой изображен на рис. 76.
Частота дыхания зависит от физических и психологических нагрузок, возраста, пола, общего состояния организма и других причин.
Для измерения частоты дыхания можно применять такие приборы, как пневмограф – прибор для измерения и графического отображения частоты, амплитуды и формы дыхательных движений в течение определенного периода времени и спирограф – прибор для измерения и графического отображения динамических характеристик
дыхания.
Однако эти приборы, как правило, имеют многофункциональное
назначение, в основном необходимое для диагностики. Поэтому для
обеспечения оперативного получения информации о частоте дыхания
такие измерения обычно производятся вручную с помощью секундомера. При этом определяется количество вдохов (и выдохов) в минуту.
4.2.1.4. Сенсомоторные реакции на звук и свет
Рис. 76. Интерфейс компьютерной программы регистрации
кардиоинтервалов фирмы «Нейролаб»
4.2.1.3. Частота дыхания
Дыхание представляет собой физиологический процесс, в результате которого происходят получение из окружающей среды кислорода и отвод в окружающую среду в газообразном состоянии некоторой части продуктов жизнедеятельности организма (окись углерода, вода и другие).
В зависимости от интенсивности обмена веществ человек выделяет через легкие в среднем около 5–18 л углекислого газа и 50 г воды
в час, а кроме того, около 400 других примесей летучих соединений.
140
Сенсомоторные реакции на звук и свет представляют собой комплекс последовательностей реакций организма человека на раздражитель – свет или звук, конечным итогом которого является соответствующее движение, например нажатие на кнопку.
Измерение параметров времени простой сенсомоторной реакции позволяет определить быстроту и стабильность моторного сенсорного реагирования.
В качестве стимулов используются световые и звуковые стимулы
различной интенсивности (обычно это слабый и сильный сигналы).
Время реакции состоит из латентного и моторного периодов.
Латентный период – время между началом действия раздражителя и началом ответной реакции.
Моторный период – время выполнения ответного движения.
Время реакции фиксируется с помощью таймеров, включаемых
при включении сигналов и отключаемых нажатием соответствующей
кнопки пациентом.
4.2.1.5. Температура тела
Температура тела – комплексный показатель теплового состояния организма человека. Температура тела колеблется в течение суток ориентировочно в пределах от 35,5 до 37,4 °С.
141
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Измерение температуры производится максимальным термометром, регистрирующим максимальную температуру.
Для этого необходимо, чтобы исходное значение температуры,
показываемое термометром, было бы заведомо ниже температуры тела.
терии от механического датчика по воздухопроводам к слуховому
анализатору врача.
4.2.1.6. Артериальное давление
Артериальное давление – это кровяное давление, замеряемое
на артериях, величина которого является одним из показателей функционального состояния организма.
Функционирование сердца заключается в непрерывной последовательности циклов сокращения и расслабления, при которых в его
клетках происходят соответствующие биохимические реакции в соответствии с законами термодинамики биологических систем: при
сокращении происходит расход биохимических ингредиентов, его
обеспечивающих, при расслаблении происходят биохимические реакции их восстановления.
При сокращении сердце создает высокое кровяное давление,
максимальное значение которого получило название систолического.
При расслаблении сердца кровяное давление уменьшается. Его
минимальное давление получило название диастолическое.
В соответствии со сложившейся традицией артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба.
Для измерения артериального давления используется специализированный манометр, параметры которого соответствуют возможным значениям артериального давления, получивший название тонометр. На рис. 77 и 78 показаны схема измерения артериального
давления и автоматический тонометр с манжетой, надеваемой на запястье, фирмы Citizen соответственно.
Методика измерений артериального давления заключается
в следующем.
На плечо плотно одевается специальная, соединенная с тонометром, пневматическая манжета, куда подается сжатый воздух от
компрессора или ручного устройства до достижения такого давления, при котором в артерии руки прекращается кровоток. Прекращение кровотока фиксируется контактным датчиком, стетоскопом либо
фонендоскопом – устройством, передающим пульсацию крови в ар142
Артерия
Вена
Манжета
Тонометр
Фонендоскоп
Ручной насос
Рис. 77. Схема измерения артериального давления
При незначительном открывании клапана, соединенного с пневматической манжетой, воздух из манжеты начинает медленно выходить в атмосферу. При этом давление воздуха
в пневматической манжете начинает
уменьшаться и при этом уменьшаетРис. 78. Автоматический тонося степень сжатия артерии.
метр с манжетой, надеваемой
При достижении равенства давна запястье, фирмы Citizen
лений в пневматической манжете
и систолического давления крови последняя начинает проталкиваться внутри сосуда. При этом начинается пульсация артерии, которая
фиксируется датчиком. Далее, по мере уменьшения давления в манжете, артерия полностью раскрывается. При этом пульсация прекращается, что так же фиксируется датчиком.
143
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Таким образом, в процессе уменьшения давления воздуха в пневматической манжете с помощью датчика фиксируются и измеряются
с помощью тонометра два параметра: максимальное – систолическое
давление и минимальное – диастолическое давление.
Нормальным в спокойном состоянии считается давление
120/80 мм рт. ст., где 120 – систолическое давление, 80 – диастолическое.
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
U, мВ
5
0
50
200
f, Гц
4.2.1.7. Миография
Рис. 80. Амплитудно-частотная характеристика миограммы
Миография (или электромиография) – это метод, помогающий
исследовать биоэлектрическую активность мышц и нервов.
Информация, передаваемая с датчиков, устанавливаемых на соответствующие участки тела, на специальный прибор (электромиограф), позволяет определить функциональное состояние нервной системы в целом и состояние отдельных групп мышц.
Миография является единственным способом, который позволяет определить точное место повреждения того или иного нерва,
установить информацию о причине паралича, атрофии мышц или
повышенной нервной чувствительности.
Исследование миограмм проводится с помощью электромиографа или электроэнцефалографа, имеющего специальный вход для
регистрации ЭМГ. Эти приборы представляют собой усилители биопотенциалов, которые передают усиленные сигналы на соответствующие устройства индикации.
На рис. 79 показан общий вид миограммы бицепса, снятой с
помощью поверхностных биполярных электродов.
Электромиограмма – это случайный сигнал, для анализа которого необходимо статистическое исследование. Амплитуда колебаний потенциалов мышц в общем случае составляет несколько милливольт, а их спектр – 10–300 Гц (рис. 80).
Изменение уровня биопотенциалов мышц свидетельствует
о степени их утомления.
Генерация биопотенциалов мышц производится не только при
их сокращении, но и при воздействии на них внешних нагрузок, например вибрации. При этом изменяется не только их уровень, но
и спектральная характеристика. Причем по мере утомления мышц
изменяется и частотный спектр биопотенциалов, что может быть использовано при анализе происходящих в них процессов при внешнем воздействии.
На рис. 81 показан частотный спектр миограммы при воздействии вибрации частотой 100 Гц. Амплитудно-частотная характеристика миограммы значительно изменяется как в результате воздействия внешних нагрузок, так и в результате изменения биохимических реакций из-за утомления.
U, мВ
6
144
2
2
0
Рис. 79. Общий вид электромиограммы
1
50
100
200
Рис. 81. Частотный спектр миограммы бицепса
при воздействии вибрации частотой 100 Гц:
1 – в начале воздействия; 2 – при сильном утомлении
145
f, Гц
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Статистический анализ изменений амплитудно-частотной характеристики миограмм позволяет в ряде случаев определять основные
источники утомления человека в процессе труда.
1. Производятся предварительные исследования рабочего места, определяются его эргономические показатели и основные источники нагрузок.
2. Определяются методики, приборы и условия проведения
физиологических исследований.
3. Производятся пробные предварительные исследования для
определения адекватности измеряемых физиологических параметров
испытываемым нагрузкам.
4. Разрабатывается программа исследований, количество участников и их состав.
5. Производятся исследования в соответствии с программой.
6. Производится анализ результатов исследований.
7. Разрабатываются предложения по улучшению условий труда на исследуемом рабочем месте.
8. Разрабатывается действующий макет или опытный образец
нового рабочего места.
9. Производятся эргономические исследования нового рабочего места.
10. По результатам проведенных исследований принимается решение о его использовании в производстве.
4.2.1.8. Тремор
Тремор представляет собой быстрые, ритмические, с частотой
около 10 Гц, движения конечностей или туловища, вызванные мышечными сокращениями, отчего реализация движения и сохранение
позы происходят за счет постоянной подстройки движений к какомуто среднему значению. При утомлении и сильных эмоциях, а также
при патологии нервной системы тремор существенно усиливается.
В частности, патологический тремор (тремор покоя) наблюдается при болезни Паркинсона.
Поэтому тремор является одним из характерных признаков утомления.
Оценка тремора рук может
быть произведена письменным,
например путем рисования спирали, удерживания стакана
1
воды, либо аналогичными способами.
2
Часто для этих целей ис3
пользуется несложное устройство, изображенное на рис. 82.
Рис. 82. Устройство для измерения
При исследованиях пацитремора
ент должен провести тонкую
часть щупа 2 вдоль щели в пластине 1, не касаясь ее краев. Каждое
касание щупа о край щели фиксируется счетчиком 3. По количеству
касаний до и после соответствующей нагрузки определяется степень
утомления мышц.
4.3. Примерный порядок проведения эргономических
исследований
Типовые эргономические исследования рабочих мест могут производиться в следующем порядке.
146
4.4. Примеры проведения эргономических исследований
4.4.1. Исследования эргономических показателей
пневматических перфораторов
Пневматические перфораторы представляют собой переносные
машины массой от 15 до 32 кг, с помощью которых производится
бурение шпуров при буровзрывных работах: проходка тоннелей, строительство дорог, добыча каменных блоков и других.
На рис. 83 показан пример бурения шпура переносным пневматическим перфоратором фирмы «Атлас Копко».
Пневматические перфораторы при своей работе излучают значительный шум – до 117 дБА, и имеют высокий уровень вибрации
рукояток, что приводит к серьезным профессиональным заболеваниям бурильщиков.
147
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Кроме того, они обладают большой массой – до 35 кг, что требует от бурильщиков больших физических усилий при их переноске
и перестановке.
Многочисленные попытки конструкторов разработать эффективные
виброгасящие устройства к положительным результатам не привели.
Рис. 83. Бурение пневматическим перфоратором
фирмы «Атлас Копко»
В результате эргономических исследований перфораторов при
измерениях эргоемкостей различных параметров было установлено,
что максимальной эргоемкости соответствует эргономический показатель «усилие подачи», а не «вибрация рукояток». Оказалось, что
переносные пневматические перфораторы вообще не соответствуют
физиологическим возможностям человека, так как для производительной работы этим перфоратором необходимо усилие подачи 1000 Н,
а бурильщики могут обеспечить только 200 Н.
Таким образом, перед разработчиками переносных пневматических перфораторов была сформулирована новая задача: механизация усилия подачи переносных пневматических перфораторов при
сохранении их массы.
В результате в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (СПбГАСУ) была разработана новая конструкция переносного пневматического перфоратора, оснащенного подающим устройством.
148
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Общий вид перфоратора
с подающим устройством представлен на рис. 84.
Перфоратор 1 содержит по1
дающее устройство 2, которое посредством троса 3 упирается
в анкер 5, установленный в ранее
пробуренный шпур, в котором он
заклинивается.
2
В процессе бурения подающее устройство 2, приводимое
5
3
в движение при повороте буровой
4
штанги 4, натягивает трос 3, обеспечивая необходимое усилие подачи в направлении вниз.
При испытаниях было уста- Рис. 84. Перфоратор с подающим
новлено, что эргоемкость и уровустройством
ни вибрации перфоратора значительно уменьшились при значительном росте скорости бурения.
4.4.2. Исследования эргономических показателей
компьютерных рабочих мест
Компьютерные рабочие места в настоящее время являются наиболее распространенными в мире. Тем не менее их удобству уделяется недостаточное внимание. Поэтому в своем большинстве они вызывают повышенное утомление у пользователей.
На рис. 85 представлено одно из типовых компьютерных рабочих мест – С 224 БН фирмы Mebel-Today.
Эргономические исследования этого рабочего места показали,
что оно обладает рядом принципиальных недостатков, приводящих
к значительному росту эргоемкости: высокое расположение монитора и размещение клавиатуры на выдвижной полке, хотя хорошо известно, что наиболее физиологичное направление взора оператора
ПЭВМ должно быть под углом 60° к нижней части монитора, а расположение клавиатуры – вблизи нижней границы монитора.
149
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы эргономических...
Рис. 86. Компьютерное рабочее место
конструкции СПбГАСУ
Форма столешницы обеспечивает удобное положение правой
руки, управляющей мышью.
Рис. 85. Компьютерное рабочее место С 224 БН
фирмы Mebel-Today
В результате выполненных работ в СПбГАСУ была разработана
новая конструкция компьютерного рабочего места, эргоемкость которого снизилась до трех раз.
На рис. 86 представлен общий вид такого эргономичного компьютерного рабочего места.
Отличительными параметрами компьютерного стола являются
следующие:
столешница компьютерного стола имеет пониженную высоту – 670 мм вместо принятых 750 мм;
монитор установлен в максимально низком положении;
клавиатура находится на уровне, близком к нижней части
монитора.
150
151
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 5. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ И ЭРГОНОМИЧЕСКАЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ УСЛОВИЙ ТРУДА
5.1. Принципы гигиенического нормирования
как средства обеспечения безопасности труда
Гигиеническое нормирование осуществляется целым рядом нормативных документов – госстандартами, методическими указаниями, санитарными нормами и другими документами.
Действующими нормативными документами даются определения содержания гигиенического нормирования.
Гигиеническое нормирование – это установление пределов интенсивности и продолжительности воздействия на организм человека факторов окружающей среды.
Гигиенические нормы представляют собой гигиенические критерии оценки факторов рабочей среды, тяжести и напряженности
трудового процесса и гигиеническую классификацию условий труда
по показателям вредности и опасности.
Принципы гигиенического нормирования основаны на дифференциации гигиенических критериев – показателей, характеризующих степень отклонений каждого из параметров факторов рабочей
среды и трудового процесса от действующих гигиенических нормативов, – и анализе эффектов, оказываемых ими на организм человека.
Содержанием этого анализа является регистрация тех или иных
изменений в состоянии организма человека при воздействии различных как по уровню, так и по времени доз нагрузок.
Установление нормативов основывается на концепции пороговости воздействия.
Порог вредного действия – это тот минимальный уровень интенсивности и продолжительности воздействия на организм человека фактора окружающей среды, при воздействии которого в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических
и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология.
152
Глава 5. Гигиеническая и эргономическая классификация условий труда
Пороговое действие вызывает у организма человека реакцию –
функциональный сдвиг, который не может быть скомпенсирован за
счет гомеостатических механизмов (механизмов поддержания внутреннего равновесия организма).
Опасный фактор рабочей среды – фактор среды и трудового
процесса, который может быть причиной острого заболевания или
внезапного резкого ухудшения здоровья, смерти.
В зависимости от количественной характеристики и продолжительности действия отдельные вредные факторы рабочей среды могут стать опасными. Опасный фактор рабочей среды – фактор среды
и трудового процесса, который может быть причиной острого заболевания или внезапного резкого ухудшения здоровья, смерти.
Нормативными документами, исходя из степени отклонения
фактических уровней факторов рабочей среды и трудового процесса
от гигиенических нормативов, условия труда по степени вредности
и опасности условно подразделяются на четыре класса: оптимальные, допустимые, вредные и опасные.
Оптимальные условия труда (1-й класс) – условия, при которых
сохраняется здоровье работника и создаются предпосылки для поддержания высокого уровня работоспособности. Оптимальные нормативы факторов рабочей среды установлены для микроклиматических параметров и факторов трудовой нагрузки. Для других факторов
за оптимальные условно принимают такие условия труда, при которых вредные факторы отсутствуют либо не превышают уровни, принятые в качестве безопасных для населения.
Допустимые условия труда (2-й класс) характеризуются такими
уровнями факторов среды и трудового процесса, которые не превышают установленных гигиенических нормативов для рабочих мест,
а возможные изменения функционального состояния организма восстанавливаются во время регламентированного отдыха или к началу
следующей смены и не оказывают неблагоприятного действия в ближайшем и отдаленном периодах на состояние здоровья работников
и их потомство.
Допустимые условия труда условно относят к безопасным.
Вредные условия труда (3-й класс) характеризуются наличием
вредных факторов, уровни которых превышают гигиенические нормативы и оказывают неблагоприятное действие на организм работника и/или его потомство.
153
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Вредные условия труда по степени превышения гигиенических
нормативов и выраженности изменений в организме работников условно разделяют на четыре степени вредности:
Степень 1 3-го класса (3.1) – условия труда характеризуются
такими отклонениями уровней вредных факторов от гигиенических
нормативов, которые вызывают функциональные изменения, восстанавливающиеся, как правило, при более длительном (чем к началу
следующей смены) прерывании контакта с вредными факторами,
и увеличивают риск повреждения здоровья.
Степень 2 3-го класса (3.2) – уровни вредных факторов, вызывающие стойкие функциональные изменения, приводящие в большинстве случаев к увеличению профессионально обусловленной заболеваемости (что может проявляться повышением уровня заболеваемости с временной утратой трудоспособности и, в первую очередь, теми
болезнями, которые отражают состояние наиболее уязвимых для данных факторов органов и систем), появлению начальных признаков
или легких форм профессиональных заболеваний (без потери профессиональной трудоспособности), возникающих после продолжительной экспозиции (часто после 15 лет и более).
Степень 3 3-го класса (3.3) – условия труда, характеризующиеся такими уровнями факторов рабочей среды, воздействие которых
приводит к развитию, как правило, профессиональных болезней легкой и средней степеней тяжести (с потерей профессиональной трудоспособности) в период трудовой деятельности, росту хронической
(профессионально обусловленной) патологии.
Степень 4 3-го класса (3.4) – условия труда, при которых могут
возникать тяжелые формы профессиональных заболеваний (с потерей общей трудоспособности), отмечаются значительный рост числа
хронических заболеваний и высокие уровни заболеваемости с временной утратой трудоспособности.
Опасные (экстремальные) условия труда (4-й класс) характеризуются уровнями факторов рабочей среды, воздействие которых
в течение рабочей смены (или ее части) создает угрозу для жизни,
высокий риск развития острых профессиональных поражений, в том
числе и тяжелых форм.
В табл. 12 приведены примеры классификации условий труда
в зависимости от уровней шума, локальной и общей вибрации на рабочем месте.
154
Глава 5. Гигиеническая и эргономическая классификация условий труда
Таблица 12
Классы условий труда в зависимости от уровней шума, локальной
и общей вибрации на рабочем месте
Класс условий труда
Название фактора, показатель,
единица измерения
ДопусОпасВредный
тимый
ный
2
3.1
3.2
3.3
3.4
4
Превышение ПДУ до ___ дБ/раз
(включительно):
5
15
25
35
> 35
≤ ПДУ
<1>
≤ ПДУ 3/1,4 6/2 9/2,8 12/4 > 12/4
<2>
Шум, эквивалентный уровень
звука, дБА
Вибрация локальная, эквивалентный корректированный
уровень (значение) виброскорости, виброускорения (дБ/раз)
Вибрация общая, эквивалент≤ ПДУ 6/2 12/4 18/6 24/8 > 24/8
ный корректированный уровень
<2>
виброскорости, виброускорения
(дБ/раз)
<1> В соответствии с санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562–96 «Шум на
рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».
<2> В соответствии с санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.566–96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных
зданий».
Как видно из данных этой таблицы, условия труда в зависимости от уровней шума, локальной и общей вибрации на рабочем месте
классифицируются в условных единицах, без учета других факторов,
например температуры воздуха, оказывающих в определенных случаях потенцирующее влияние на воздействие вибрации.
Классы условий труда по показателям тяжести трудового процесса приведены в табл. 13. Оценка труда человека по величине внешней механической работы, без учета характера, габаритов и других
параметров груза, весьма условна.
В табл. 14 приведены классы условий труда по показателям напряженности трудового процесса. Критерии классификации труда по
напряженности трудового процесса носят весьма условный характер.
155
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Таблица 13
Классы условий труда по показателям тяжести трудового процесса
Класс условий труда
Оптимальный
Допустимый
Вредный тяжелый труд
(легкая
(средняя
физическая
физическая
1-й степени
2-й степени
нагрузка)
нагрузка)
1
2
3.1
3.2
Физическая динамическая нагрузка
(единицы внешней механической работы за смену, кг ⋅ м)
1.1. При региональной нагрузке (с преимущественным участием мышц рук и плечевого
пояса) при перемещении груза на расстояние до 1 м:
для мужчин
До 2500
До 5000
До 7000
> 7000
для женщин
До 1500
До 3000
До 4000
> 4000
При общей нагрузке (с участием мышц рук, корпуса, ног):
1.2.1. При перемещении груза на расстояние от 1 до 5 м:
для мужчин
До 12500
До 25 000
До 35 000
Более 35 000
для женщин
До 7500
До 15 000
До 25 000
Более 25 000
Показатель
тяжести
трудового
процесса
Конечным результатом гигиенической оценки является определение вредности и опасности труда, которое производится по результатам классификации исследованных показателей по следующим
правилам.
Условия труда на рабочем месте отвечают гигиеническим требованиям и относятся к 1-му или 2-му классу, если фактические значения уровней вредных факторов находятся в пределах оптимальных
или допустимых величин соответственно.
Если уровень хотя бы одного фактора превышает допустимую
величину, то условия труда на таком рабочем месте, в зависимости от
величины превышения и в соответствии с указанным выше Руководством, как по отдельному фактору, так и при их сочетании могут быть
отнесены к степеням 1–4 3-го класса вредных или 4-му классу опасных условий труда.
Для установления класса условий труда превышения ПДК, ПДУ
могут быть зарегистрированы в течение одной смены, если она типична для данного технологического процесса. При нетипичном или
эпизодическом (в течение недели, месяца) воздействии оценку условий труда проводят по эквивалентной экспозиции и/или максимальному уровню фактора, а в сложных случаях – по согласованию с тер156
Глава 5. Гигиеническая и эргономическая классификация условий труда
Таблица 14
Классы условий труда по показателям напряженности трудового
процесса
Класс условий труда
Допустимый
Вредный
Показатель
Напряженность
напряженности
труда средней
Напряженный труд
трудового
степени
процесса
1-й степени
2-й степени
1
2
3.1
3.2
1. Интеллектуальные нагрузки
1.1. Содержание
Отсутствует
Решение простых Решение сложных Эвристическая
(творческая) деяработы
необходимость задач по инструк- задач с выбором
тельность, трепринятия реции
по известным алшения
горитмам (работа бующая решения
алгоритма, единопо серии инстличное руководрукций)
ство в сложных
ситуациях
Восприятие сигна- Восприятие сигнаВосприятие сигВосприятие
1.2. Восприятие
лов с последуюлов с последуюсигналов, но не налов с послесигналов (инщим сопоставлени- щей комплексной
требуется кор- дующей коррекформации и их
оценкой связанных
ем фактических
цией действий
рекция дейстоценка)
значений парамет- параметров
и операций
вий
ров с их номинальными значениями
2. Сенсорные нагрузки
2.1. Длительность
До 25
26–50
51–75
Более 75
сосредоточенного
наблюдения (%
времени смены)
До 75
76–175
176–300
Более 300
2.2. Плотность
сигналов (световых, звуковых)
и сообщений
в среднем за 1 ч
работы
3. Эмоциональные нагрузки
Несет ответст- Несет ответствен- Несет ответствен- Несет ответствен3.1. Степень отность за функцио- ность за функциоветственности за венность за вы- ность за функциональное каче- нальное качество
полнение отнальное качество
результат собстосновной работы
ство вспомогадельных элепродукции, рабовенной деятель(задания).
тельных работ
ментов задаты, задания. Влености. ЗначиВлечет за собой
(заданий).
ний.
чет за собой помость ошибки
исправления за
Влечет за собой Влечет за собой
вреждение оборусчет дополнитель- дования, остановку
дополнительные
дополнительусилия со сторо- ных усилий всего технологического
ные усилия в
ны вышестоящего коллектива (груп- процесса, и может
работе со стороны работника руководства (бри- пы, бригады и т. п.) возникнуть опасгадира, мастера
ность для жизни
и т. п.)
Оптимальный
Напряженность
труда легкой
степени
157
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 5. Гигиеническая и эргономическая классификация условий труда
риториальными управлениями Федеральной службы по надзору
в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.
Оценка условий труда с учетом комбинированного действия
факторов проводится на основании результатов измерений отдельных факторов, в которых учтены эффекты суммации при комбинированном действии химических веществ, биологических факторов, различных частотных диапазонов электромагнитных излучений.
Общую оценку устанавливают:
по наиболее высокому классу и степени вредности;
в случае совместного действия трех и более факторов, относящихся к классу 3.1, общая оценка условий труда соответствует классу 3.2;
при сочетании двух и более факторов классов 3.2, 3.3, 3.4
условия труда оцениваются соответственно на одну степень выше.
В результате заполняется итоговая таблица по оценке условий
труда работника по степени вредности и опасности, в которую вносятся данные по вредности и опасности каждого фактора и итоговая
оценка.
Как видно из приведенных материалов, оценка воздействия источников нагрузок производится посредством условных единиц –
классов, не имеющих метрологического обоснования.
Причем применение самих принципов гигиенического нормирования, основанных на дифференциации гигиенических критериев,
также ничем не обосновано, так как рабочие места всегда характеризуются большим комплексом разнообразных параметров (например,
рабочая поза, освещение, монотонность труда и многие другие), воздействующих одновременно и часто характеризующихся потенцирующим воздействием на организм человека.
Определение условий труда по показателям напряженности трудового процесса практически не содержит каких-либо реальных критериев для их количественной оценки.
В соответствии с ГОСТ 112.2.049–80, входящим в систему стандартов безопасности труда, раздел общих эргономических требований, эргономические требования к промышленному оборудованию
должны устанавливать его соответствие антропометрическим, физиологическим, психофизиологическим и психологическим свойствам
человека и обусловленным этими свойствами гигиеническим требованиям для сохранения здоровья человека и достижения высокой
эффективности труда.
В процессе проведения анализа была рассмотрена большая группа стандартов, входящих в эту систему: ГОСТ 12.2.032–78 «Система
стандартов безопасности труда. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования»; ГОСТ 12.2.033–78
«Система стандартов безопасности труда. Рабочее место при выполнении работ стоя. Общие эргономические требования»; ГОСТ
12.2.130–91 «Система стандартов безопасности труда. Экскаваторы
одноковшовые. Общие требования безопасности и эргономики к рабочему месту машиниста и методы их контроля».
Как показал проведенный анализ, системой стандартов эргономических требований и эргономического обеспечения (входящих
в состав системы стандартов безопасности труда и стандарты ИСО)
фактически в основном определяются требования к организации рабочих мест, геометрическим параметрам пультов управления, видеоконтрольных устройств и других устройств. Например, в ГОСТ
22269–76 «Система “человек–машина”. Рабочее место оператора. Взаимное расположение элементов рабочего места» в п. 2.1 изложены
следующие требования к размещению органов управления:
органы управления должны располагаться в зоне досягаемости моторного поля;
наиболее важные и часто используемые органы управления
должны быть расположены в зоне легкой досягаемости моторного поля;
органы управления, связанные с определенной последовательностью действий оператора, должны группироваться таким образом, чтобы действия оператора осуществлялись слева направо
и сверху вниз;
расположение функционально идентичных органов управления должно быть единообразным на всех панелях рабочего места;
расположение органов управления должно обеспечить равномерность нагрузки обеих рук и ног человека-оператора.
ГОСТ 23000–78 «Система “человек–машина”. Пульты управления. Общие эргономические требования», п. 1.5 регламентированы
158
159
5.2. Системы стандартов эргономических требований
и эргономического обеспечения
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 5. Гигиеническая и эргономическая классификация условий труда
геометрические размеры пультов управления для работы в положении сидя также в виде общих рекомендаций.
ГОСТ 21752–76 «Система “человек–машина”. Маховики управления и штурвалы. Общие эргономические требования» регламентированы основные размеры маховиков управления и штурвалов, как
это представлено в табл. 15.
Следует указать, что аналогичные по характеру требования предусматривают и некоторые стандарты ССБТ.
довых процессов, в них отсутствуют требования и методы количественной оценки соответствия машин и промышленного оборудования антропометрическим, физиологическим, психофизиологическим и психологическим свойствам человека, как это предусмотрено ГОСТ 112.2.049–80.
Таблица 15
Основные размеры маховиков и штурвалов
Размеры, мм
Обод
Способ
вращения
Двумя руками за обод
Одной рукой за обод
Кистью за
рукоятку
Пальцами за
рукоятку
Диаметр
наибольший
Поперечное
сечение
ПреОпПредел. Оптим.
дел.
тим.
140–1000 350–400* 10–40 25–30
Рукоятка
Диаметр
Поперечное
наибольший
сечение
ПреОпПреОпдел.
тим.
дел.
тим.
–
–
–
–
50–140
75–80
10–25
15–20
–
–
150–400
250–300
–
–
75–150 100–120 15–35
25–30
50–200
75–100
–
–
30–75
15–18
40–50
–
10–20
–
* Для штурманов даются только оптимальные размеры, вместо диаметра – расстояние между рукоятками.
Например, ГОСТ 12.2.120–88 «Кабины и рабочие места операторов тракторов, самоходных строительно-дорожных машин, одноосных тягачей, карьерных самосвалов и самоходных сельскохозяйственных машин. Общие требования безопасности» устанавливает
требования к размерам минимального пространства, системам доступа на рабочее место оператора, расположению органов управления, условиям труда оператора и защитным свойствам кабины.
Таким образом, существующая система стандартов, регламентирующих эргономические требования, содержит лишь общие требования по организации рабочих мест, формы и геометрических
размеров тех или иных изделий без учета реальных условий тру160
161
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. ДИЗАЙН
6.1. Природа дизайна
Глава 6. Дизайн
Например, производители одной и той же марки автомобилей
оснащают их самыми разными комплектациями, различными отделками и цветами салонов и самих автомобилей в зависимости от назначения и предполагаемых владельцев.
6.2. Эмоции человека
Потребность человека к красоте естественна. Это явление связано с термодинамическими принципами его жизнедеятельности –
стремлением обеспечить максимальную устойчивость своего неравновесного термодинамического состояния. Определенные сочетания
формы, цвета и назначения предметов в тех случаях, когда они вызывают у человека положительные эмоции, человек воспринимает как
красивые. В других случаях он их воспринимает как некрасивые.
Степень и характер восприятия одних и тех же предметов сугубо индивидуальны и могут меняться со временем в результате внешних воздействий, например под влиянием общественного мнения,
сравнения с другими аналогичными предметами, в результате чего
наступает разочарование, и т. д., а также в результате фенотипической адаптации.
Поэтому предметы, которые человек создает, должны отвечать
определенным критериям по размерам, пропорциям и цвету, соотносящимся с его восприятием законов природы и окружающей среды,
безусловно, включая и человеческое общество, оказывая на человека
определенное, иногда достаточно сильное, психологическое воздействие, создавая положительные эмоции, которые выражаются в соответствующих биохимических реакциях.
Зрительное эмоциональное восприятие человеком тех или иных
форм и цвета изделий находится в непосредственной зависимости от
очень многих факторов, как от собственно человека: интеллект, культурный уровень, характер, фенотипическая адаптация и др., так и от
изделий: назначение, технические параметры, стоимость, изготовитель и др.
Поэтому разработчики изделий стремятся выпускать максимально разнообразную продукцию по своему художественному исполнению, чтобы удовлетворить максимальное число покупателей, обеспечить максимальный сбыт своей продукции и получение максимальной прибыли.
Эмоция – это психологическая реакция человека на получаемую
информацию, выражающаяся в соответствующих биохимических
реакциях, направленных на поддержание устойчивости своего неравновесного термодинамического состояния.
В зависимости от вида получаемой информации – благоприятной либо неблагоприятной – в результате биохимических реакций
происходят соответствующие функциональные сдвиги различной
эргоемкости, повышающие либо понижающие степень термодинамической устойчивости.
Например, неожиданный вызов в полицию или налоговую инспекцию всегда сопровождается биохимическими реакциями, направленными на повышение термодинамической устойчивости, так как
при общении с работниками полиции, возможно, придется находиться в состоянии высокой сосредоточенности.
С другой стороны, приглашение в гости сопровождается биохимическими реакциями, направленными к ее снижению – там можно
будет расслабиться.
Форма и цвет изделия, в зависимости от своего назначения, должны вызывать у человека, контактирующего с ними, соответствующие эмоциональные реакции. Производители и работники торговли
всегда стараются вызвать у человека сильные положительные
эмоции.
Поэтому при приобретении дешевой машины эти эмоции усиливаются яркой окраской, в то время как при приобретении дорогой
и солидной машины яркая окраска вызовет скорее отрицательные
эмоции.
Эмоции никогда не продолжаются бесконечно долго.
Благодаря фенотипической адаптации эмоциональные реакции
человека могут не только уменьшиться, но и изменить свой знак: из
положительных стать отрицательными и наоборот.
162
163
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. Дизайн
Это связано с тем, что на человека одновременно воздействует
множество различных источников информации, каждый из которых
имеет свои особенности воздействия, в частности, общественное
мнение, мода, традиции, религиозные условности и т. д.
А поскольку по законам неравновесной термодинамики как собственно человек, так и внешняя среда непрерывно изменяются, то
отношение к этим источникам информации также меняется: изменяется положение человека в обществе, изменяется мода, жизненные
стандарты и т. д.
Например, при строительстве Эйфелевой башни в Париже огромная часть общества относилась к этому как попытке изуродовать
Париж (рис. 87). Однако со временем это сооружение было признано
одним из шедевров, украшающих Париж, стало его символом.
ные средства и способы. Однако их выбор ограничен параметрами,
свойствами и назначением предмета их творчества.
Современный дизайн может быть классифицирован по схеме,
отражающей основные направления дизайна (рис. 88).
Промышленный
дизайн
(индустриальный
дизайн)
Дизайн одежды,
обуви и пр.
Дизайн мебели
Дизайн посуды
Дизайн бытовых
приборов и пр.
Графический
дизайн
Полиграфический
дизайн
Книжный
дизайн
Дизайн
рекламы
(наружная)
Визаж
(искусство)
Машиностроительный дизайн
Станкостроительный дизайн
Дизайн
вооружения
Архитектурный
дизайн
Ландшафтный
дизайн
Промышленный дизайн
Световой дизайн
Дизайн
Выставочных
работ
Арт-дизайн
Компьютерный
дизайн
Веб-дизайн
Звуковой
дизайн
Футуродизайн
Рис. 87. Эйфелева башня в Париже
6.3. Классификация дизайна
Дизайн городской
среды
Фитодизайн
Дизайн средств
связи
Транспортный
дизайн
Дизайн среды,
системы
навигации
и ориентирования
Экодизайн
Дизайн игр
и ПО
Информационный
дизайн
Дизайн игр
Предметно-пространственная среда человека необъятна, поэтому объектами дизайна могут служить любые окружающие его вещи.
Для реализации своих замыслов дизайнеры используют самые раз-
Рис. 88. Классификация дизайна
164
165
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. Дизайн
Практически любой вид деятельности человека является сферой интересов дизайнеров.
Одним из основных видов дизайна является промышленный
дизайн. Объектом промышленного дизайна является художественнотехническое проектирование внешних, структурных и функциональных особенностей промышленных изделий, механизмов, комплексов
и систем.
Промышленный дизайн включает в себя создание, разработку
и проектирование обширнейшего круга объектов – от предметов повседневного обихода человека (посуды, бытовых приборов, мебели,
одежды, обуви, различных аксессуаров и других изделий) до высокотехнологичных изделий (промышленного оборудования, транспортных средств, оружия и пр.).
Ведущими областями промышленного дизайна являются транспортный дизайн, дизайн одежды и обуви, а также дизайн средств связи.
Моделирование, проектирование и конструирование одежды
и обуви, а также различных аксессуаров служит отражением мировоззрения каждого человека, его образа и культурного уровня жизни.
В данных областях дизайна каждый отдельно взятый человек
в значительной степени может повлиять на свой внешний вид.
Дизайн мебели, посуды и различных бытовых приборов также
является популярным видом дизайна. Это связано с желанием отдельно взятого человека иметь индивидуальный интерьер окружающей
его среды.
Проектирование ТС является одной из областей дизайна, в которой преобладает возможность соединения научного и инженернотехнического творчества с повышенной функциональностью, коммерческим обслуживанием населения, непосредственно связанной с проблемами безопасности.
Последнее обязывает дизайнеров работать в области жесточайших требований различных нормативных документов, технических
параметров и конкуренции.
Транспортный дизайн является наиболее массовым видом, который привел к кардинальным переменам в человеческой психике,
вследствие чего произошло изменение и многих других видов дизайна.
Этот вид дизайна включает в себя два подвида:
самостоятельно движущиеся транспортные средства (наземные, воздушные, водные и пр.);
единые транспортные системы и механизмы, состоящие
из мобильных и неподвижных элементов (транспортеры, лифтовые
и эскалаторные механизмы и пр.).
В этих видах дизайна должна особенно учитываться психологическая безопасность, предотвращающая высокую вероятность проявления человеческого фактора.
Дизайн транспортной среды человека является практически
единственной отраслью деятельности человека, непосредственно связанной с массовой безопасностью жизни населения. Здесь цветовое
решение всех объектов дороги играет решающее значение при их
восприятии человеком.
В частности, в сфере организации безопасности дорожного движения широко применяется белый цвет, который в одном случае может использоваться для нейтрализации существующего контраста,
и его располагают между двумя агрессивными тонами, или при оформлении поверхности дорожного знака для привлечения внимания
участников дорожного движения.
В другом случае он может использоваться при выделении более
важных цветов.
В дорожной разметке также широко используются белые направляющие линии на темно-сером или другом темном фоне дороги, которые предупреждают нарушения водителем правил движения автотранспорта, так как они лучшим образом привлекают внимание водителя. На рис. 89 и 90 представлены некоторые образцы дорожных
знаков.
166
167
6.4. Цвет в дизайне транспортной среды
Рис. 89. Знаки 2.1 «Главная дорога», 3.19 «Разворот запрещен»,
1.22 «Пешеходный переход»
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. Дизайн
Таблица 16
Основные смысловые значения и область применения цветов
при дизайне среды, систем навигации и ориентирования
Цвет
сигнала
Рис. 90. Информационные таблички в вагонах метрополитена,
служащие для предупреждения населения
Из представленных рисунков видно, что красный цвет является
доминирующим в данной среде, в сочетании с белым он применяется для предупреждения или запрещения каких-либо действий.
В табл. 16 приведены основные смысловые значения и область
применения цветов, используемых в среде обитания человека и при
дизайне среды, систем навигации и ориентирования.
Как видно из представленной таблицы, различные цвета оказывают влияние не только на общее восприятие человеком предметов,
но и на восприятие окружающей среды, к которой относятся представленные краски.
Если в дизайне одежды и обуви красный цвет олицетворяет силу,
желание, приподнимает настроение, то в дизайне среды, систем навигации и ориентирования он служит символом опасности, требует
от человека обращения внимания с последующей возможностью возникновения опасной для его жизни ситуации.
Поэтому выбор правильного цветового решения любого дизайнерского проекта является одной из важнейших проблем, ставящихся перед инженерами-проектировщиками и дизайнерами различных сфер.
Красный
Область
применения
Запрещение действия
или поведения, связанного с повышенной
опасностью
Опасная или аварийная ситуация
Сообщение об аварийном состоянии технологического процесса
Пожарная техника,
средства и элементы противопожарной безопасности
и защиты
Обозначение месторасположения пожарной
техники, средств и элементов противопожарной безопасности и защиты
Обозначение возникновения опасности
Возможная опасность
Желтый
Зеленый
Синий
168
Смысловое
значение
Непосредственная
опасность
Предупреждение о возможной опасности
Безопасные условия
Сообщение о нормальном состоянии протекания технологического
процесса
Спасение, помощь
Обозначение аптечек,
путей эвакуации, пунктов оказания первой медицинской помощи
Предписание для
избежания какойлибо опасности
Требование действий,
обязательных к выполнению для обеспечения
безопасности
Указание
Разрешение каких-либо
действий
169
Контрастный цвет
Белый
Черный
Белый
Белый
Пример
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. Дизайн
6.5. Форма в дизайне транспортной среды
Окончание табл. 17
В транспортной отрасли, а именно в дизайне среды, системы
и средств ориентирования важнейшую роль играют разнообразные
материальные знаки, представляющие собой различные геометрические фигуры определенной формы и размеров.
В частности, дорожные знаки должны устанавливаться на всех
без исключения автомобильных дорогах и городских улицах для обеспечения безопасности дорожного движения как водителей автотранспортных средств, так и пешеходов.
В зависимости от назначения дорожные знаки имеют определенную форму и цветовое оформление. Примеры таких знаков представлены в табл. 17. Отличительными особенностями знаков служат
их форма, цвет фона и кайма. Независимо от группы знаков, все они
должны быть покрыты светоотражающими красками и материалами, которые способствуют их видимости в темное время суток. Они
всегда должны быть видны на достаточно большом расстоянии. Причем дорожные знаки включают в себя общепонятные символы и цифры, которые в свою очередь также оказывают особенное психологическое влияние на человека.
Форма и цветовое оформление дорожных знаков
Группа знаков
Форма знака
Цвет
Предупреждающие
Геометрическая,
треугольник
Желтый,
черный,
красный
Запрещающие
Геометрическая,
круг
Белый,
красный,
черный
Геометрическая,
Предписывающие
круг
Синий,
белый
Геометрическая,
квадрат или
прямоугольник
Синий,
белый
Знаки особых
предписаний
170
Значение
Предупреждает
о возможной опасности, необходимой
осторожности; привлечение внимания
Запрещение какоголибо опасного поведения или действия
Для избежания опасной ситуации предписывают определенные обязательные
действия
Обязательные к выполнению действия
для обеспечения
безопасности
Таблица 17
Пример
Группа знаков
Форма знака
Цвет
Информационные
знаки
Геометрическая,
квадрат или
прямоугольник
Синий,
белый
Эвакуационные
знаки
Геометрическая,
квадрат или
прямоугольник
Зеленый,
белый
Значение
Разрешают, указывают или информируют о каких-либо
действиях или объектах
Обозначают направления движения людей при эвакуации
в случае спасения
своей жизни, оказания первой помощи в
различных ситуациях
Пример
6.6. Дизайн легковых автомобилей
Требования к дизайну автомобилей являются субъективными.
Однако, поскольку автомобили являются продукцией крупносерийного производства, у каждого человека имеется возможность
выбора из многообразия автомобильной продукции, выпускаемой
производителями, в частности, цвета кузова, кресел и других элементов салона.
При выборе автомобиля по дизайну человек руководствуется
различными критериями: размерами, формой, цветом и общественным мнением. С учетом этого фирмы-производители в свою очередь
выпускают автомобили с учетом пола, возраста и социального положения потенциальных покупателей.
Особенностью дизайна автомобилей является еще и то, что каждая фирма-производитель путем характерных отличий стремится при
всей близости технических характеристик придать своим автомобилям определенный внешний вид.
Основным отличительным признаком отношения автомобиля
к той или иной фирме является решетка радиатора и некоторые элементы около нее. На рис. 91 показаны решетки фирмы «МерседесБенц», на рис. 92 – решетки фирмы БМВ, а на рис. 93 – фирмы
«Вольво».
171
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. Дизайн
Кроме того, фирмы-производители стремятся создать своей продукции максимально привлекательный вид, в чем можно убедиться
из рис. 94–96.
Рис. 94. Современный автомобиль класса люкс «Линкольн»
Рис. 91. Решетки радиатора автомобилей фирмы «Мерседес-Бенц»
Рис. 95. Спортивный автомобиль фирмы «Ауди»
Рис. 92. Решетки радиатора автомобилей фирмы БМВ
Рис. 93. Решетка радиатора автомобиля фирмы «Вольво»
Рис. 96. Спортивный автомобиль «Порше»
172
173
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. Дизайн
Из рис. 98 и 99 видно, что для повышения привлекательности
своей продукции фирма UZ-Daewoo предлагает своим небогатым
покупателям автомобили ярких цветов, в то время для солидных
автомобилей фирмы Kia лучше подходят соответствующие более
спокойные цвета.
6.7. Дизайн строительных машин
Рис. 97. Агрессивный концепткар «Пежо»
На рис. 98 показана фотография недорого автомобиля «Матиз»
фирмы UZ-Daewoo и перечень цветов, в которые окрашиваются его
кузова.
При конструировании строительных машин основное внимание
уделяется их техническим и эргономическим характеристикам. Поэтому дизайн строительных машин имеет весьма условный характер, о чем можно убедиться из рис. 100–102.
Рис. 98. Автомобиль «Матиз» фирмы UZ-Daewoo
и предлагаемая гамма цветов
На рис. 99 показан сравнительно дорогой автомобиль Quoris
фирмы Kia.
Рис. 100. Фронтальный погрузчик CDM 860
Рис. 99. Автомобиль Quoris фирмы Kia
и предлагаемая гамма цветов
Рис. 101. Колесный экскаватор TVEX 140W
174
175
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Глава 6. Дизайн
Рис. 104. Ручные машины компании Bosch
Рис. 102. Асфальтоукладчик фирмы «Вольво»
6.8. Дизайн ручных машин
Параметры ручных машин должны исключительно жестко
соответствовать предъявляемым им требованиям по массе, габаритам,
мощности, безопасности и многим другим требованиям. По этим
причинам максимальное внимание конструкторов сосредоточенно
именно на этих требованиях. Поэтому по своей форме ручные машины
разных производителей очень близки.
На рис. 103 показано типовое конструкторское решение ручной
машины. На долю дизайна остается лишь характерное цветовое
оформление этих машин. На рис. 104 показано типовое цветное
оформление ручных машин фирмы «Bosch», а на рис. 105 – компании
Kress.
Рис. 105. Ручные машины компании Kress
Рис. 103. Пневматическая шлифовальная
машина
176
177
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Понятия об эргономике и дизайне ................................................... 5
1.1. Краткие сведения об эргономике ...................................................... 5
1.2. Краткие сведения о дизайне .............................................................. 7
Глава 2. Основные законы термодинамики ................................................ 10
2.1. О становлении термодинамики как науки ..................................... 10
2.2. Основные термины и положения термодинамики ........................ 11
2.3. Общие сведения о равновесной термодинамике ........................... 13
2.3.1. Первое начало термодинамики ................................................ 13
2.3.2. Второе начало термодинамики ................................................ 14
2.3.3. Третье начало термодинамики ................................................. 17
2.4. Общие сведения о неравновесной термодинамике ....................... 18
2.5. Пассивные и активные термодинамические системы................... 22
Глава 3. Основные положения термодинамики биологических систем.... 25
3.1. Общие сведения о физиологии функционирования клетки ......... 25
3.2. Общие сведения о фотосинтезе и хемосинтезе ............................. 30
3.2.1. Фотосинтез ................................................................................ 30
3.2.2. Хемосинтез ................................................................................ 34
3.3. Первый закон термодинамики биологических систем
(«Всеобщий закон биологии» Э. С. Бауэра) .......................................... 35
3.4. Биологические ритмы как способ существования живой
материи .................................................................................................... 37
3.4.1. Историческая справка ............................................................... 37
3.4.2. Природа биоритмов. Второй закон термодинамики
биологических систем ........................................................................ 39
3.4.3. Собственная и принудительная частота биоритмов ............... 47
3.5. Теоретические основы адаптации .................................................. 49
3.5.1. Общие сведения об адаптации ................................................. 49
3.5.2. Сущность процессов фенотипической адаптации.................. 52
3.5.3. Принципы работы механизма фенотипической адаптации ... 54
3.6. Основные закономерности реакций на нагрузки .......................... 57
3.6.1. Закон действующих масс .......................................................... 57
3.6.2. Реакции на одиночную нагрузку.............................................. 59
3.6.3. Реакции организма на периодическую нагрузку .................... 64
3.7. Основные закономерности фенотипической адаптации ............... 66
3.7.1. Оперативная фенотипическая адаптация ................................ 66
3.7.2. Устойчивая фенотипическая адаптация .................................. 66
3.8. Фенотипическая адаптация и окружающая среда ......................... 72
3.8.1. Основные закономерности изменений параметров
окружающей среды ............................................................................. 72
3.8.2. Внешняя среда и жизнедеятельность живых организмов ..... 74
178
Глава 4. Эргономические показатели. Принципы и методы
эргономических исследований ....................................................................... 78
4.1. Методы и приборы для измерения эргономических
показателей машин, рабочих мест и окружающей среды.................... 79
4.1.1. Акустический шум .................................................................... 79
4.1.2. Вибрация .................................................................................... 93
4.1.3. Освещение ............................................................................... 114
4.1.4. Температура ............................................................................. 132
4.2. Методы и приборы для измерения физиологических
параметров организма человека .......................................................... 138
4.2.1. Выбор физиологических параметров для исследований ..... 138
4.3. Примерный порядок проведения эргономических
исследований ......................................................................................... 146
4.4. Примеры проведения эргономических исследований ................ 147
4.4.1. Исследования эргономических показателей
пневматических перфораторов ........................................................ 147
4.4.2. Исследования эргономических показателей
компьютерных рабочих мест ........................................................... 149
Глава 5. Гигиеническая и эргономическая классификация условий
труда ................................................................................................................. 152
5.1. Принципы гигиенического нормирования как средства
обеспечения безопасности труда ......................................................... 152
5.2. Системы стандартов эргономических требований
и эргономического обеспечения .......................................................... 158
Глава 6. Дизайн ............................................................................................... 162
6.1. Природа дизайна ............................................................................ 162
6.2. Эмоции человека ............................................................................ 163
6.3. Классификация дизайна ................................................................ 164
6.4. Цвет в дизайне транспортной среды ............................................ 167
6.5. Форма в дизайне транспортной среды ......................................... 170
6.6. Дизайн легковых автомобилей ...................................................... 171
6.7. Дизайн строительных машин ........................................................ 175
179
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
Учебное издание
Доброборский Борис Самуилович,
Степина Полина Александровна
ЭРГОНОМИКА И ДИЗАЙН
Учебное пособие
Редактор В. А. Преснова
Корректор М. А. Молчанова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 27.05.14. Формат 60 84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 10,5. Тираж 100 экз. Заказ 38. «С» 23.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
180
181
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
182
183
Б. С. Доброборский, П. А. Степина. Эргономика и дизайн
184
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
2 795 Кб
Теги
ergonomics, dobroborskiy
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа