2.1.2 Физиологические основы труда и влияние метеорологических условий на организм человека

Любой вид трудовой деятельности представляет собой сложный комплекс физиологических процессов. Работа– это осуществление клеткой, органом, системой органов или организмом свойственных им функций. Трудовая деятельность осуществляется благодаря затратам энергии мускулов, нервов, мозга.

Выполнение работы требует энергетических затрат. Общая потребность в энергии – это сумма основного и рабочего обмена. Основной обмен – кол-во энергии, затрачиваемое организмом в условиях полного покоя для поддержания жизни, определенные в строго контролируемых обычных условиях:

1) при удобной температуре (18-20 градусов тепла);

2) в положении лежа (но обследуемый не обязан спать);

3) в состоянии эмоционального покоя, так как стресс увеличивает метаболизм;

4) натощак, т.е. через 12- 16 ч после последнего приема пищи.

Основной обмен зависит от пола, возраста, роста и массы тела человека. Величина основного обмена в среднем составляет 1 ккал в 1 ч на 1 кг массы тела. У парней в день основной обмен приблизительно равен 1700 ккал, у женщин основной обмен на 1 кг массы тела приблизительно на 10% меньше, чем у парней, у детей он больше, чем у взрослых, и с увеличением возраста равномерно снижается. У мужчин эта величина в среднем составляет 1 ккал на 1 кг массы тела в час (4.2 кДж), у женщин 0.9 ккал (3.8 кДж).

Рабочий обмен – это затрата энергии для выполнения внешней работы. Так, общая потребность в энергии при умственном труде равна 2500-3200 ккал, при механизированном труде 3200-3500, при частично механизированном или немеханизированном труде умеренной тяжести 3500-4500 ккал, при тяжелом немеханизированном, физическом труде 4500-5000 ккал.

Вне зависимости от вида деятельности человек выполняет два вида работы: умственную и физическую.

Умственная работавключает прием, переработку информации, ее сравнение с информацией, хранящейся в памяти, преобразование информации, определение проблем и путей их решения, формирование целей. Умственная работа включает 2 компонента:

-мыслительный - связан с интеллектуальными способностями человека, он требует обдумывания, концентрации внимания;

- эмоциональный - включает самооценку человека как субъекта умственного труда, оценку значимости цели и средств. Эмоциональный компонент проявляется четкими реакциями вегетативной н.с. и изменениями настроения человека, вызывая многочисленные эмоции.

Эмоциональные нагрузки, нервно-психические перегрузки вызывают стимуляцию симпатической части вегетативной нервной системы, что проявляется увеличением частоты пульса, минутного объема сердца и дыхания, потоотделением, увеличивается кровенаполнение сосудов мозга, конечностей и брюшной полости уменьшается.

Физическая работасвязана с деятельностью опорно-двигательного аппарата, основную роль играют скелетные мышцы. Если благодаря сокращению мышцы меняется положение части тела, то преодолевается сила сопротивления, т.е. выполняетсяпреодолевающая работа. Работа, при которой сила мышцы уступает действию силы тяжести и удерживаемого груза, называетсяуступающей.В этом случае мышца функционирует, однако она не укорачивается, а удлиняется, например, когда невозможно поднять или удержать на весу тело, имеющее большую массу. При большем усилии мышц приходится опустить это тело на какую-нибудь поверхность.Удерживающая работа выполняется, если благодаря сокращению мышц тело или груз удерживается в определенном положении без перемещения в пространстве. Например, когда человек держит груз, не перемещаясь. При этом мышцы, мышцы сокращаются без изменения их длины. Сила сокращения мышц уравновешивает массу тела и груза. Когда мышцы, сокращаясь, перемещают тело в пространстве, они выполняют преодолевающую работу, которая называетсядинамической. Статической является удерживающая работа, при которой не происходит движений всего тела или его части. Она более тяжелая, чем динамическая. При статической работе происходит ускорение обмена веществ, увеличиваются энергетические затраты.

И динамическая, и статическая работы подразделяется на:

- общую– задействовано 2/3 массы мышц тела (грузчики, тяжелые с/ работы);

-- региональную – в работу вовлечен плечевой пояс и верхние конечности (станочник, слесарь);

– локальную -работают верхние конечности и менее 1/3 скелетных мышц.

Одним из показателей эффективности физической работы является КПД, который показывает, какая часть затраченной энергии превращается в энергию, осуществляющую полезную внешнюю работу. Сила мышц человека очень большая. Например, при сгибании локтя она составляет до 40 кг, мышц рук до 250 кг, а ахиллесово сухожилие на ноге выдерживает груз до 500 кг.

При частом повторении одной и той же работы развивается рабочий динамический стереотип –система рефлекторных действий, которые формируются при постоянном повторении одних и тех же раздражителей. Рефлекторные реакции становятся автоматическими, поэтому работа становится менее энергоёмкой и утомительной, не требует постоянного внимания и сосредоточения. Физическая нагрузка вызывает реакцию всех органов и систем. В активно сокращающейся мышце кровоток увеличивается более чем в 29 раз, усиливается обмен веществ. При умеренной физической нагрузке обмен веществ в мышце осуществляется аэробно, во время тяжелой работы часть энергии освобождается анаэробно, в результате в мышце образуется и накапливается молочная кислота. При значительном накоплении молочной кислоты в мышцах развивается мышечное утомление.

При физической работе возрастают частота сердечных сокращений, ударный объем сердца, АД, потребление организмом кислорода. При легкой и умеренной физической работе с постоянной нагрузкой в течение 5-10 мин Частота сердечных сокращений увеличивается, после чего достигает стационарного уровня, которое не приводит человека к утомлению в течение нескольких часов. Через 3-5 мин после завершения такой работы, частота сердечных сокращений нормализуется. При тяжелой работе стационарного состояния не наступает, развивается утомление.

Возможны следующие изменения в организме при трудовом процессе (рис. 2.1.2):

Изменения в крови:происходят количественные и качественные видоизменения в крови (увеличение эритроцитов и лейкоцитов); качественные изменения – усиление регенерации эритроцитов; углеводы в крови находятся в виде глюкозы, продуктом обмена является молочная кислота.

Изменения в ссс и дыхательной системе:

- усиление деятельности ССС: усиление притока крови к сердцу; большое наполнение и опорожнение сердца; учащение сокращений; увеличение объема крови, выбрасываемого сердцем в минуту; перераспределение крови между органами;

- увеличение потребления объема воздуха в 10-13 раз.

Реакция организма на воздействие метеорологических (погодных) условий (метеочувствительсность) довольно широко распространена и возникает при любых, но чаще непривычных для данного человека климатических условиях. Погоду «чувствует» около трети жителей умеренных широт. Особенностью этих реакций является то, что они возникают у значительного числа людей синхронно с изменением метеорологических условий или несколько опережая их. Проявления метеочувствительности зависят от исходного состояния организма, возраста, наличия какого-либо заболевания и его характера, микроклимата, в котором живет человек, и степени его акклиматизации к нему. Метеочувствительность чаще отмечается у людей, мало бывающих на свежем воздухе, занятых сидячим, умственным трудом, не занимающихся физкультурой. Для здорового человека метеорологические колебания, как правило, не опасны.

Рисунок 2.1.2 – некоторые реакции организма на физическую нагрузку

Значительные атмосферные изменения могут вызвать перенапряжение и срыв механизмов адаптации. На организм влияет как погода в целом, так и ее отдельные компоненты.

Колебания барометрического давления действуют двумя путями: снижают насыщение крови кислородом и механически раздражают нервные окончания (рецепторы). Влажность воздуха играет роль в поддержании плотности кислорода в атмосфере, влияет на тепловой обмен и потоотделение. Особенно чувствительны к высокой влажности больные гипертонической болезнью и атеросклерозом. В большинстве случаев обострение заболеваний сердечнососудистой системы возникает при высокой относительной влажности (80-95%). При резком изменении температуры возникают вспышки острых респираторных инфекционных заболеваний.

Неблагоприятно действует на организм и избыток положительных аэроионов, наблюдающийся в жаркую и влажную погоду, что может вызвать обострение заболеваний сердца. В последние годы большое значение придается изменениям солнечной активности и магнитного поля Земли (геомагнитные возмущения и бури). Их действие на организм проявляется за 1-2 дня до перемены погоды, в то время как остальные метеофакторы влияют непосредственно до или во время прохождения воздушных масс (циклона или антициклона). Непривычная устойчивая погода, как правило, тоже неблагоприятно действует на организм.

Различают три степени метеочувствительности. Легкая степень проявляется только субъективным недомоганием. При выраженной метеочувствительности (средней степени) отмечаются отчетливые объективные сдвиги: изменения артериального давления, электрокардиограммы и т. п. При тяжелой степени метеочувствительности наблюдаются резко выраженные нарушения, она проявляется пятью типами метеопатических реакций: сердечным, мозговым, смешанным, астеноневротическим и неопределенным. При сердечном типе возникают боли в области сердца, одышка. Мозговой тип характеризуется головными болями, головокружениями, шумом и звоном в голове. Смешанный тип - сочетанием сердечных и нервных нарушений. При астеноневротическом типе отмечаются повышенная возбудимость, раздражительность, бессонница, изменяется артериальное давление. Встречаются люди, которые не могут четко локализовать проявления. Это неопределенный тип реакции: общая слабость, боль и ломота в суставах, мышцах и т. п.

Температура тела человекахарактеризует процесс терморегуляции организма. Она зависит от скорости потери теплоты, которая, в свою очередь, зависит от температуры и влажности воздуха, скорости его движения, наличия тепловых излучений и теплозащитных свойств одежды.

В теле человека принято различать «ядро», температура которого сохраняется достаточно постоянной, и «оболочку», температуpa которой существенно колеблется в зависимости от температуры внешней среды. Изотермияприсуща главным образом внутренним органам и головному мозгу. Поверхность же тела и конечности, температура которых может изменяться в зависимости от температуры окружающей среды. При этом различные участки поверхности кожи имеют неодинаковую температуру. Обычно относительно выше температура кожи туловища и головы (33—34°С).

Температура тела не остается постоянной, а колеблется в течение суток в пределах 0,5—0,7 °С. Покой и сон понижают, мышечная деятельность повышает температуру тела. Максимальная температура наблюдается в 16-18 ч вечера, минимальная — в 3-4 ч утра. Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при условии равенства теплообразования (теплопродукции)и теплопотери всего организма. Это достигается с помощью физиологических механизмовтерморегуляции. Температура тела человека — результат сложных отношений междутеплопродукциейразличных органов и тканей итеплообменоммежду ними и внешней средой.

Теплообразование происходит во всех органах и тканях, но не одинаково интенсивно. Функционально активные ткани и органы (например, мышцы, печень, почки) производят больше тепла, чем менее активные (соединительная ткань, кости). Потеря тепла органами и тканями зависит в большой степени от их месторасположения. Поверхностно расположенные кожа и скелетные мышцы отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы. Потеря тепла органами и тканями зависит в большой степени от их месторасположения: поверхностно расположенные органы, например кожа, скелетные мышцы, отдают больше тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от охлаждения. Выделяют следующие отклонения температуры тела человека от нормы:

1. Гипотермия. При недостаточности теплоизоляции возникают физиологические реакции на охлаждение: ограничение теплоотдачи с кожи вследствие оттока от неё крови к внутренним органам, резкое повышение обмена и увеличение теплопродукции в мышцах при движениях, работе, мышечной дрожи. При гипотермии наблюдается состояние, подобное наркозу: исчезновение чувствительности, ослабление рефлекторных реакций, понижение возбудимости нервных центров и интенсивности обмена вещества, замедление дыхания и частоты сердечных сокращений, снижение сердечного выброса и артериального давления. Кратковременные и не чрезмерно интенсивные воздействия холодом не вызывают изменений теплового баланса организма и не приводят и гипотермии, но они способствуют развитию простудных заболеваний и обострению хронических воспалительных процессов. При температуре воды 0—4 °С смерть от гипотермии может наступить через 40—60 мин. Снижение температуры тела до 33—32°С вызывает сонливость и помрачение сознания, ниже 30°С — прогрессирующее снижение обмена, кровяного давления, замедление сердцебиений, дыхания, при 27—26°С — потерю сознания, около 23—20°С — остановку дыхания, потом сердца.

2. Гипертермия возникает при продолжительном воздействие высокой температуры окружающей среды, особенно при влажном воздухе (например, тепловой удар). Она сопровождается повышением и качественными нарушениями обмена веществ, потерей воды и солей, нарушением кровообращения и доставки кислорода к мозгу, вызывающими возбуждение, иногда судороги и обмороки. Развитию гипертермии способствуют повышение теплопродукции (например, при мышечной работе), нарушение механизмов терморегуляции (наркоз, опьянение, некоторые заболевания), их возрастная слабость (у детей первых лет жизни). Искусственная ипертермия. применяется при лечении некоторых нервных и вяло текущих хронических заболеваний.

3. Лихорадка.Температура при инфекционной лихорадке обычно не превышает 41° С, в отличие от гипертермии, при которой она бывает выше 41°С.

Для того чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и как следствие к потери трудоспособности, быстрой утомляемости, потери сознания и тепловой смерти.

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделение (Q_ТП) человека полностью воспринимается окружающей средой (Q_ТО), т.е. когда имеет место тепловой балансQ_ТП=Q_ТО. В этом случае температура внутренних органов остается постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Qтп >Qтo), происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Теплоизоляция человека, находящегося в состоянии покоя (отдых сидя или лежа), от окружающей среды приведет к повышению температуры внутренних органов уже через 1 ч на 1,2 °С. Теплоизоляция человека, производящего работу средней тяжести, вызовет повышение температуры уже на 5 °С и вплотную приблизится к максимально допустимой. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем ее воспроизводит человек (Qтп <Qтo), то происходит охлаждение организма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.

Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется:

- конвекцией (Q_k) в результате омывания тела воздухом,

- теплопроводностью (Q_т) ,

-излучением на окружающие поверхности (Q_ИЗ),

- в процессе тепломассообмена при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами (Q_ИС),

- при дыхании (Q_В) (рис. 2.1.3):

Рисунок 2.1.3 – Теплообмен между человеком и средой

,

(2.1.1)

где .

Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона:

,

(2.1.2)

где α_к– коэффициент теплоотдачи конвекций. При нормальных параметрах микроклиматаα_к= 4,06 Вт/ (м •°С);

t_ПОВ – температура поверхности тела человека (для практических расчетов зимой около 27,7 °С, летом около 31,5 °С);

t_ОС– температура воздуха, омывающего тело человека;

F_Э– эффективная поверхность тела человека (размер эффективной поверхности тела зависит от положения его в пространстве и составляет приблизительно 50...80 % геометрической внешней поверхности тела человека. Для практических расчетовFэ=1,8 м²).

Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией также можно определить приближенно как

,

(2.1.3)

где λ – коэффициент теплопроводности газа пограничного слоя, Вт/ (м ·°С);

δ –толщина пограничного слоя омывающего газа, м.

Передача теплоты конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем выше скорость движения воздуха. Заметное влияние оказывает и относительная влажность воздуха φ, так как коэффициент теплопроводности воздуха является функцией атмосферного давления и влагосодержания воздуха.

На основании изложенного выше можно сделать вывод, что величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха, т.е.

,

(2.1.4)

где В– атмосферное давление.

Передачу теплоты теплопроводностью можно описать уравнением Фурье:

,

(2.1.5)

где λ₀–коэффициент теплопроводности тканей одежды человека, Вт/ (м∙°С);

∆о –толщина одежды человека м.

Лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Он может быть определен с помощью обобщенного закона Стефана – Больцмана:

,

(2.1.6)

где с_ПР –приведенный коэффициент излучения, Вт/ (м²_стиК⁴). Для практических расчетов в диапазоне температур окружающих человека предметов 10...60°С приведенный коэффициент излучения С_пр≈ 4,9 Вт/ (м²К⁴);

F₁– площадь поверхности, излучающей лучистый поток, м²;

ψ_1-2–коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностейF₁иF₂ и показывающий долю лучистого потока, приходящуюся на поверхностьF₁от всего потока, излучаемого поверхностьюF_1, ψ_1-2обычно принимают равным 1,0;

T₁средняя температура поверхности тела и одежды человека, К;

T₂ –средняя температура окружающих поверхностей, К.

Количество теплоты, отдаваемое человеком в окружающую среду при испарении влаги, выводимой на поверхность потовыми железами,

,

(2.1.7)

где G_n– масса выделяемой и испаряющейся влаги, кг/с;

r –скрытая теплота испарения выделяющейся влаги, Дж/кг.

Данные о потовыделении в зависимости от температуры воздуха и физической нагрузки человека приведены в таблице 2.1.1.

Таблица 2.1.1 – Количество влаги, выделяемой с поверхности кожи и из легких человека, г/мин

Характеристика выполняемой работы (по Н.К. Витте)	Температура воздуха, °С
	16	18	28	35	45
Покой, J= 100 Вт	0,6	0,74	1,69	3,25	6,2
Легкая, J =200 Вт	1,8	2,4	3,0	5,2	8,8
Средней тяжести, J350 Вт	2,6	3,0	5,0	7,0	11,3
Тяжелая, J = 490 Вт	4,9	6,7	8,9	11,4	18,6
Очень тяжелая, J = 695 Вт	6,4	10,4	11,0	16,0	21,0

Как видно из таблицы, количество выделяемой влаги меняется в значительных пределах. Так, при температуре воздуха 30 °С у человека, не занятого физическим трудом, влаговыделение составляет 2 г/мин, а при выполнении тяжелой работы увеличивается до 9,5 г/мин.

Количество теплоты, отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении пота, зависит не только от температуры воздуха и интенсивности работы, выполняемой человеком, но и от скорости окружающего воздуха и его относительной влажности, т.е.

,

(2.1.8)

где J–интенсивность труда, производимого человеком, Вт.

В процессе дыхания воздух окружающей среды, попадая в легочный аппарат человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. В технических расчетах можно принимать (с запасом) что выдыхаемый воздух имеет температуру 37 °С и полностью насыщен.

Количество теплоты, расходуемой на нагревание вдыхаемого воздуха,

,

(2.1..9)

где V_ЛВ –объем воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени, легочная вентиляция, м^3/с;

ρ_вд– плотность вдыхаемого влажного воздуха, кг/м³;

Ср–удельная теплоемкость вдыхаемого воздуха, Дж/ (кг • ˚С);

t_выд –температура выдыхаемого воздуха, °С;

t_вд–температура вдыхаемого воздуха, °С.

Легочная вентиляция определяется как произведение объема воздуха вдыхаемого за один вдох, V_ВВ, м³на частоту дыхания в секундуп:

,

(2.1.10)

Частота дыхания человека непостоянна и зависит от состояния организма и его физической нагрузки. В состоянии покоя она составляет 12... 15 вдохов-выдохов в минуту, а при тяжелой физической нагрузке достигает 20...25. Объем одного вдоха-выдоха является функцией производимой работы. В состоянии покоя с каждым вдохом в легкие поступает около 0,5 л воздуха. При выполнении тяжелой работы объем вдоха-выдоха может возрастать до 1,5...1,8 л.

Среднее значение легочной вентиляции в состоянии покоя примерно 0,4...0,5 л/с, а при физической нагрузке в зависимости от ее напряжения может достигать 4 л/с. Таким образом, количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности и температуры окружающего (вдыхаемого) воздуха:

,

(2.1.11)

Чем больше физическая нагрузка и ниже температура окружающей среды, тем больше отдается теплоты с выдыхаемым воздухом. С увеличением температуры и влажности окружающего воздуха количество теплоты отводимой через дыхание, уменьшается.

Анализ приведенных выше уравнений позволяет сделать вывод, что тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе человек–среда обитания зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов (Т_ОП) и интенсивности физической нагрузки организма:

.

(2.1.12)

Основными параметрами, обеспечивающими процесс теплообмена человека с окружающей средой, как было показано выше, являются параметры микроклимата. Вместе с изменением параметров микроклимата меняется и тепловое самочувствие человека. Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме реакции, способствующие его восстановлению. Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека – терморегуляция, позволяют сохранять температуру внутренних органов постоянной, близкой к 36,5 °С. Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя способами: биохимическим путем; путем изменения интенсивности кровообращения и интенсивности потовыделения.

Терморегуляция организма осуществляется одновременно всеми способами. Так, при понижении температуры воздуха увеличению теплоотдачи за счет увеличения разности температур препятствуют такие процессы, как уменьшение влажности кожи, и, следовательно, уменьшение теплоотдачи путем испарения, снижение температуры кожных покровов за счет уменьшения интенсивности транспортирования крови от внутренних органов, и вместе с этим уменьшение разности температур.

Терморегуляция обеспечивается изменением двух составляющих теплообмен процессов — теплопродукции и теплоотдачи. Теплопродукция возрастает при выполнении физической работы. Количество вырабатываемой теплоты зависит также от возраста и состояния здоровья человека. Усредненные значения теплопродукции взрослого человека в зависимости от температуры окружающего воздуха и тяжести выполняемой работы приведены в таблице 2.1.2.

Различают три вида теплоотдачи организма человека:

• излучение;

• конвекция (нагревание омывающего поверхность тела воздуха);

• испарение влаги с поверхности кожи, слизистых оболочек верхних дыхательных путей и легких.

Таблица 2.1.2 - Теплопродукция человека в зависимости от температуры воздуха и тяжести выполняемой работы

Температура воздуха, "С	Теплопродукция, Дж/с	Температура воздуха, °С	Теплопродукция, Дж/с
Состояние покоя		Работа средней тяжести
10	103,7	10	332,0
18	103,7	18	334,1
28	112,1	28	354,3
35	116,2	35	359,1
45	119,7	45	354,3
Легкая работа		Тяжелая и очень тяжелая работа
10	179,6	10	179,6
18	179,6	18	179,6
22	176,8	22	176,8
35	197,0	35	197,0
45	204,6	45	204,6

Процентное соотношение между этими видами теплоотдачи человека, находящегося в нормальных условиях в состоянии покоя, выражается следующими цифрами: 45/30/25. Однако указанное соотношение может изменяться в зависимости от конкретных значений параметров микроклимата и тяжести выполняемой работы. Теплоотдача излучением происходит только в том случае, когда температура окружающих предметов ниже температуры открытых участков кожи (32. ..34, 5 °С) или наружных слоев одежды (27. ..28 °С для легко одетого человека и приблизительно 24 °С для человека в зимней одежде). Основная часть излучения относится к инфракрасному диапазону с длиной волны (4. ..50) * 10^-6м. При этом теряемое организмом в единицу времени количество теплоты, Дж/с (1 Дж/с = 1 Вт),

,

(2.1.13)

где S –площадь поверхности тела человека, определяемая по графику (рис. 2.1.2.3), м². Если масса и рост человека неизвестны, то принимаютS= 1,5м²;

δ — приведенный коэффициент излучения, Вт/(м²*К⁴): для хлопчатобумажной ткани 5 = 4,2*10^-8, для шерсти и шелка δ = 4,3*10 , для кожных покровов человека δ = 5,1*10^-8;

Т_ч — температура поверхности тела человека: для раздетого человека 306 К (это соответствует 33 °С);

Т_o — температура окружающей среды, К.

Рисунок 2.1.4 – График для определения площади поверхности тела человека в зависимости от его массы и роста

Теплоотдача конвекцией также происходит в случае, если температура поверхности кожи или верхних слоев одежды выше температуры омывающего их воздуха. Потери теплоты конвекцией через дыхательные пути меньше, чем от кожного покрова, и происходят в тех случаях, когда температура вдыхаемого воздуха ниже температуры тела. Теплоотдача конвекцией повышается с ростом барометрического давления.

Приближенно потери теплоты в единицу времени конвекцией, Дж/с, можно определить по формуле

,

(2.1.14)

или

(2.1.15)

где v — скорость движения воздуха, м/с.

Первую формулу используют при скорости движения воздуха v ≤ 0,6 м/с, вторую — при v > 0,6 м/с.

В обычных условиях на большей части поверхности тела человека происходит неощутимое потоотделение, возникающее в результате диффузии воды без активного участия потовых желез. Исключение составляют поверхности ладоней, подошв и подмышечных впадин (составляющие примерно 10 % поверхности тела), на которых пот выделяется непрерывно. Общие потери теплоты испарением в единицу времени, Дж/с, можно приближенно определить по формуле:

,

(2.1.16)

где q — интенсивность выделения пота, г/ч, определяемая взвешиванием человека;

k_Л — коэффициент пересчета теплоотдачи через легкие, зависящий от температуры окружающего воздуха: при Т=0^оС – k_л= 0,43, при Т=18 °С –k_Л =0,3, при Т=28 °С –k_Л=0,23, при Т=35 °С –k_Л =0,035 и при Т=45°С –k_Л = 0,015.

Воздушная среда– необходимое условие существования жизни. Она играет важную роль в дыхании человека, животных, растений, в обеспечении их кислородом, удалении продуктов обмена веществ, теплообмене, оказывает решающее влияние на формирование условий труда на рабочих местах. Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на тепловое самочувствие человека и его работоспособность (рис. 2.1.5). Например, понижение температуры и повышение скорости воздуха способствуют усилению конвективного теплообмена и процесса теплоотдачи при испарении пота, что может привести к переохлаждению организма. Повышение скорости воздуха ухудшает самочувствие, так как способствует усилению конвективного теплообмена и процессу теплоотдачи при испарении пота.

При повышении температуры воздуха возникают обратные явления. Исследователями установлено, что при температуре воздуха более 30°С работоспособность человека начинает падать. Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек в состоянии дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты, около 116 °С. Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пота в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев тела. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность при t_ос> 30 °С, так как при этом почти все выделяемая теплота отдается в окружающую среду при испарении пота. При повышении влажности пот не испаряется, а стекает каплями с поверхности кожного покрова. Возникает так называемое проливное течение пота, изнуряющее организм и не обеспечивающее необходимую теплоотдачу.

Недостаточная влажность воздуха также может оказаться неблагоприятной для человека вследствие интенсивного испарения влаги со слизистых оболочек, их пересыхания и растрескивания, а затем и загрязнения болезнетворными микроорганизмами. Поэтому при длительном пребывании людей в закрытых помещениях рекомендуется ограничиваться относительной влажностью в пределах 30...70 %.

Рисунок 2.1.5 – Влияние дискомфорта микроклимата на человека

Вопреки установившемуся мнению величина потовыделения мало зависит от недостатка воды в организме или от ее чрезмерного потребления. Считается допустимым для человека снижение его массы на 2...3 % путем испарения влаги – обезвоживание организма.Обезвоживание на 6 % влечет за собой нарушение умственной деятельности, снижение остроты зрения; испарение влаги на 15...20 % приводит к смертельному исходу.

Вместе с потом организм теряет значительное количество минеральных солей (в 1 л пота содержится 2,5...2,6 г хлорида натрия) и водорастворимых витаминов (С, BI, 62), что приводит к сгущению крови и ухудшению работы сердца. При высокой температуре воздуха легко расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки. Параметры микроклимата оказывают существенное влияние и на производительность труда. Производительность труда человека при температуре 29,4 °С снижается на 13 %, а при температуре 33,6°С на 35 % по сравнению с производительностью при 26°С.

Нормы производственного микроклимата установлены системой стандартов безопасности труда ГОСТ 12.1.005–88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны», а также СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату помещений». Они едины для всех производств и всех климатических зон с некоторыми незначительными отступлениями.

Требования этого государственного стандарта установлены для рабочих зон и рабочих мест постоянного и временного пребывания работающих.

Факторы, влияющие на микроклимат, можно разделить на две группы:

1) нерегулируемые (комплекс климатообразующих факторов данной местности);

2) регулируемые (особенности и качество строительства зданий и сооружений, интенсивность теплового излучения от нагревательных приборов, кратность воздухообмена, количество людей и животных в помещении и др.).

Для поддержания параметров воздушной среды рабочих зон в пределах гигиенических норм решающее значение принадлежит факторам второй группы.

Стандартом установленыоптимальныеидопустимые микроклиматические условия. В стандарте отдельно нормируется каждый компонент микроклимата в рабочей зоне производственного помещения: температура, относительная влажность, скорость воздуха в зависимости от способности организма человека к акклиматизации в разное время года, характера одежды, интенсивности производимой работы и характера тепловыделений в рабочем помещении.

Оптимальные параметры микроклимата распространяются на всю рабочую зону производственных помещений без разделения рабочих мест на постоянные и непостоянные (табл. 2.1.3). Кроме указанных в таблице 2.1..3 параметров микроклимата нормируется также интенсивность теплового облучения работников. Допустимое значение теплового облучения на постоянных и непостоянных рабочих местах не должно превышать 35 Вт/м², если в зоне облучения находится 50 % и более поверхности тела. При размере последней от 25 до 50 % предел допустимой интенсивности облучения составляет 70 Вт/м², а при облучении менее 25 % поверхности тела — 100 Вт/м². Интенсивность открытых источников теплового излучения (пламя, нагретый металл и т. п.) не должна превышать 140 Вт/м² при облучении не более 25 % поверхности тела и обязательном использовании средств индивидуальной защиты, в том числе лица и глаз.

Допустимые перепады температуры воздуха по высоте рабочей зоны не должны превышать 3 °С для работ всех категорий, а по горизонтали 4 °С для легких работ, 5 °С для работ средней тяжести и 6 °С для тяжелых работ. Во всех случаях абсолютные значения температуры воздуха, измеренной на разной высоте и в различных участках производственных помещений в течение смены, должны входить в пределы, устанавливаемые таблицами.

2.1.3 Классификация основных форм деятельности человека и условий труда

В свершении любого трудового процесса участвуют различные элементы, основные из которых представлены на рисунке 2.1.6.

Рисунок 2.1.6– Элементы трудового процесса

Каждый из указанных элементов оказывает влияние как на сам процесс, так и на его безопасность. Объектом деятельности является материал, который должен получить новую форму, новые свойства и превратиться в продукт деятельности. Но не всякий труд непосредственно связан с созданием материальных ценностей. Например, преподаватели, обучая рабочих, врачи, внедряя оздоровительные мероприятия, способствуют повышению производительности труда, снижению заболеваемости, а, следовательно, косвенно участвуют в сфере производства.

		Температура, °С					Относительная влажность, %		Скорость движения, м/с
		оптимальная	допустимая				оптимальная	допустимая на	оптимальная,	допустимая на
Период года	Категория работ		верхняя граница		нижняя граница			рабочих местах	не более	рабочих
			на рабочих местах					постоянных и		местах
			постоянных	непостоянных	постоянных	непостоянных		непостоянных, не более		постоянных и непостоянных*
Холодный	Легкая - Iа	22-24	25	26	21	18	40-60	75	0,1	Не более 0,1
	Легкая - Iб	21-23	24	25	20	17	40-60	75	0,1	Не более 0,2
	Средней тяжести - IIа	18-20	23	24	17	15	40-60	75	0,2	Не более 0,3
	Средней тяжести - IIб	17-19	21	23	15	13	40-60	75	0,2	Не более 0,4
	Тяжелая - III	16-18	19	20	13	12	40-60	75	0,3	Не более 0,5
Теплый	Легкая - Iа	23-25	28	30	22	20	40-60	55 (при 28°С)	0,1	0,1-0,2
	Легкая - Iб	22-24	28	30	21	19	40-60	60 (при 27°С)	0,2	0,1-0,3
	Средней тяжести - IIа	21-23	27	29	18	17	40-60	65 (при 26°С)	0,3	0,2-0,4
	Средней тяжести - IIб	20-22	27	29	16	15	40-60	70 (при 25°С)	0,3	0,2-0,5
	Тяжелая - III	18-20	26	28	15	13	40-60	75 (при 24°С)	0,4	0,2-0,6
*Большая скорость движения воздуха в теплый период года соответствует максимальной температуре воздуха, меньшая - минимальной температуре воздуха. Для промежуточных величин температуры воздуха скорость его движения допускается определять интерполяцией; при минимальной температуре воздуха скорость его движения может приниматься также ниже 0,1 м/с - при легкой работе и ниже 0,2 м/с - при работе средней тяжести и тяжелой.

Таблица 2.1.3 – Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений

Принято условно делить труд на физический и умственный. Физический труд характеризуется его тяжестью. Физическая работа может быть статической и динамической. Динамическую работу можно рассчитать по формуле

,

(2.1.17)

где А — динамическая работа, Дж;

т — масса перемещаемого груза, кг;

h_п— высота подъема груза, м;

h₀ — расстояние, на которое опускается груз, м;

l—расстояние перемещения груза по горизонтали, м;

g— ускорение свободного падения (g= 9,81 м/с²).

При этом энергия расходуется как на поддержание определенного напряжения в мышцах, так и на механический эффект.

Статическая работахарактеризуется произведением массы груза на длительность его удержания и считается более утомительной по сравнению с динамической работой.

Статическая работа определяется по формуле:

(2.1.18)

где:	Ac-	статическая работа, Дж;
	m-	масса груза, кг;
	t-	длительность удержания груза, с

Умственный труд характеризуется его напряженностью. Напряженность труда характеризуется эмоциональной нагрузкой на организм при труде, требующем преимущественно интенсивной работы мозга по получению и переработке информации. Кроме того, при оценке степени напряженности учитывают эргономические показатели: сменность труда, позу, число движений и т.п. Так, если плотность воспринимаемых сигналов не превышает 75 в час, то работа характеризуется как легкая; 75...175–средней тяжести; свыше 176– тяжелая работа.

К физиологическим показателям оценки напряженности труда относят:

• частоту сердцебиений (недопустимо превышение допустимого значения более чем на 28 ударов в 1 мин);

• ритмичность сердцебиений;

• артериальное давление (недопустимо превышение верхней границы более чем на 30 мм рт. ст., нижней — на 15 мм рт. ст.);

частота дыхания, которая не должна быть выше значения частоты дыхания в состоянии покоя (от 7 до 22) более чем на 30 циклов в минуту. В зависимости от основных характеристик и физиологических требований, предъявляемых к организму, различают также автоматизированный, полуавтоматизированный и конвейерныйформы труда (рисунок 2.1.7).Трудовая деятельность человека и производственная среда постоянно меняются в результате использования продуктов и технологий НТР.

В соответствии с принятой физиологической классификацией трудовой деятельности в настоящее время различают следующие формы труда:

Рисунок 2.1.7– Виды трудовой деятельности

• Формы труда, требующие значительной мышечной энергии - Ручной труд –вид трудовых операций без применения механизированных средств, требует повышенных энергозатрат от работника(4000-6000 ккал), вредные производственные факторы действуют на работника интенсивно, т.к. он находится в эпицентре их генерации. Экономически не эффективен;

• Механизированные формы труда –энергозатраты 3000-4000 ккал/сут, в условиях механизированного пр-ва наблюдается уменьшение объема мышечной деятельности, в работу вовлекаются дистальные отделы конечностей, отмечается монотонность труда; Механизированный труд бывает:

-комплексно- механизированный– основные и вспомогательные процессы выполняются машинами и механизмами и вредными производственными факторами являются шум, пыль, вибрация и т.д.;

- механизированный – неполная механизация;

-механизировано-ручной – механизировано-ручные пневмо- и электроинструменты.

• Формы, связанные с частично автоматизированным производством – человек исключается из процесса непосредственной обработки предмета труда, человек обслуживает механизмы и управляет электронной техникой. Особенности этого вида: монотонность, повышенный темп и ритм работы, нервная напряженность;

Автоматизированный труд подразделяется на:

- комплексно-автоматизированный – управление осуществляется с дистанционных щитов и пультов управления. Основной вред - нервно-психические перегрузки;

- автоматизированное производствоуправление с пультов, но они находятся не изолированно (как в предыдущем случае), а в цехе рядом с оборудованием. Вредные факторы, характерные для данного производства: химические вещества, пыль и т.д. Преимущество этого вида труда в сокращении числа работников на вредных производствах.

• Групповые формы труда –конвейер: разделение общего процесса на конкретные операции, синхронность работы, монотонность, которая выражается в преждевременной усталости и нервном истощении, снижается возбудимость анализаторов, внимание, уменьшается скорость реакции;

• Формы интеллектуального труда –физические нагрузки минимальны, происходит мобилизация памяти, внимания, развивается гипокенезия- снижение двигательной активности, приводящее к ухудшению реактивности организма и повышению эмоционального напряжения. К интеллектуальному труду относятся: операторский труд; управленческий; творческий; труд преподавателей, торговых, медицинских работников и работников сферы услуг; труд учащихся и студентов.

Все работы согласно Санитарным правилам и нормам (СанПиН) 2.2.4.548—96 в зависимости от интенсивности общих энергозатрат организма делят на три категории тяжести:

Ia — работы с интенсивностью энергозатрат до 120ккал/ч (до 139 Вт), производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением (на предприятиях точного приборо- и машиностроения, на часовом, швейном производствах, в сфере управления и т. п.);

Iб — работы с интенсивностью энергозатрат 121...150ккал/ч (140...174 Вт), производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением (в полиграфической промышленности, на предприятиях связи, контролеры, мастера на производствах и т. п.);

IIа — работы с интенсивностью энергозатрат 151...200ккал/ч (175...232 Вт), связанные с постоянной ходьбой, перемещением мелких (до 1 кг) изделий или предметов в положении стоя или сидя и требующие определенного физического напряжения (в механосборочных цехах машиностроительных предприятий, на прядильно-ткацком производстве и т. п.);

IIб — работы с интенсивностью энергозатрат 201...250 ккал/ч (233...290 Вт), связанные с ходьбой, перемещением и переноской тяжестей до 10 кг и сопровождающиеся умеренным физическим напряжением (в механизированных, литейных, прокатных, кузнечных, термических, сварочных цехах машиностроительных и металлургических предприятий и т. п.);

III — работы с интенсивностью энергозатрат более 250 ккал/ч (более 290 Вт), связанные с постоянными передвижениями, перемещением и переноской значительных (свыше 10кг) тяжестей и требующие больших физических усилий (в кузнечных цехах с ручной ковкой, литейных цехах с ручной набивкой и заливкой опок машиностроительных и металлургических предприятий и т. п.).

Энергетические затраты человека зависят от интенсивности мышечной работы, информационной насыщенности труда, степени эмоционального напряжения и других условий (температуры, влажности, скорости движения воздуха и др.). Суточные затраты энергии для лиц умственного труда (инженеров, врачей, педагогов и др.) составляют 10,5... 11,7 МДж; для работников механизированного труда и сферы обслуживания (медсестер, продавщиц, рабочих, обслуживающих автоматы) –11,3...12,5 МДж; для работников, выполняющих работу средней тяжести (станочников, шахтеров, хирургов, литейщиков, сельскохозяйственных рабочих и др.), –12,5...15,5 МДж; для работников, выполняющих тяжелую физическую работу (горнорабочих, металлургов, лесорубов, грузчиков), –16,3...18 МДж.

Затраты энергии меняются в зависимости от рабочей позы. При рабочей позе сидя затраты энергии превышают на 5–10 % уровень основного обмена; при рабочей позе стоя–на 10...25 %, при вынужденной неудобной позе–на 40...50 %. При интенсивной интеллектуальной работе потребность мозга в энергии составляет 15...20 % общего обмена в организме (масса мозга составляет 2 % массы тела). Повышение суммарных энергетических затрат при умственной работе определяется степенью нервно-эмоциональной напряженности. Так, при чтении вслух сидя расход энергии повышается на 48 %, при выступлении с публичной лекцией на 94 %, у операторов вычислительных машин на 60... 100 %.

Уровень энергозатрат определяют методом полного газового анализа (учитывается объем потребления кислорода и выделенного углекислого газа). С увеличением тяжести труда значительно возрастает потребление кислорода и количество расходуемой энергии. Энергозатраты зависят от условий трудовой деятельности. В нашей стране существует гигиеническая классификация труда в основу которой положены факторы производственной среды, трудового процесса и степень их влияния на здоровье и работоспособность людей. Она включает в себя четыре класса (рис. 2.1.8).

Условия деятельности по уровню риска гибели человека могут быть классифицированы в зависимости от величины рисков, относящихся к одному человеку в течение года – индивидуальный летальный риск (таблица 2.1.4). Предельно допустимой величиной остаточного индивидуального риска принято считать 1·10^-6, что закреплено в законодательстве ряда стран и используется при экспертизе различных технических систем по уровню риска. Если результат расчетов превосходит указанную величину, то в проект должны быть внесены соответствующие изменения, направленные на снижение риска.

Рисунок 2.1.8 – Классификация условий трудовой деятельности

Таблица 2.1.4 – Классификация условий деятельности по уровню индивидуального летального риска

Риск гибели (на 1 чел. в год)	Характеристика условий деятельности	Примеры профессий
1. Менее 1·10^-4 2. 1·10^-4– 1·10^-3 3. 1·10^-3– 1·10^-2 4. Более 1·10^-2	Относительно безопасные Умеренно опасные Опасные Особо опасные	Текстильщики, обувщики, часовщики, работники пищевой промышленности, торговли, медики Строители, судостроители, горняки, водители Верхолазы, рыбаки, трактористы Летчики-испытатели, водолазы, каскадеры, мотокроссмены