Авг 15

А. Ф. Коваленко, И. С. Васильев, Р. К. Кузмицкий, Л. К. Марков

Из анализа имеющихся литературных данных следует, что при выявлении степени сохранения работоспособности лиц, находящихся в свободной позе в условиях воздействия ударных ускорений, основное внимание нужно обращать на изучение действия локальных нагрузок на отдельные участки тела человека, необходимо также выяснить, в какой степени изменение позы сказывается на обеспечении требований безопасности, особенно с учетом возможности соударений человека с окружающими предметами.

В настоящей работе излагаются некоторые результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных с целью оценки влияния горизонтальных и вертикальных ускорений на людей, находящихся на ускоряемой опорной поверхности в свободной расслабленной позе в положении стоя и сидя на стуле при выполнении ими определенной работы. Конкретными целями исследований являлись:

- определение физиологической реакции организма человека, находящегося в свободном состоянии, на воздействие перегрузок;

- выяснение субъективной реакции человека на воздействие перегрузок в указанных условиях;

- выявление ошибочных действий при выполнении конкретных рабочих операций у лиц, подвергавшихся воздействию перегрузок;

- определение при различных начальных условиях кинематических и динамических параметров, характеризующих механическую реакцию человека при воздействии ударных ускорений.

В ходе исследований изучалось действие ударного импульса с длительностью в диапазоне 0,02–0,1 сек. Величины ускорений в зависимости от условий опытов изменялись от 1 до 10 g. Возникавшая при этом скорость достигала более 3 м/сек. Амплитуды максимальных перемещений опоры человека менялись в зависимости от длительности действия ускорений или были постоянными.

До воздействия, в процессе его и через различные промежутки времени после окончания у испытуемых регистрировались:

- электрокардиограмма;

- артериальное давление тахоосциллографическим методом с использованием пьезоэлектрических датчиков;

- частота дыхания с помощью периметрического угольного датчика;

- мышечная работоспособность;

- простая и сложная двигательная реакции.

Кроме того, проводились измерения различных механических параметров движения стенда и самого испытуемого под воздействием перегрузок.

Результаты опытов показали, что общее физиологическое состояние испытуемых, подвергшихся в свободной позе многократному воздействию перегрузок, при исследовавшихся параметрах движения опорной поверхности оставалось вполне удовлетворительным. Данные электрокардиограммы, артериального давления, функции дыхания были в пределах обычных физиологических колебании. Эти изменения не являлись специфичными и скорее всего, обусловливались эмоциональным нервно-психическим напряжением, а также гемодинамическими изменениями, имеющими место при тахикардии. В то же время, оценивая влияние на человека ударных ускорений с точки, зрения субъективной реакции испытуемого, необходимо отметить следующее: воздействие на человека импульсного ускорения величиной в среднем до 8 g, как правило, проявлялось только в вынужденном изменении его позы (смещении тела) при отсутствии каких-либо общих и локальных болевых реакций. Максимальная величина непроизвольного отклонения тела от исходного положения в этих условиях доходила до 30 см. При ускорениях более 8 g, помимо более сильного локального действия, человек терял связь с опорными поверхностями. Ускорения величиной 12 g и больше вызывали у испытуемых стойкую болевую реакцию в области спины и поясницы в случаях, когда эксперименты проводились в положении сидя на стуле, а в положении стоя – значительное перемещение всего тела и потерю равновесия.

Из исследованных на стенде основных возможных направлений перемещения опорной поверхности (горизонтальное, вертикальное, под углом) наиболее неблагоприятно горизонтальное с точки зрения сохранения испытуемым устойчивой позы и переносимости действующих нагрузок. При этом худшим по условиям переносимости является действие ускорений в направлении спина–грудь при положении человека сидя на жестко закрепленном стуле. Перегрузки при вертикальных и угловых перемещениях опоры переносятся гораздо легче. Кроме того, при их действии реже проявляется «метательный» эффект и связанное с ним непроизвольное перемещение человека. Однако следует учитывать, что при определенных условиях (знакопеременные перегрузки и вибрация) неблагоприятное влияние вертикальных перемещений на переносимость человеком перегрузок может быть более существенным, чем при импульсном воздействии.

Выявление возможных нарушений работоспособности человека в результате воздействия ударных ускорений показало, что скорость ответной реакции на световой раздражитель после воздействия ускорений не зависела от их величины: в 48% случаев она увеличивалась, в 27% – уменьшалась и в 25% – не изменялась.

Динамическая работоспособность исследовалась на пальцевом эргографе. При этом определялась утомляемость и сопротивляемость утомлению. Утомляемость оценивалась по степени снижения высоты эргограммы в конце одноминутной работы и выражалась в процентах, а сопротивляемость утомлению оценивалась по времени до начала снижения высоты сокращений. Утомляемость в различные дни у одного и того же испытуемого подвергалась колебаниям в пределах от ±10 до 24%. Показатели- сопротивляемости утомлению не отличались по своему характеру от утомляемости.

Анализ материалов исследования показал, что при воздействии принятых в опытах режимов горизонтальных, вертикальных и направленных под углом ударных ускорений у испытуемых не наблюдалось явно выраженного нарушения работоспособности. Однако следует отметить, что значительное изменение позы человека в результате воздействия перегрузок может на короткий срок привести к отдельным нарушениям в выполнении конкретных рабочих операций.

Рассмотренные выше различные виды реакций (физиологическая, субъективная, функциональная и др.) являются результатом общей механической реакции тела и организма человека на воздействие внешних сил. Учитывая это, следует считать наиболее важным выявление особенностей и условий указанной реакции, а также определение всех возможных при этом ее неблагоприятных последствий для человека.

Механическая или точнее динамическая реакция человека, как и любого физического тела или системы, определяется совокупностью кинематических параметров (перемещения, скорости и ускорения) с учетом действующих на него механических сил. В рассматриваемом случае в качестве активной внешней силы выступает ускорение опоры, воздействие которого через опорные поверхности передается телу человека и проявляется в виде перегрузок. Условия процесса передачи этого воздействия непосредственно связаны с характеристиками опоры, рабочей позой человека и направлением действия ускорений.

Движение человека при воздействии ускорений следует рассматривать как несвободное перемещение тела или как движение со связями. Несвободной системой, как известно, называют такую систему, движение которой подчинено некоторым геометрическим или кинематическим ограничениям, заданным заранее и не зависящим от начальных условий и характеристики приложенной силы. Ограничения, наложенные на движение системы и делающие ее несвободной, называются связями. При положении стоя в качестве внешних (по отношению к человеку) механических связей выступают горизонтальная поверхность опорного основания и поверхности различных предметов, к которым прикасается человек. При рабочей позе сидя внешними связями служат поверхности кресла – сиденье и спинка, при положении лежа – поверхность койки или стены. Кроме того, при движении опоры человек в результате относительных перемещений может вступить во взаимодействие с различными поверхностями окружающих его предметов. Эти поверхности могут рассматриваться как потенциальные связи. Основными характеристиками, определяющими механизм воздействия перегрузки на человека в процессе его взаимодействия с движущейся опорой, являются характер поверхности опоры, ее механические свойства, общее положение человека и отдельных частей его тела относительно опоры. При этом существенное влияние на процесс взаимодействия могут оказывать состояние поверхностей опоры или соударение, их наклоны, начальные данные, характеризующие кинематические условия взаимодействия и другие обстоятельства. К основным факторам, определяющим общую устойчивость позы человека, относятся: площадь опорной поверхности, в пределах которой может перемещаться проекция центра тяжести тела человека, и высота расположения центра тяжести человека над плоскостью опоры в занимаемой им позе.

Наибольшая площадь опорной поверхности при минимальной высоте расположения центра тяжести соответствует наиболее устойчивой позе человека. При положении стоя опорную поверхность составляют поверхности ступней ног (350 см2), при рабочей позе сидя опорой при горизонтально действующей перегрузке является спинка кресла (площадь около 2300 см2), при вертикальной перегрузке – сиденье (площадь около 1740 см2). При положении человека лежа площадь опорной поверхности независимо от направления действующей перегрузки связана с его положением: лежа на спине она равна примерно 5300 см2, лежа на боку – 3300 см2.

Высота расположения центра тяжести тела в целом или его отдельных частей над плоскостью опоры определяет величину потенциальной энергии системы. Из механики известно, что устойчивое равновесие тела возможно в том случае, когда потенциальная энергия системы достигает минимального значения; при максимальном значении потенциальной энергии имеет место неустойчивое равновесие (теорема Дирихле).

Приведенная теорема не может точно характеризовать устойчивость человека в момент потери им равновесия, так как она полностью применима лишь к абсолютно твердому телу. Однако с известными допущениями ее можно использовать для ориентировочной оценки. При постоянной массе тела человека величина потенциальной энергии приближенно может быть определена через высоту расположения центра тяжести тела, соответствующую занимаемой позе. Превышение центра тяжести человека среднего роста над поверхностью опоры составляет: стоя – 90–100 см, сидя – 40–50 см и лежа – 9–12 см. Следовательно, с учетом обоих факторов самая устойчивая поза человека – это положение лежа и наименее благоприятная – положение стоя. Такое заключение важно в свете оценки опытных данных, так как в определенном интервале значений горизонтальных ускорений основным результатом их воздействия на человека является потеря равновесия, то есть падение или значительные вынужденные перемещения его под действием внешней активной силы. При других направлениях действия ускорений влияние указанных выше факторов менее существенно. Однако при соответствующих условиях они также могут сказываться на сохранении равновесия и устойчивости позы человека.

Одна из существенных характеристик (при свободном расположении человека), определяющих механизм передачи перегрузки, – это взаимодействие между поверхностями соприкосновения опоры и тела. При горизонтальном направлении действия ускорений большое значение в передаче нагрузки на тело человека имеют силы трения. Однако их влияние может быть существенным только при определенном соотношении значений коэффициента трения и действующей перегрузки.

Как известно, сила трения (Fт) определяется выражением:

Fт =KтN,                                                                             (1)

где Кт – коэффициент трения, N – нормальная составляющая сила к поверхности трения.

Для горизонтальной плоскости N = G, где G – сила тяжести (вес тела). Учитывая, что G = m·g (m – масса тела, g = 9,81 м/сек – ускорение силы тяжести), имеем:

Fт = Kт·mg.                                                                       (2)

Если величина действующей на тело силы F = m·а, где а – ускорение, равное силе трения, то после подстановки в уравнение (2) получим:

а = Кт·g.                                                                               (3)

Или используя понятие перегрузки n = a/g, имеем:

N = Kт.                                                                                 (4)

При перегрузках N = Кт скольжение отсутствует и реализуется жесткая связь тела с опорой. В этом случае на тело действует ускорение, равное ускорению опоры.

Если же внешняя активная сила превышает силу трения, то возникает скольжение тела по опорной поверхности и реализуется связь трения. В этом случае на тело все время действует постоянная перегрузка, равная величине коэффициента трения. Рассмотренный упрощенный подход к оценке влияния сил трения применим только в отношении твердого тела, устойчивость и равновесие которого не нарушаются во время действия внешних сил.

По отношению к человеку при известных ограничениях такая оценка дает удовлетворительное сходство с опытными данными только при действии на него горизонтальных ускорений в положении сидя при отсутствии взаимодействия с вертикальными опорными поверхностями (спинкой и поручнями кресла). При положении стоя указанная оценка неприменима, поскольку из-за особенностей механической схемы и кинематики тела человека создаются дополнительные горизонтальные силы, одинаковые по направлению с силами трения. В связи с этим в большинстве случаев на начальном этапе движения опоры реализуется жесткая связь ступней ног человека с опорой, а возникающие на них ускорения примерно соответствуют значениям ускорений опоры.

Для уменьшения перегрузки, действующей на человека в горизонтальном направлении, следует снижать трение между поверхностями соприкосновения человека и опоры. Однако это в свою очередь связано с увеличением перемещения человека относительно опоры. Следовательно, в каждом конкретном случае должны быть определены оптимальные условия, учитывающие параметры нагрузки, действующей на человеками допускаемые перемещения его относительно опоры.

Кроме связи трением, на поверхностях соприкосновения тела с опорой могут возникать относительно жесткие связи, допускающие незначительные взаимные перемещения. Такими связями для положения человека сидя на стуле являются: поверхность спинки стула – при действии на опору горизонтальных ускорений в направлении спина–грудь; поверхность сидения – при действии на опору вертикальных ускорений в направлении ноги–голова. В указанных условиях эти связи передают на тело человека ускорения, а, следовательно, и перегрузки, примерно равные по величине ускорениям, возникающим на опоре. Однако, если такая связь включает упругий элемент – амортизирующую прокладку, обладающую большой деформацией, то в этом случае на тело человека будут передаваться перегрузки гораздо меньшие, чем при наличии жесткой связи. Обычно связь с такими свойствами называют упругой. Объективно любая связь тела человека с опорой, даже очень жесткой, обладает некоторыми упругими свойствами. Это определяется тем, что между опорой и воспринимающими основную нагрузку достаточно жесткими элементами скелета человека всегда имеются упругие элементы в виде мышечных тканей тела и одежды (обуви). Но поскольку деформации этих прослоек под нагрузкой сопровождаются малыми перемещениями, величины ускорений, действующих на тело человека, практически не отличаются от ускорений опоры. При свободном размещении человека на опоре рассмотренные выше типы связей, как правило, являются односторонними, то есть их свойства проявляются только при действии ускорений в одном направлении, а для противоположного направления связь утрачивается. Это проявляется в отрыве человека от опоры с начальной скоростью и кратковременном свободном движении без связей при воздействии только силы земного притяжения.

Необходимо также отметить, что для более детального определения локальных нагрузок нужно рассматривать отдельные части тела человека с учетом существующих между ними внутренних связей. Такими связями следует считать шарнирные соединения в суставах скелета человека (голеностопном, тазобедренном и др.), а также неизменяемые расстояния между отдельными частями тела, поскольку они определяют характер и условия возможных перемещений этих частей (взаимных и общих по отношению к опоре). Например, с учетом указанных связей можно установить зависимость между величинами горизонтальных ускорений и перемещений для отдельных точек тела человека (в положении стоя) при известных параметрах внешнего воздействия. Приближенно указанная зависимость может быть представлена в виде:

,   (5)

где

а4 – ускорение данной точки тела человека;

аon – ускорение опоры;

К(τ) – коэффициент, учитывающий характер нагрузки и время ее действия (τ); для ударных ускорений с τ = 0,04–0,08 сек ориентировочно может быть принято К (τ) = 1.

X4 – перемещение данной точки тела относительно опоры;

Xon – перемещение опоры.

Приведенной зависимостью учтено то важнейшее обстоятельство, что при определенных типах связей действие ускорений, кроме передачи нагрузки на тело человека, проявляется в придании ему соответствующей скорости и перемещении относительно опорной поверхности. Это имеет место при действии ускорений самого различного направления.

Применительно к условиям расположения человека в свободной позе перемещение его тела достаточно точно описывается известным законом движения при заданном значении начальной скорости (отрыва) и действии ускорения силы тяжести:

,                    (6)

где

Y – вертикальное перемещение в момент t;

Vo – начальная скорость.

Величина коэффициента передачи нагрузки и время ее запаздывания зависят от величины и длительности ускорения опоры, положения человека и свойств опорной поверхности. Величина коэффициента передачи нагрузки при положении человека сидя несколько больше, чем при положении стоя.

В начале движения опорной площадки в течение первых 40–50 мсек (на пути 5–6 см) происходит совместное движение площадки и тела испытуемого. В следующий момент движение площадки замедляется, и тело человека теряет связь с опорной поверхностью, продолжая двигаться до соответствующей высоты как свободное тело. Практически примерно в течение 50–60 мсек тело испытуемого находится в крайнем верхнем положении, после чего начинается его свободное падение на опорную поверхность платформы. Наибольшая величина отклонений головы и туловища вперед при действии ускорений в вертикальном направлении наблюдается в положении человека сидя. При этом величина отклонения головы достигает максимального значения примерно через 0,2 сек, а при положении стоя – через 0,1 сек. Как правило, наибольшее отклонение вперед отмечается на пути движения опорной площадки вверх.

При действии горизонтальных ускорений параметры движения тела человека определяются значениями сил реакций связей в зависимости от места и направления приложения этих сил. Характер траектории движения тела зависит от возможных его перемещений при данной позе.

В положении стоя человек приобретает либо поступательное движение параллельно опоре, либо колебательное относительно вертикальной оси тела, соответствующей положению равновесия. Последнее справедливо и в отношении верхней части тела при расположении человека в позе сидя. Однако если в данном случае существует связь с опорой в вертикальной плоскости (спинка стула), то при действии ускорений в направлении спина–грудь человек совершает движение по законам тела, брошенного под углом к горизонту.

С учетом изложенных выше соображений вполне допустимо изучение движения тела человека как механической системы с одной или несколькими степенями свободы. Так, например, условно рассматривая человека как твердое тело, уравнение его плоского движения можно записать в обычном для механики виде:

,    где                                   (7)

х, ɥ, φ – соответственно абсолютные линейные горизонтальное и вертикальное, а также угловое перемещения тела в инерциальной системе координат, то есть в данном случае по отношению к земле;

m – масса тела;

I – момент инерции тела относительно точки вращения;

X, Y и М – соответствующие проекции действующих сил реакции связей и моменты этих сил относительно точки вращения.

Указанные уравнения описывают движение тела как системы с тремя степенями свободы. При выборе определенных характеристик связей и введении обоснованных ограничений на движение тела (уравнение связей) исходные уравнения могут быть соответственно упрощены и решены в замкнутой форме. При этом общность принципиальных выводов не утрачивается.

В качестве примера рассмотрим случай, когда тело обладает возможностью только горизонтальных перемещений. Тогда на основании уравнений (7) будем иметь одно уравнение:

,                                              (8)

описывающее движение системы с одной степенью свободы. В качестве сил реакции связей могут приниматься:

- упругие силы СХ0 (С – жесткость связи, Х0 – перемещение тела относительно точки, связанной с ускоряемой опорой);

- постоянные силы трения;

- силы сопротивления, пропорциональные относительной скорости движения Х0.

Учитывая, что абсолютное перемещение X складывается из переносного перемещения опоры Z и перемещения тела относительно опоры Х0, запишем:

X = Z + X0.                                                                           (9)

Подставляя (9) в (8) и рассматривая все силы реакции связи только как упругие, получим:

(10)

или, преобразуя, имеем:

,     где             (11)

(12)

Выражение (11) представляет собой обычное дифференциальное уравнение вынужденных упругих колебаний системы, обладающей собственной угловой частотой:

ω = 2Пf ,     где

f – циклическая частота в герцах.

Данное уравнение описывает движение тела относительно опоры в результате сообщения ей ускорения Z. Применительно к человеку, рассматриваемому как механическая система, уравнение (11) имеет самое непосредственное отношение, поскольку в целом его тело ведет себя как низкочастотная колебательная система. Частота собственных колебаний тела человека зависит от его позы. При положении стоя на месте она в среднем равна 0,2–0,3 гц, стоя в движении –0,8–1 гц, сидя на стуле –1 –1,5 гц и т. д.

Рассматривая человека как более сложную механическую систему, следует еще учитывать, что отдельные части его тела и органы также обладают собственной частотой колебаний. Так, например, голова относительно плеч – 30 гц, область таза – 4–6 гц, брюшной полости – 4–8 гц и т. д.

При совпадении частотных характеристик внешнего воздействия с частотой собственных колебаний тела или отдельных его частей (органов) действие внешних сил становится особенно чувствительным и опасным для человека. При свободном расположении человека это, как правило, выражается в более быстрой потере устойчивости позы и равновесия в результате значительных перемещений всего тела.

На основании рассмотренных теоретических и экспериментальных исследований воздействия на человека ударных ускорений при расположении его в свободной позе на опорной поверхности можно сделать следующее заключение.

Эффект действия ударных ускорений в этих условиях в первую очередь проявляется в изменении исходной позы и перемещении тела человека относительно опоры. Наибольшие изменения позы человека наблюдаются при выполнении им работы в положении стоя и сидя в случае воздействия горизонтальных перегрузок. Действие в аналогичных условиях вертикальных перегрузок также приводит к общему перемещению тела человека и потере связи с опорой. Степень возникающих изменений зависит от величины, длительности и направления действующих перегрузок. При этом в зависимости от конкретных условий определяющим может быть какой-либо один из „параметров движения опоры (ускорение, скорость, перемещение). Воздействие на человека ударных ускорений в диапазоне величин от 4 до 22 g при исключении соударений с окружающими жесткими предметами переносится человеком в свободной позе стоя и сидя удовлетворительно. По субъективной оценке испытуемых, воздействие ударных перегрузок величиной 8–10 g и более сопровождается общим сотрясением тела человека и локальными болевыми реакциями. Наиболее неблагоприятными по переносимости являются горизонтальные перегрузки в направлении грудь–спина при расположении человека сидя на стуле. При одинаковых величинах ударных перегрузок их переносимость и возможность сохранения позы ухудшаются с увеличением времени действия перегрузок. Перегрузки с меньшим временем действия переносятся значительно лучше. Это свидетельствует о том, что на реакцию человека наряду с другими параметрами существенное влияние оказывает скорость смещения опоры.

Похожие статьи:

  1. Направление перегрузки, вектор перегрузки, терминалогия перегрузок А. В. Иванов, И. А. Цветков Практика авиации, поставив человека...
  2. Основные закономерности реакций организма на действие ударных перегрузок С. А. Гозулов Влияние ударных перегрузок на организм, прежде всего,...
  3. Устойчивость человека к ускорениям и критерии ее оценки Оценка устойчивости организма к действию ускорений зависит от характера выбранного...

автор admin \\ теги: , , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.