ТЕМА 3. Фізіологія рухового апарату людини і раціоналізація трудових процесів, фізіологічні реакції організму людини на трудові навантаження та умови праці

План

1. Загальні відомості про будову рухового апарату людини та його функції.

2. М’язова діяльність і робоча поза працівника.

3. Фізіологічні принципи раціоналізації трудових процесів.

4. Поняття про адаптацію та фізіологічні резерви організму людини.

5. Особливості відновлювальних процесів в організмі працівника після роботи.

 

1). Найбільш загальним проявом життєдіяльності організму, основним засобом пристосування його до зовнішнього середовища є рухова діяльність. Рухи здійснюються за допомогою рухового апарату. Руховим апаратом називається сукупність тканин і органів, які забезпечують переміщення людини у просторі та її активні дії, спрямовані на предмети зовнішнього світу. Руховий апарат людини у процесі праці розглядається, з одного боку, як джерело енергії, а з іншого — як робоча машина, що змінює завдяки рухам предмет праці.

Функціонально до складу рухового апарату входять нервові клітини головного і спинного мозку — мотонейрони та їх аксони, а також кістково-м’язова система.

У складному руховому апараті людини керівну і регулювальну функцію виконує центральна нервова система. Роль кістково-м’язо­вих органів є виконавчою.

Кісткова система, або скелет, складається з 208 кісток, які надають форму тілу, слугують опорою організму і захищають внутрішні органи. Зв’язки і суглоби з’єднують кінці двох кісток і в місцях рухливих з’єднань забезпечують різні рухи кісток. Кістки під час виконання рухів слугують важелями, тобто відіграють пасивну роль.

Активну функцію під час рухів виконують скелетні м’язи, які сухожиллями прикріплені до кісток скелета. Вони складаються з м’язових клітин, які називаються волокнами. У складі кожного м’яза налічується від сотні до десятків тисяч волокон. М’язове волокно має такі властивості:

● збудливість — здатність відповідати збудженням на подразнення;

● провідність — здатність проводити збудження в обидва боки від місця подразнення по всій своїй довжині;

● скорочуваність — здатність під час збудження скорочуватися або змінювати рівень напруження.

За наявності протидії скороченню м’язи розвивають певне напруження, силу, під дією якої кістки змінюють своє положення. Розрізняють червоні і білі м’язові волокна, які відрізняються функціональними властивостями. У червоних волокнах швидкість проведення збудження вдвічі менша, а тривалість збудження в п’ять разів більша, ніж у білих. Тому червоні м’язові волокна називають повільними, або тонічними, а білі — швидкими, або тетанічними.

Скелетні м’язи виконують такі функції:

● переміщують тіло у просторі (ходьба, біг);

● переміщують частини тіла відносно одна одної (рухи ніг, рук, голови);

● підтримують позу тіла.

У м’язах і сухожиллях розміщені рухові рецептори, які збуджуються під час рухів і напружень, сприймають скорочення і розслаблення м’язових волокон.

Основним функціональним елементом рухового апарату є рухова одиниця.

Вона складається з мотонейрона та іннервованих ним м’язових волокон. Аксон, що відходить від мотонейрона, при підході до м’яза розгалужується, утворюючи кінцеві гілочки, кожна з яких за допомогою синапсу з’єднується з м’язовим волокном. Передача збуд­ження з нерва на м’язове волокно викликає його скорочення. Отже, один мотонейрон іннервує цілу групу м’язових волокон.

Кожна рухова одиниця викликає скорочення лише окремих волокон м’яза. Мотонейрони, які іннервують волокна одного м’яза, утворюють мотонейронний пул. Його функція полягає в дозуванні сили скорочення всього м’яза та виборі таких мотонейронів, діяльність яких необхідна в даний момент.

Усі рухові одиниці поділяються на великі й малі. Велика рухова одиниця складається з великого мотонейрона з товстим аксоном, який розгалужується на велику кількість гілочок та іннервує сотні і навіть тисячі м’язових волокон. Мала рухова одиниця складається з маленького мотонейрона з тонким аксоном, що утворює невелику кількість гілочок і, відповідно, іннервує невелику кількість м’язових волокон (усього кілька десятків). Великі рухові одиниці — швидкі, здатні розвивати короткочасно велику силу і виконувати швидкі рухи. Малі рухові одиниці — повільні, розвивають невеликі зусилля і здатні до тривалої роботи.

Наявність різних рухових одиниць забезпечує залучення до роботи тих, участь яких найефективніша, а також сприяє боротьбі з утомою.

Від режиму активності рухових одиниць залежить м’язове напруження. Сама ця активність залежить від частоти імпульсації, що надходить із мотонейрона. Чим більша частота імпульсів, тим більшою є активність рухової одиниці і тим більше напруження виникає в її м’язових волокнах. М’язове напруження здійснюється завдяки погодженню активності різних рухових одиниць. Останні можуть скорочуватися одночасно або почергово. Синхронне скорочення групи рухових одиниць забезпечує більше напруження. У разі асинхронної роботи рухових одиниць підтримується постійність напруження, рухи більш плавні. Тому у процесі праці більшість рухових одиниць працює асинхронно. У разі стомлення вони починають працювати синхронно, що виявляється в порушенні точності рухів, тремтінні рук.

Скорочення м’язів пов’язане з перетворенням хімічної енергії на механічну і теплову. Основними речовинами, які забезпечують скорочення, є білки — актин і міозин, а джерелом хімічної енергії — аденозинтрифосфорна кислота (АТФ), вуглеводи, білки, жири та кисень.

Оскільки м’язи прикріплені сухожиллями до кісток скелета, то під дією м’язової сили останні в суглобах можуть змінювати своє положення.

Переважна більшість робіт виконується м’язами пальців руки, кисті, ліктя, передпліччя; рідше — спини, і ще рідше — ноги. Отже, рука є основним робочим органом людини. Вона являє собою робочий механізм, тобто коли привести її в дію, дає відповідний ефект. Проте робочий механізм людини відрізняється від технічних си­стем, оскільки налічує відносно невелику кількість рухових пристосувань і водночас здатний виконувати найрізноманітніші рухи.

З механічного погляду виконавчий орган рухового апарату людини являє собою сукупність двох ланок, з’єднаних між собою суглобом, які взаємно обмежують рух. Це так звана кінематична пара. Прикладами кінематичних пар є плече-передпліччя, лопатка-плече, стегно-гомілка, які з’єднані відповідно променево-ліктьовим, лопатково-плечовим, колінним суглобами. У суглобах відбуваються різні рухи. Проте окремі суглоби залежно від анатомічної будови мають різні можливості для здійснення рухів. Розрізняють одновісні, двовісні й тривісні суглоби, що відповідає одному, двом і трьом ступеням свободи рухів. Ступінь свободи рухів — це напрям, в якому може рухатися тіло.

Одновісними є плечо-ліктьовий суглоб, міжфалангові з’єднання, в яких можливе переміщення лише в одній площині (згинання-розгинання). До двовісних суглобів належать променево-зап’ястний, плечо-променевий, п’ястно-фаланговий, які мають два ступені свободи рухів (згинання-розгинання, приведення-відведення). Три ступені свободи рухів мають лопатково-плечовий і тазо-стегновий суглоби. У них можливі згинання-розгинання, приведення-відведення, а також кругові рухи навколо поздовжньої осі.

Рука людини побудована з трьох лінійних ланок: плеча, перед­пліччя і кисті. Під час виконання рухів представляє собою відкритий кінематичний ланцюг, який складається з послідовно з’єднаних кінематичних пар. Відкритим він є тому, що має вільний рухливий кінець. У відкритому кінематичному ланцюгу кількість ступенів свободи останньої ланки дорівнює сумі ступенів свободи всіх ланок, які утворюють цей ланцюг. Кисть руки відносно лопатки має сім ступенів свободи, оскільки три ступеня свободи має плечова кістка відносно лопатки; один ступінь свободи має ліктьова кістка відносно плечової; три ступеня свободи має кисть разом з променевою кісткою відносно ліктьової. Практично це означає, що кисть руки в межах довжини верхньої кінцівки має необмежену свободу рухів, оскільки, за законами механіки, абсолютно вільне тіло має шість ступенів свободи (може рухатися в трьох взаємно перпендикулярних напрямах і обертатися навколо трьох взаємно перпендикулярних осей).

Загальна кількість ступенів свободи рухів у людини перевищує сотню.

Рухи в окремих ізольованих суглобах одноманітні. У процесі праці трудові дії являють собою, як правило, складні поєднання рухів у кількох суглобах. При цьому відбувається як чергування, так і одночасне виконання рухів у різних суглобах. Трудові рухи набувають своєї визначеності завдяки тому, що одночасно не використовуються всі наявні ступені свободи, а вибираються лише ті, які відповідають виконанню даного конкретного завдання. Забезпечується ця вибірковість центральною нервовою системою, яка встановлює порядок і послідовність використання рухового апарату, виконуючи координаційну функцію. Надлишкові ступені свободи рухів виключаються процесом гальмування.

Завдяки інтегративній функції центральної нервової системи руховий апарат людини діє як складна саморегульована система. До скелетних м’язів підходять змішані нерви, які мають у своєму складі еферентні, чутливі і вегетативні нервові волокна. Еферентні нервові волокна, передаючи збудження, викликають скорочення або розвиток напруження скелетних м’язів; чутливі — передають до центральної нервової системи інформацію про результати дій, напруження і рухи окремих ланок; вегетативні — про характер обмінних процесів у м’язах, кровообіг. Завдяки такій сигналізації вносяться корективи до виконання рухів, регулюється робота внутрішніх органів.

2). У процесі праці людина виконує різноманітні рухи, пов’язані як з переміщенням предметів і знарядь праці з певною швидкістю та переборенням певної їх протидії, так і з урівноважуванням якоїсь протидії за умови нерухомого положення частин тіла (утримання вантажу, тиск на нерухому поверхню, здавлювання). Режими м’язової діяльності при цьому різні. Розрізняють три такі режими:

● ізотонічний, коли напруження м’яза залишається постійним, а довжина його змінюється (зменшується);

● ізометричний, коли довжина м’яза залишається постійною, а напруження зростає;

● ауксотонічний (змішаний), коли м’яз змінює напруження і скорочується (найпоширеніший).

Робота, при якій напруження м’язів розвивається без зміни їх довжини і без активного переміщення у просторі рухових ланок, називається статичною. Статичні напруження людини у процесі праці пов’язані з підтриманням в нерухомому стані предметів і знарядь праці, а також підтриманням робочої пози.

Залежно від характеру діяльності мускулатури статична робота поділяється на два види:

● статична робота, яка здійснюється шляхом активної протидії силам, що виводять тіло або його частини з рівноваги. Збереження рівноваги досягається внаслідок тетанічного напруження м’язів під дією потужних нервових імпульсів і пов’язане з великими витратами енергії;

● статична робота, при якій тіло, змінюючи позу, знаходить нове положення рівноваги і пристосовується до діючих на нього сил. Така робота забезпечується особливим станом мускулатури — тонусом. При тонусі м’язова робота виконується під дією слабих нервових імпульсів, характеризується меншими затратами енергії і може тривати довгий час.

Робота, при якій напруження м’язів супроводжується зміною їх довжини і переміщенням в просторі тіла або якоїсь ланки рухового апарату, називається динамічною. На відміну від статичної роботи, яка вимірюється часом підтримання м’язового напруження (кгс/с), динамічна робота вимірюється показниками механічної роботи — кілограмометрами (кг · м), тобто має зовнішній ефект.

Водночас більш втомливою є статична робота, оскільки постійне напруження однієї і тієї ж м’язової групи супроводжується зменшенням у ній кровообігу, що не забезпечує своєчасного окислення продуктів розпаду. Під час динамічної роботи м’язові напруження перегруповуються, що сприяє відновленню працездатності м’язів у процесі праці.

Доведено, що напруження при статичній роботі в 5 разів перевищує напруження, викликане динамічною роботою. На відновлення енергії в разі статичної роботи необхідно в 3—4 рази більше часу, ніж у разі динамічної. Тому статичне навантаження, яке виникає при маніпулюванні органами керування, не повинно перевищувати 15% максимального зусилля руки (ноги) за даної робочої пози.

При зусиллях понад 25% від максимального втома настає через 5 хв, а при зусиллях, що перевищують 50% максимального, м’яз витримує статичне напруження не довше як 1 хв.

Динамічна робота — найпоширеніший вид діяльності рухового апарату людини у процесі праці. За сучасних умов науково-техніч­ної революції динамічна робота характеризується швидкими, точними, координованими рухами. Динамічна робота завжди поєдну­ється зі статичною роботою, і при цьому утворюються складні
рухові ансамблі. Наприклад, механізована праця верстатника характеризується координованими динамічними рухами рук і великим статичним напруженням ніг, точністю вимірювань і напруженням зорового аналізатора.

Залежно від об’єму м’язової маси, яка використовується у процесі праці, розрізняють три види робіт:

● локальна, в якій бере участь менш ніж третина м’язів;

● регіональна, коли задіяні від однієї до двох третин м’язів;

● загальна, коли активні більш як дві третини м’язів.

В зв’язку з механізацією та автоматизацією виробництва переважаючими стають локальні та регіональні м’язові навантаження на працівника. Проте в народному господарстві все ще застосовується важка фізична праця із загальними м’язовими навантаженнями.

Науково-технічний прогрес зумовлює такі особливості рухової діяльності працівників, як обмеження загальної рухливості, збільшення статичних напружень, одноманітність робочих операцій і рухів, що породжує монотонність праці. Обмежена рухова активність (гіподинамія) негативно впливає на діяльність усіх органів і систем людського організму, призводить до швидкої втоми і слабості, тоб­то комплексу зрушень, названих гіпокінетичною хворобою.

Зменшення негативних наслідків впливу цих факторів на організм працівника досягається завдяки раціоналізації робочої пози і робочого місця, трудового процесу і трудових рухів.

Робоча поза — це основне положення тіла працівника в просторі. Зручна робоча поза має забезпечувати стійкість положення корпуса, ніг, рук, голови працівника під час роботи, достатній обзір робочого місця, свободу дій і швидку зміну робочих рухів, зручність для розвитку необхідних м’язових зусиль, мінімальні затрати енергії та максимальну результативність праці. Раціональна робоча поза має важливе значення для збереження здоров’я працівника, оскільки тривале перебування його в незручній і напруженій позі може призвести до таких захворювань, як сколіоз (викривлення хребта), варикозне розширення вен, плоскостопість тощо. Установлено, що робота в зігнутому положенні збільшує затрати енергії на 20%, а при значному нахиленні — на 45% порівняно з прямим положенням корпуса. Зігнута поза, так звана поза «навпочіпки» відноситься до незручних поз. Зручною вважається робоча поза, яка відповідає характеру виконуваної роботи і вимогам гігієни та фізіології праці.

Зручність робочої пози залежить від положення центра ваги тіла, площі опори і тонічних напружень м’язів. Регулюється поза нервовими імпульсами домінуючого рефлексу і постійно змінюється у процесі праці.

Найпоширенішими у процесі праці є пози стоячи і сидячи.

Робоча поза стоячи більш втомлива, ніж сидячи. На одну й ту саму роботу вона вимагає на 10% більше затрат енергії працівника. Це зумовлено тим, що площа опори у позі стоячи менша, ніж в позі сидячи, а центр ваги міститься вище, що вимагає для її підтримання певного напруження м’язів навколо суглобів, тоді як у позі сидячи стійкість тіла висока. Проте тривале перебування працівника в незмінній, навіть і раціональній, позі втомливе, оскільки статично напружені одні й ті самі м’язові групи. Так, під час роботи стоячи велике статичне навантаження припадає на м’язи ніг, спини, таза, яке значно зростає під час підняття та перенесення вантажу. Постійне перебування в позі стоячи призводить до підвищення артеріального і венозного тиску крові, розширення вен на ногах, пошкодження ступнів, викривлення хребта. Під час роботи сидячи нижня частина корпуса розслаблена, а основне статичне навантаження припадає на м’язи шиї, спини, таза, стегон. Неправильна поза сидячи може викликати застій крові в ногах, а за великого обсягу роботи для пальців рук — запалення суглобів.

Водночас кожна з робочих поз має свої переваги. Так, робоча поза стоячи забезпечує працівникові максимальний обзір робочої зони, переміщення, доступність до віддалених органів керування, можливість розвивати великі м’язові зусилля. У позі сидячи забезпечується найбільша точність і швидкість рухів.

При розв’язанні практичних завдань щодо раціоналізації робочої пози необхідно враховувати такі фізіологічні вимоги:

● зменшувати величину статичних напружень м’язів;

● розподіляти статичні напруження так, щоб основна їх частина припадала на потужнішу мускулатуру;

● більше використовувати робочі пози сидячи та перемінну.

Однак вибір робочої пози залежить від багатьох факторів, врахування яких і визначає її раціональність в конкретних виробничих умовах. Основні з них — маса оброблюваної деталі, величина зусиль, розміри робочої зони, співвідношення між висотою робочої поверхні і ростом працівника, точність рухів, особливості трудового процесу, які зумовлюють рухливість під час роботи.

Так, роботи, які вимагають значних м’язових зусиль і рухів з великою амплітудою, швидше виконуються стоячи. За малого діапазону рухів, невеликих зусиль і точних дій більш доцільна поза сидячи (табл. 1).

Таблиця