Основные физиологические характеристики трудовой деятельности

Физиология труда Физиология труда изучает изменения функционального состояния организма человека в связи с трудовым процессом и условиями среды, в...

Физиология труда изучает изменения функционального состояния организма человека в связи с трудовым процессом и условиями среды, в которых он проводится. Целью этого изучения является изыскание мер по повышению работоспособности человека, сохранению ее на высоком уровне в течение длительного времени и предупреждению утомления. Для этого физиология труда разрабатывает физиологические основы рациональной организации трудовых процессов, режима труда и отдыха, рационализации рабочего места и др.

Физиология труда является разделом гигиены труда и в то же время разделом общей физиологии человека.

Основные понятия физиологии труда

Труд и работа. Маркс определил труд как целесообразную деятельность для создания потребительных стоимостей. Являясь социальной категорией, труд определяется социально-производственными отношениями общества.

В отличие от труда рабочих в капиталистическом обществе, где он обычно является только средством существования, общественное значение труда рабочих, крестьян впервые в истории раскрывается при социализме. При социализме создаются условия для превращения труда в первую жизненную необходимость человека, при коммунизме он перейдет в потребность добровольно и по своим склонностям трудиться на благо общества.

Физиология труда и работоспособность

Изменения функционального состояния организма в процессе труда в известной мере зависят от социальных условий, но непосредственно обусловливаются выполняемой при этом работой.

Понятие «работа» можно рассматривать с физической и физиологической точек зрения.

С физической точки зрения работа — мера внешнего воздействия: на тело, которая количественно характеризует переход одной формы энергии в другую. Измеряется она произведением силы, действующей на тело, на пройденный путь (при прямолинейном пути) и на косинус-угла между направлениями силы и движения и выражается в килограммометрах, эргах, джоулях, электрон-вольтах. Эти единицы пригодны, для измерения лишь простейшей мышечной работы человека.

Различают три вида мышечной работы: динамическую положительную, при которой производится перемещение груза в направлении, противоположном действию силы тяжести (подъем груза) и перемещение по горизонтали, динамическую отрицательную, когда движение производится в направлении силы тяжести (опускание груза); статическую, при которой перемещение груза не производится, а мышечное усилие направлено на поддержание его или обеспечение связанного с работой положения тела человека.

Определение механической работы в килограммометрах возможно только при динамической положительной работе, при статической же работе величина пути равна нулю, а при динамической отрицательной работе эта величина отрицательная.

Исторически сложившееся деление на физический и умственный! труд с физиологической точки зрения условно. Никакая мышечная деятельность невозможна без участия центральной нервной системы, регулирующей и координирующей все процессы в организме. В то же время нет такой умственной работы, которая не сопровождалась бы мышечной деятельностью.

Физиология возбудимых тканей|Потенциал действия|Потенциал покоя

Различие трудовых процессов при их осуществлении проявляется лишь в преобладании деятельности мышечной или центральной нервной системы. Уже сейчас, в связи с механизацией и автоматизацией производственных процессов, физическое напряжение в трудовой деятельности играет все меньшую роль, и значительно возрастает роль высшей нервной деятельности. В коммунистическом обществе останутся лишь несущественные различия между физическим и умственным трудом.

В настоящее время, в период незавершенной механизации и автоматизации производственных процессов, можно наблюдать различные формы трудовой деятельности (по М. И. Виноградову).

Труд, характеризующийся значительным мышечным напряжением. К нему можно отнести работу землекопа, грузчика, кузнеца, молотобойца вручную и многие другие еще не механизированные процессы. Энергетические затраты рабочих этих профессий достигают 4000—6000 ккал в сутки. Такие работы, как массовая форма труда, в связи с техническим прогрессом уже в ближайший период несомненно исчезнут и будут включаться лишь как элементы индивидуального труда при отсутствии средств механизации.

Труд при механизированных производственных процессах. Различные формы механизированного труда широко распространены во всех отраслях промышленности. В основном это так называемые станочные работы.

Они характеризуются незначительным мышечным напряжением, участием в основном дистальных звеньев, а не проксимальных мелких мышц, поскольку при механизированном труде усилия мышц направлены главным образом на обеспечение скорости и точности движений, необходимых для управления механизмами. Энергетические затраты при этой форме труда не превышают 3000— 4000 ккал в сутки. Механизированные формы труда в ряде случаев характеризуются монотонностью, например, при обработке одной и той же детали на станке.

Труд при полуавтоматических и автоматических производственных процессах. При полуавтоматическом производстве человек не принимает участия в обработке предмета труда, его роль ограничивается обслуживанием станка (подача материала на станок, пуск в ход механизма, извлечение обработанной детали и т. д.). Характерна для данного вида труда монотонность. К таким работам можно отнести, например, штамповку при массовом производстве.

При автоматическом процессе участие человека сводится к управлению механизмами и регулированию их работы, что требует высокой квалификации и тем самым приближает рабочих к инженерно-техническому персоналу. Такого рода труд, например, выполняет наладчик поточной автоматической линии, в обязанности которого входит быстрое и точное исправление неполадок в механизмах, обеспечение нормального хода их. Наладчик всегда находится в состоянии так называемого «оперативного покоя» (по А. А. Ухтомскому). Длительный период «оперативного покоя» в ожидании сигнала к действию может привести к парабиотическому торможению в нервных центрах.

Одновременное управление многими автоматами требует участия высших кортикальных центров по переработке получаемой информации и быстрого решения возникающих задач.

Труд с дистанционным управлением. Возникновение этих форм труда обязано своим развитием механизации и автоматизации производственных процессов. С физиологической точки зрения различают два вида дистанционного управления: управление, требующее частых активных действий работающего, и управление, связанное с редкими действиями его.

В первом случае функциональное состояние человека характеризуется напряжением внимания, часто прерывающимися активными двигательными или двигательно-речевыми действиями; во втором случае работающий находится в состоянии готовности к действию, его реакции немногочисленны. Если к оператору поступает разнообразная информация без длительных перерывов ожидания, то оператор включается в систему управления как составное ее звено.

При менее автоматизированном управлении участие его больше. Примером может служить деятельность крановщика. Программирование его действия определяется раздражителями, поступающими в зрительный или слуховой анализатор; сенсорное поле в пульте управления отсутствует. На следующем этапе развития форм дистанционного управления пульт приобретает характер сенсорного поля, предмет труда исчезает из поля зрения оператора и заменяется закодированными сигналами.

Целесообразно строить классификацию пультов управления по степени сложности перекодирования сигналов, т. е. процесса, лежащего в основе переработки информации. Наиболее простой тип кодирования — прямое показание к действию. Например, показание стрелки манометра о повышении давления пара в котле требует немедленного его снижения. Различной сложности, часто значительной, оказывается кодирование, требующее выбора правильного решения из ряда возможных, заложенных в программе производственного процесса. Примером может служить деятельность диспетчеров на транспорте.

Дальнейшее развитие форм дистанционного управления с точки зрения физиологии должно быть направлено на исключение человека из процесса управления и перевод его на роль наблюдателя за автоматизированным процессом. При необходимости наблюдатель должен вмешаться в работу автоматов. Регулирование автоматического процесса должно быть включено непосредственно в систему автоматизации.

Умственный труд. Можно выделить две основные формы умственной деятельности: профессии в области материального производства (конструкторы, проектанты, инженеры-технологи, организаторы, техники, мастера, диспетчеры, операторы и др.) и профессии вне материального производства, как, например, ученые, работники в области прикладных знаний (врачи, учителя) и в области литературы и искусства (писатели, художники, артисты и др.).

  • Центрально-нервная регуляция трудовой деятельности человека
  • Химия и энергетика мышечного сокращения
  • Источники энергии мышечного сокращения, энергетические затраты
  • Динамика потребления кислорода человеком в покое и при работе
  • Затраты энергии при различных видах работы, оценка энергетических данных

Функциональные изменения отдельных органов и систем при работе

  • Изменения крови
  • Изменения дыхательной деятельности
  • Изменения сердечно-сосудистой деятельности
  • Изменения деятельности центральной нервной системы
  • Утомление
  • Меры повышения работоспособности и предупреждения утомления
  • Физиология умственного труда

Гигиена труда

  • Физиология труда
  • Метеорологические условия на производстве
  • Производственное излучение
  • Атмосферное давление
  • Механические колебания (вибрация, шум, ультразвук)
  • Производственная пыль
  • Производственные яды
  • Канцерогенные вещества в промышленности
  • Профессиональные инфекции и инвазии
  • Гигиена труда женщин и подростков
  • Производственная вентиляция
  • Производственное освещение
  • Гигиенические требования к устройству и содержанию промышленных предприятий
  • Средства индивидуальной защиты
  • Гигиена труда в отдельных производствах

Источник: www.stroitelstvo-new.ru

ТРУДОВАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ОРГАНИЗМА. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ПРИ РАБОТЕ

Еще до начала работы в организме наблюдаются условно рефлекторные функциональные сдвиги, заключающиеся в повышении обмена веществ, в учащении пульса и дыхания. При этом условными раздражителями являются производственная обстановка и время.

В центральной нервной системе при физической и умственной работе усиливаются процессы рабочего возбуждения, о чем можно судить по улучшению условно-рефлекторной деятельности и повышению восприимчивости органов чувств — анализаторов. Одновременно углубляются и процессы торможения, благодаря чему между этими основными нервными процессами сохраняется равновесие. При относительно легкой работе подобное состояние может сохраниться в течение всего рабочего дня, а при тяжелой или напряженной работе с определенного момента условно рефлекторная деятельность снижается и в коре головного мозга начинают преобладать процессы охранительного торможения (снижается величина условных рефлексов, удлиняется их латентный период, уменьшается скорость зрительно-моторной реакции и т.п.).

Под влиянием нервных импульсов, притекающих из центральной нервной системы, в мышцах происходят характерные для них биохимические и биофизические процессы, вызывающие сокращение мышц. Увеличение потребности работающих мышц в кислороде и в питательных веществах ведет к тому, что при физическом труде заметно усиливается деятельность многих физиологических систем организма. Значительные сдвиги происходят в работе сердечно-сосудистой системы: учащаются сокращения сердца; пульс с 60—70 в минуту в покое учащается при некоторых видах работы до 90— 150 и больше. Увеличивается и систолический объем сердца. В результате минутный объем крови, выбрасываемой сердцем, возрастает с 3—5 до 30—40 л. На 5— 30 мм рт. ст. может повыситься максимальное артериальное давление.

По окончании работы наступившие в организме изменения проходят не сразу. Некоторое время еще обнаруживаются учащенные дыхание и пульс. Время от момента окончания работы до возвращения организма к первоначальному состоянию называют восстановительным периодом. Восстановительный период обусловлен накоплением в работающих органах недо-окисленных продуктов обмена.

Счет пульса— простой и доступный метод контроля за состоянием работающего во время физической работы и за течением восстановительных процессов во время отдыха. Если при легких видах труда через 2—4 мин по окончании работы пульс возвращается к норме, то при тяжелых восстановление исходной частоты пульса затягивается до 60—70 мин.

Характер кривой работоспособности в течение рабочего: вначале работоспособность постепенно повышается (период врабатывания), достигает максимума через 1 — Р/г ч и держится на этом уровне тем дольше, чем легче выполняемая работа и чем лучше она организована (период высокого уровня работоспособности). Если работоспособность снизилась (период утомления), то после обеденного отдыха она снова возрастает и может достигнуть прежнего максимума. При сильном утомлении или недостаточной продолжительности отдыха этого не происходит. Чем тяжелее работа, тем сильнее выражено снижение работоспособности к концу рабочего дня (период утомления).

Утомление организма наступает в результате тяжелой, напряженной или длительной работы. Оно характеризуется временным понижением работоспособности и, как правило, ощущением усталости. При утомлении организма могут ухудшиться самочувствие, снизиться внимание и интерес к работе, нарушиться координация движений, возникнуть сердцебиение, одышка, неприятные и даже болезненные ощущения в напряженно работающих мышцах.

Утомление — сложный физиологический процесс, начинающийся в высших отделах нервной системы и распространяющийся на все системы организма (И. М. Сеченов).

О ведущей роли функционального состояния центральной нервной системы в развитии утомления свидетельствуют всем известные факты благоприятного воздействия на работоспособность эмоционального подъема, музыки, песни. После соответствующего отдыха утомление проходит и работоспособность организма восстанавливается.

Возникающее в связи с утомлением субъективное ощущение усталости является сигналом о необходимости отдыха, так же как ощущение жажды свидетельствует о недостатке в организме воды. Несоблюдение рационального режима труда и невнимательное отношение к чувству усталости приводят к накоплению утомления, к так называемому переутомлению.

Переутомление рассматривают как патологическое состояние, наступающее в тех случаях, когда при тяжелой или длительной работе оной нервной системе обнаруживаются явления перевозбуждения (недостаточное охранительное торможение), в результате чего отмечаются плохое самочувствие, повышенная раздражительность, бессонница. Переутомление может привести к неврозам, обострению сердечнососудистых заболеваний, гипертонической, язвенной болезни. При переутомлении снижаются защитные силы организма. Для ликвидации переутомления необходимы продолжительный отдых, а иногда и лечебные мероприятия.

Значительное утомление чаще всего является следствием неправильной организации трудового процесса, выполнения работ, требующих большого нервно-психического напряжения и больших энергетических затрат, или работ, связанных с интенсивной деятельностью сравнительно небольшой группы мышц, неудобной рабочей позой. Утомлению способствует плохая организация отдыха в нерабочее время, пренебрежение к гигиеническим требованиям как на производстве, так и в быту, невнимание к физической культуре. С позиций практики важно иметь классификацию работ по тяжести (в основном для физического труда) и напряженности (для труда с нервно-психическим напряжением).

Любой вид трудовой деятельности представляет собой чрезвычайно сложный комплекс физиологических процессов, в котором фактически участвует организм в целом. Важнейшую роль в данном отношении, несомненно, играет центральная нервная система, осуществляющая координацию функциональных сдвигов, развивающихся при работе.

При этом кора головного мозга анализирует сигналы, поступающие из внешней среды, вырабатывает и закрепляет необходимые условные рефлексы, тормозит лишние рефлекторные связи и объединяет их в единую систему рабочего динамического стереотипа. Как известно, в состав мышцы входят специфические белки (актин миозин), липиды, гликоген, минеральные соли и фосфорсодержащие органические соединения в виде фосфорил-креатинина (ФК) и аденозинтрифосфата (АТФ), последний и служит основным энергетическим субстратом.

При анаэробном разрыве содержащихся в нем связей освобождается энергия, используемая белковыми структурами миофибрилл для своей перестройки, выражающейся в мышечном сокращении. Фосфорилкреатинин также имеет высокоэнергетические связи, причем энергия, получающаяся при их распаде, очевидно, потребляется для ресинтеза АТФ, запасы которого в мышцах весьма ограничены.

Однако основную роль в указанном отношении, несомненно, играют углеводы и жирные кислоты, причем сам распад глюкозы может происходить как при наличии, так и при отсутствии кислорода (до стадии молочной кислоты). Этот анаэробный распад углеводов (гликолиз) обеспечивает возможность работы мышц как бы в кредит при необходимости срочною получения большого количества энергии. В дальнейшем образовавшаяся кислородная задолженность должна быть ликвидирована, причем часть молочной кислоты (примерно 7з- ‘/4) окисляется до конечных продуктов, а остальное ее количество восстанавливается в гликоген. Величина этой задолженности определяет в известной мере длительность изменения газообмена после окончания работы, т. е. в продолжении так называемого восстановительного периода.

Как уже указывалось, в процессе мышечной деятельности наблюдаются существенные функциональные сдвиги в других системах и органах нашего тела. Это прежде всего выражается в повышении объема легочной вентиляции (до Ы)-80 л/мин) обусловливаемом как учащением, так и углублением дыхания, причем у тренированных лиц явно преобладает последнее.

Аналогичные изменения отмечаются и со стороны сердечно-сосудистой системы, где физическая нагрузка вызывает возрастание минутного объема (до 30-40 л) за счет учащения сокращений и увеличения ударного объема сердца.

Кроме того мышечная работа вызывает, как правило, известное возрастание максимального артериального давления, иногда доходящее до 250 мм рт. ст., минимальное же обычно повышается только при сравнительно больших физических усилиях.

В начале восстановительного периода отмечается довольно быстрое снижение частоты дыхания и пульса. Однако в дальнейшем возвращение их к исходному уровню происходит значительно медленнее, запаздывая по сравнению с газообменом (рис. 42).

При этом длительная задержка в нормализации пульса может свидетельствовать или о недостаточной грони-рованности организма, или о патологическом состоянии сердечно-сосудистой системы. Из биохимических изменений крови обращает на себя внимание динамика сахарной кривой. При работах средней тяжести уровень сахара несколько повышается, что сохраняется некоторое время и в восстановительном периоде. При очень значительных затратах энергии возможна и гипокликемическая реакция, свидетельствующая о начинающемся истощении углеводных резервов организма.

Резкое возрастание содержания молочной кислоты, сопровождаемое падением резервной щелочности крови, также наблюдается при тяжелых работах, проводимых в условиях кислородной задолженности. Длительные же физические усилия умеренной мощности вызывают обычно только первоначальное ее увеличение.

Вместе с тем в результате нарастания концентрации водородных ионов может ускоряться диссоциация оксигемоглобина, повышаться напряжение кислорода в плазме кропи и скорость его перехода в ткани

Известные изменения отмечаются со стороны водно-солевого обмена, особенно у рабочих горячих цехов и при выполнении тяжелой физической работы. При этом значительное потоотделение в состоянии обусловить снижение выделительной функции почек. Что касается влияния мышечной нагрузки на процессы пищеварения, то оно может сказываться в торможении секреторной и моторной функции желудка, в замедлении переваривания и всасываемости пищи.

Наконец, трудовая деятельность вызывает ряд сдвигов со стороны различных отделов центральной нервной системы и сопровождается расходом энергетических ресурсов клеток коры головного мозга. Если же усиленный распад АТФ преобладает над процессом его ресинтеза, то это может обусловливать развитие охранительного торможения.

Установлено также, что тяжелая физическая нагрузка в состоянии нарушать образование условных рефлексов, понижать корковую возбудимость и повышать порог чувствительности зрительного, слухового и тактильного анализаторов. Напротив, умеренная работа может улучшать вес указанные показатели.

Источник: vuzlit.com

«Лёгкость» рук. Физиологические характеристики тяжести труда. Г. В. Федорович (№4, 2016)

В работе рассмотрены физиологические характеристики физического перенапряжения пригодные для нормирования тяжести труда. Правильная оценка вредных факторов необходима для выбора оптимальных способов решения проблем с охраной труда на производстве. В качестве меры, выражающей уровень физической активности используется метаболический эквивалент МЕТ.

Описаны методы измерения МЕТ – прямая и непрямая калориметрия. В качестве надежного и сравнительно несложно измеряемого показателя тяжести физической нагрузки предложено использовать частоту сердечного ритма HR. Ее можно использовать для обоснования нормирования уровней физической активности на производстве. С этой точки зрения сравниваются основные нормативные документы в нашей стране и за рубежом (в США).

Ключевые слова: расход энергии, физическая активность, сердечно-сосудистые эффекты, частота сердечных сокращений, предельная работа, окружающая среда, усталость, прогностические соотношения

Physiological characteristics of the occupational exertion

Ph.D., Technical director, NTM Ltd

In the paper the physiological characteristics of the physical overexertion are considered as the most suitable for the valuation of work severity Proper assessment of hazards is necessary to select the best ways to solve the problems with occupational safety in the workplace. As a measure expressing the physical activity level metabolic equivalent MET is used. In the paper methods of measurement MET — direct and indirect calorimetry — are described. The heart rate (HR) is proposed to use as a reliable and relatively easily measured indicator of the severity of exercise . It can be used to justify the valuation levels of physical activity in the workplace. From this point of view, the basic regulations in our country and abroad (in the US) are compared.

Keywords: energy expenditure, physical activity, cardiovascular effects, heart rate, work limit, work environment, fatigue, prediction equations

Введение

Профессиональные заболевания (далее – ПЗ) возникают в результате воздействия на организм неблагоприятных факторов производственной среды. Патология опорно-двигательного аппарата (особенно связанная с перенапряжением и микротравматизацией) в последнее время составляет значительную часть всех ПЗ.

Относительно высокая распространенность ПЗ опорно-двигательного аппарата, связанных с перенапряжением, наблюдается в целом ряде отраслей народного хозяйства: горнорудной, угольной, машиностроительной, электротехнической, лесозаготовительной, деревообрабатывающей промышленности, на строительных и сельскохозяйственных работах и т. д. [1]. Несмотря на повсеместное внедрение механизации и автоматизации, не только на мелких, но даже и на крупных предприятиях имеется немало профессий, где ручной труд в той или иной степени применяется и до настоящего времени и где работа сопровождается значительным физическим напряжением. По мере уменьшения доли тяжелого физического труда стали преобладать ручные операции с локальными статическими усилиями при вынужденной рабочей позе и частых однотипных движениях. Вынужденное положение тела во время работы, монотонность производственного процесса, его неравномерный ритм; выполнение быстрых однотипных движений, перенапряжение отдельных мышечных групп, неправильные и нерациональные с точки зрения физиологии приемы работы, давление и трение инструментов или изделий о части тела человека – все перечисленные вредные производственные факторы (далее – ВПФ) способствуют физическому перенапряжению и развитию ПЗ.

Интенсивность мышечной работы принято обозначать термином «тяжесть труда». Несмотря на высокую распространенность ПЗ опорно-двигательного аппарата, вопросам нормирования тяжести труда уделяется явно недостаточное внимание. Действующая сейчас в нашей стране структура нормирования тяжести труда была сформулирована двадцать лет назад в документе [2].

В качестве определения выбрано: «Характеристика трудового процесса, отражающая преимущественную нагрузку на опорно-двигательный аппарат и функциональные системы организма (сердечно-сосудистую, дыхательную и др.), обеспечивающие его деятельность». Для целей нормирования тяжесть труда определяется через эргометрические показатели: физическую динамическую нагрузку, массу поднимаемого и перемещаемого груза, общее число стереотипных рабочих движений, величину статической нагрузки, характер рабочей позы, глубину и частоту наклона корпуса, перемещения в пространстве. Отнесение тяжести труда к оптимальному, допустимому или вредному классу по каждому из применяемых показателей производится на основе сравнения данных, получаемых при исследовании условий труда, с данными оценочной таблицы.

Важным обстоятельством является то, что нередко напряжение опорно-двигательного аппарата в процессе работы сочетается с другими неблагоприятными производственными факторами — вибрацией, охлаждением и пр. Подобное сочетание оказывает существенное усугубляющее влияние на клиническую картину этой группы ПЗ, однако, никак не отражается в нормах по тяжести труда.

Возможно, неопределенность, противоречивость и сложность использующихся понятий привели к тому, что в последнем по времени НПА гигиенического нормирования [5] тяжесть труда как ВПФ не рассматривается вообще. Это обстоятельство чревато неприятными последствиями для охраны труда (далее – ОТ) работников. Например – ослаблением стимулов к надлежащей организации работ по ОТ и технике безопасности на производственных предприятиях.

Перечисленные проблемы рассмотрены ниже в свете современных представлений о физиологических эффектах тяжелого труда и о возможностях их измерения.

Физическую активность организма можно характеризовать интенсивностью энерговыделения EE (Energy Expenditure). В условиях умственного и физического покоя интенсивность основного (базального) метаболизма обусловлена постоянно активным состоянием, в котором находятся мозг, сердце, дыхательная мускулатура, печень и почки.

Средняя ЕЕ у взрослого может быть принята равной 1800 ккал в сутки, что соответствует мощности ЕЕo ≈ 90 Вт. В общем случае скорость полного энерговыделения ЕЕпол за счет всех источников (химических процессов и мышечной деятельности) отличается от основного обмена на величину дополнительной энергии ЕЕдоп, связанной с мышечной деятельностью: ЕЕпол = ЕЕo + ЕЕдоп . Лишь некоторая часть энергии химических превращений используется на синтез АТФ и лишь часть энергии распада АТФ идет непосредственно на мышечное сокращение. Основная часть дополнительной энергии ЕЕдоп рассеивается в виде тепла. Механическая мощность, развиваемая мышцами ЕЕмех составляет долю η = ЕЕмех / ЕЕдоп , которую условно можно назвать «коэффициентом полезного действия» мышц. Величина η меняется от человека к человеку, зависит от общего состояния организма и вида механической работы. Для ходьбы и бега (с небольшой скоростью) η ≈ (20 – 30) % , для поднятия и переноса тяжестей η ≈ (10 – 15) % При оценках можно принимать η = 20 % [6]

Интерес гигиенистов к энергетике физической активности человека изначально был связан с определением комфортных микроклиматических условий на производстве [7]. Была введена категоризация работ на основе интенсивности энергозатрат организма. К категории I были отнесены работы с энерговыделением до 150 ккал/час (до 175 Вт).

Это легкие работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой. Категория II – это работы с интенсивностью энергозатрат до 250 ккал/ч (до 290 Вт), связанные с ходьбой, перемещением и переноской тяжестей до 10 кг и сопровождающиеся умеренным физическим напряжением. Работы с интенсивностью энергозатрат более 250 ккал/ч (более 290 Вт), связанные с постоянными передвижениями, перемещением и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей и требующие больших физических усилий относятся к категории III. Позже эта категоризация физической активности была перенесена в СанПиН [8].

В гигиенических исследованиях физическая активность измеряется в метаболических эквивалентах – специфических единицах МЕТ (Metabolic Equivalent of Task), которые являются физиологической мерой, выражающей энергетическую величину физической активности. Так как вначале эти исследования относились к теплообмену организма с окружающей средой, величина МЕТ определялась как скорость ЕЕ, отнесенная к площади поверхности тела человека.

В дальнейшем, однако, с расширением области использования этих величин, ЕЕ стали относить к весу W тела. Так определенная величина позволяет точнее сопоставлять энергетические затраты для лиц разного веса. В качестве единицы MET вначале принимался уровень метаболизм покоя (спокойное сидение, сон) равный ≈ 0,9 ккал/час/кг. В настоящее время единица МЕТ округлена до 1 ккал/час/кг (≈ 1,16 Вт/кг). Тем самым MET можно рассматривать как отношение ЕЕ во время активной деятельности к ЕЕ в состоянии покоя. Так как МЕТ и ЕЕ выражаются в различных единицах, для вычисления МЕТ через ЕЕ следует использовать соотношение

MET[ккал/кг/час] =1,163* EE[Ватт]/W[кг] (1)

Здесь и ниже в квадратных скобках при обозначении переменных указываются единицы измерения этого параметра.

Невозможно непосредственно определить обмен энергии в мышечных волокнах. Множество косвенных лабораторных методов позволяют определить интенсивность и расход энергии в покое и при выполнении физической нагрузки. Многие из этих методов применяются с начала прошлого века, другие лишь совсем недавно стали использоваться в исследованиях физиологии мышечной деятельности.

Первоначально определение общего расхода энергии за день осуществлялось на основании тщательной регистрации потребления пищи в течение нескольких дней, а также измерений изменений в составе тела за этот период. Этот метод, несмотря на широкое применение, был ограничен способностью человека вести точную регистрацию и точно определять расход энергии мышечной деятельности.

Как уже отмечалось, только 20 — 30 % энергии, высвобождающейся при метаболизме глюкозы и жиров, идет на образование АТФ. Остальные 80 — 70 % превращаются в тепло, поэтому интенсивность и количество освобождаемой энергии можно определить, измерив образующееся тепло. Этот метод называется прямой калориметрией. Калориметр представляет собой полностью изолированную камеру.

Человек помещается в нее, регистрируется тепло, выделяемое его телом. Используя суммарные показатели, можно количественно оценить метаболизм. Преимуществом калориметров является то, что они непосредственно измеряют тепло. Однако, для получения достоверных результатов исследования должны проводиться в лаборатории и длиться довольно долго. Именно методами прямой калориметрии было установлено уравнение Харриса-Бенедикта, определяющее базальную скорость метаболизма (BMR[ккал/день]) в зависимости от пола, возраста Age[годы], веса W[кг] и роста H[см] человека.

BMR = 88.362 + 13.397* W[кг] + 4.799* Н[см] — 5.677*Age[годы]

BMR = 447.593 + 9.247* W[кг] + 3.098* Н[см] — 4.330*Age[годы]

Хотя калориметр позволяет точно определить общий расход энергии, тем не менее он не дает возможности проследить за быстрыми изменениями в высвобождении энергии. Кроме того, такие исследования очень дороги. Именно поэтому энергетический обмен во время интенсивной нагрузки нельзя изучать с помощью калориметра. Метод прямой калориметрии редко используется в современных исследованиях. К настоящему времени разработано множество косвенных лабораторных методов, которые позволяют определить интенсивность и расход энергии в покое и при выполнении физической нагрузки.

Скорость метаболизма определяется потреблением О2, образованием СО2 и воды. Интенсивность обмена О2 и СО2 в легких обычно равно тому их количеству, которое используется и выделяется тканями тела. Зная это, можно определить расход энергии, количество измерив состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Этот метод называется непрямой калориметрией, поскольку образование тепла измеряется косвенно, на основании дыхательного газообмена СО2 и О2.

Прибор для измерения скоростей образования СО2 и потребления О2 представляет собой маску, соединенную с газоанализатором. Несмотря на то, что он несколько громоздок и ограничивает движения, его можно использовать в различных условиях: в лаборатории, на производстве и т.д.

Для приближенной оценки количества энергии, расходуемой организмом, достаточно определить скорость потребления кислорода. Однако, для более точной оценки необходимо знать, что именно используется в окислительных процессах в качестве субстратов: углеводы, жиры или белки. Содержание углерода и кислорода в глюкозе, свободных жирных кислотах и аминокислотах очень отличается.

В результате этого количество кислорода, используемого в процессе метаболизма, зависит от окисляемого субстрата. Метод непрямой калориметрии позволяет определить относительное количество потребляемого кислорода (VO2) и выделяемого углекислого газа (VCO2). Соотношение этих двух величин называется дыхательным коэффициентом. Он изменяется в зависимости от субстрата, используемого для образования энергии, соответственно – дает возможность более точно оценивать интенсивность метаболизма.

В настоящее время, определение энергозатрат в покое и во время физической нагрузки основывается на измерении потребления организмом кислорода и его калорического эквивалента. Если в покое человек потребляет 150-300 мл кислорода в минуту, то при тяжелой физической работе потребность в кислороде может возрасти в 10-15 раз. Калорический эквивалент равен ≈ 4,80 ккал на литр потребляемого кислорода.

Это обстоятельство позволяет связать величину МЕТ со скоростью потребления кислорода. Единица метаболического эквивалента соответствует потреблению 3,5 мл кислорода в минуту на каждый килограмм веса. Скорость потребления кислорода обозначается как VO2 и измеряется в единицах л/мин.

Таким образом, величина МЕТ непосредственно связана с VO2 соотношением

МЕТ[ккал/кг/час] = VO2[л/мин] /W[кг] /0,0035 (2)

Выражение интенсивности физической работы в показателях потребления кислорода является не только точным, но и наиболее подходящим при обследовании как различных людей, так и одного и того же человека в разных условиях.

Развитие методов непрямой калориметрии, в частности – замена тепловых измерений на измерения потребления кислорода, привела к попыткам оценить интенсивность метаболизма через измерение частоты сердечного ритма HR (Heart Rate). Это наиболее просто регистрируемая и достаточно информативная характеристика работы сердечно-сосудистой системы. Измерение его включает определение пульса, обычно в области запястья или сонной артерии.

Средняя HR в покое составляет 60 — 80 ударов в минуту (далее – мин -1 ). У малоподвижных людей среднего возраста HR в покое может превышать 100 мин -1 . У подготовленных спортсменов, занимающихся видами спорта, требующими проявления выносливости, HR в покое составляет 28 — 40 мин -1 . HR обычно снижается с возрастом.

С началом выполнения работы HR быстро возрастает пропорционально интенсивности нагрузки. Вначале HR увеличивается относительно быстро, пока не достигнет плато — устойчивой HR, оптимальной для удовлетворения потребностей кровообращения при данной интенсивности работы. При каждом последующем увеличении интенсивности ЧСС достигает нового устойчивого показателя в течение 1- 2 мин. Вместе с тем, чем выше интенсивность нагрузки, тем больше времени требуется для достижения этого показателя.

Понятие устойчивой HR – эффективный индикатор производительности сердца: более низкая HR свидетельствует о более производительном сердце. Когда работа выполняется с постоянной интенсивностью в течение продолжительного времени, особенно в условиях высокой температуры воздуха, HR повышается, вместо демонстрации устойчивого показателя. Эта реакция является частью феномена, который называется сердечно-сосудистым сдвигом.

HR увеличивается пропорционально возрастанию интенсивности физической нагрузки практически до момента крайнего утомления (изнурения). По мере приближения этого момента HR начинает стабилизироваться. Это означает, что достигнут максимальный уровень HR.

Максимальная частота сердечных сокращений – это максимальный показатель, достигаемый при максимальном усилии перед моментом крайней усталости. Это очень надежный показатель, который остается постоянным изо дня в день и изменяется только с возрастом. Максимальную HR можно определять, учитывая возраст, поскольку она снижается примерно на один удар в год, начиная с возраста 10 — 15 лет. Вычтя возраст (Age) из 220 мы получим приближенный средний показатель максимальной HR:

HRmax [мин -1 ] = 220 – Age[годы] (3)

Следует, однако, отметить, что индивидуальные показатели максимальной HR могут отличаться от полученного таким образом среднего показателя довольно значительно. Например, у 40-летнего человека средний показатель HRmax будет 180 мин -1 . Однако из всех 40-летних людей 68 % будут иметь показатель HRmax в пределах 168 — 192 мин -1 (средний ± стандартное отклонение) , а у 95 % этот показатель будет колебаться в пределах 156 – 204 мин -1 (средний ± 2 стандартных отклонения). Этот пример демонстрирует возможность ошибки при оценке HRmax человека.

Интенсивность физической активности можно считать умеренной, если HR находится в диапазоне от 50 до 70% от HRmax (в зависимости от возраста человека). Например, для 50-летнего человека, по оценкам, HRmax оценивается величиной ≈ 170 мин -1 . Уровни 50% и 70% будут 85 и 120 мин -1 соответственно. Таким образом, умеренная физическая активность человека в возрасте 50 лет приводит к сердцебиению с частотой от 85 до 120 мин -1 . Высокая интенсивность физической активности соответствует HR в диапазоне от 70 до 85 % от максимальной. Например, для 35-летнего человека, по оценкам, HRmax оценивается величиной ≈ 185 мин -1 , а уровни 70 и 85 % от максимума будут равны 130 и 160 мин -1 . Далее начинается диапазон недопустимо высоких физических нагрузок.

Описанные особенности реакции HR на физическую нагрузку позволяют количественно оценить ЕЕ через частоту сердцебиений, ударный объем сердечного выброса и концентрацию кислорода в крови. Это дает надежный и сравнительно несложно измеряемый показатель тяжести физической нагрузки. Как отмечено выше (см. п. 1.4), об интенсивности физической нагрузки EE (или МЕТ) можно судить по потреблению кислорода VO2, поскольку эти два параметра взаимосвязаны. Это обстоятельство лежит в основе метода оценки ЕЕ (или МЕТ) по HR.

Потребность в кислороде активных мышц резко возрастает во время физической нагрузки: используется больше питательных веществ; ускоряются метаболические процессы, поэтому возрастает количество продуктов распада. При продолжительной нагрузке, а также при выполнении физической нагрузки в условиях высокой температуры повышается температура тела. Во время нагрузки происходят многочисленные изменения в сердечно-сосудистой системе. Все они направлены на выполнение одной задачи: обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Меняются все компоненты системы [9].

Как уже отмечалось выше (см. п.1.4), уровень энергозатрат в покое и во время физической нагрузки однозначно связан со скоростью потребления кислорода (через его калорический эквивалент). В свою очередь, для определения скорости, с которой кислород потребляется во время физической активности можно использовать закон диффузии Фика. Применительно к переносу кислорода в системе кровообращения он записывается в виде (см. напр. [10]):

где VO2 — объем потребляемого кислорода в единицу времени [мл/мин]; через Са и Cv обозначены артериальная и венозная концентрации кислорода [мл О2/мл крови]. Сердечный выброс Q [мл/мин] определяется как произведение двух компонентов – частоты сердечных сокращений HR [1/мин] на ударный объем SV [мл] одного сокращения:

Эти соотношения используются для вычисления объемной скорости потребления кислорода.

На любое более-менее сложное явление оказывает влияние множество факторов. В статистике существует набор методов для анализа тесноты связи и меры воздействия различных факторов.

Все многообразие реального факторного пространства (включая неизвестные факторы) мы заменяем искусственным пространством отобранных показателей для нашей математической модели, причем все показатели в модели математически и статистически независимы. Другими словами, все реальные факторы с их внутренней взаимосвязью проецируются на независимые показатели модели. Реальное пространство факторов «натягивается» на искусственную систему нескольких независимых координат. Один из результатов – разброс результирующих показателей. Хорошим примером могут служить представленные на рис.1 данные [10] по изменениям HR с уровнем потребления кислорода при физических нагрузках различного характера.

Рисунок 1. Экспериментально наблюдаемая связь частоты сердечных сокращений со скоростью потребления кислорода [11].

Разброс результатов уменьшается если учитывать как можно больше влияющих факторов. Из физиологических факторов представляются существенными: пол, возраст, физическая подготовка, характер питания, психоэмоциональное состояние. Из факторов внешней среды можно отметить: условия труда , сезонные и суточные ритмы, микроклиматические условия. Ясно, однако, что для набора статистически достоверных результатов при делении испытуемых по этим категориям, число участников испытаний должно быть нереально большим. Практически во всех исследованиях ищется связь VO2 и HR вида

В литературе можно найти множество (см. напр. обзоры [12] и [13]) эмпирических зависимостей вида (6). Обычно коэффициент K предполагается постоянным, а величина L представляет собой взвешенную сумму возраста, веса, роста и других характеристик испытуемых. Пересчет скорости потребления кислорода VO2 в принятые гигиенистами единицы MET позволяет оценить удельную выделяемую мощность по формуле (2).

Например, неплохие результаты дает формула (со слайда 22 для индонезийских мужчин):

МЕТ = (5,71*HR + 5,42*W– 10*Age – 334)/W (7)

Соотношения, подобные приведенному (6), полезны тем, что они дают физиологические основания для ограничений физической активности работника. Это следует из обсуждавшихся выше ограничений на частоту сердечных сокращений. Подставляя в (7) вес работника W = 70 кг и частоту HRmax по формуле (3), получим максимальную мощность МЕТmax. В соответствии со сказанным выше, доля d от HRmax определяет умеренную (d < 0,7), допустимую (0,7 £ d £ 0,85) и чрезмерную (d >0,85) нагрузки.

Граничные нагрузки (в единицах МЕТ)

для работников различного возраста

Источник: biota.ru

Оцените статью
Добавить комментарий