人机工程学第5章 人的作业能力与疲劳

第5章 人的作业能力与疲劳
图5 - 2 (a) 需氧量小于最大摄氧量； (b) 需氧量大于最大摄氧量
第5章 人的作业能力与疲劳
5.1.3 能量代谢和能量代谢率 人体能量产生和消耗称为能量代谢。 人体代谢所
产生的能量等于消耗于体外做功的能量和在体内直接、 间接转化为热的能量的总和。 在不对外做功的条件下， 体内所产生的能量等于由身体散发出的热量， 从而使 体温维持在相对恒定的水平上。
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图5 - 7 动态作业至力竭时收缩压与舒张压的变化
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4. 血液的重新分配 人处于安静状态时， 血液流向肾、 肝及其他内脏 器官较多， 而体力作业开始后， 心脏射出的血液大部 分流向骨骼肌， 以满足其代谢增强的需要。 表5 - 7列 出了安静状态和重体力劳动时血液流量的分配状况。 由表可知， 进行重体力作业时， 流向骨骼肌的血液量 较安静时多20倍以上， 心肌血流量增加5倍。
动强度和作业时间。 劳动强度越大， 持续时间越长， 需氧量也越多。
从事体力作业的过程中， 需氧量随着劳动强度的 加大而增加， 但人的摄氧能力却有一定的限度。 因此， 当需氧量超过最大摄氧量时， 人体能量的供应依赖于 能源物质的无氧糖酵解， 造成体内的氧亏负， 这种状 态称为氧债。 氧债与劳动负荷的关系， 如图5 - 2所示。
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表5 - 3 不同活动类型的RMR实测值
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表5 - 4 相对能量代谢率RMR的推算值
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图5 - 3 各种作业类型相对应的能耗(kCal/min)
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作业方法不同， 能量消耗也不同。 S.R德塔 (S.R.Datta)等人对搬运重物的七种方式进行了研究， 测得相应的氧耗量， 如图5 - 4所示。
的心率为75次/min。 心率增加 的限度即最大心率随年龄 的增长而逐渐减小， 可用年龄来推算(最大心率＝220－ 年龄)。 最大心率与安静心率之差称为心搏频率储备， 可用来表示体力劳动时心率可能增加的潜在能力。
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从事体力作业时， 心率在作业开始后的30～40 s 内迅速增加， 大约经4～5 min， 即可达到与劳动强度 相适应的水平。 强度较小的体力劳动， 心率增加不多， 很快达到与劳动强度相适应的水平后， 即随作业的延 续而保持在该恒定水平上。 而强度很大的劳动， 心率 将随作业的延续而不断加快， 直到个体的最大心率值， 通常可达150～195次/min。 上述两种劳动强度下的心 率变化如图5 - 6所示。
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表5 - 5 三种营养物质氧化时的数据
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表5 - 6 非蛋白呼吸商和氧热价的关系
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实际应用中， 经常采用省略尿氮测定的简便方法， 即根据受试者在同一时间内吸入的O2量和CO2产生量 求出呼吸商(混合呼吸商)， 而不考虑蛋白质代谢部分， 实践证明， 采用简便方法得到的结果不会有显著误差。
MR＝AR－RR （5 - 1）
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4. 相对能量代谢率 体力劳动强度不同， 所消耗的能量不同。 由于劳 动者性别、 年龄、 体力与体质存在差异， 即使从事同 等强度的体力劳动， 消耗的能量亦不同。 为了消除劳 动者个体之间差异因素， 常用活动代谢率与基础代谢 率之比即相对能量代谢率来衡量劳动强度的大小。 相 对能量代谢率RMR为
RMRMR ARRR （5 - 2） BR BR
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表5 - 3和表5 - 4为不同活动类型的RMR的实测值和 推算值。
除利用实测方法之外， 还可用简易方法近似计算 人在体力劳动中的能量消耗， 其计算公式为
AR＝RR＋MR＝1.2×BR＋RMR·BR
＝（1.2＋RMR）×BR
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动态作业开始后， 主要由于心输出量的增多， 收 缩压立即升高， 并随劳动强度的增加而继续升高， 直 到最高值， 而舒张压却几乎保持不变或略有升高， 因 此形成收缩压与舒张压之差即脉压的增大， 如图5 - 7 所示。 脉压逐渐增大或维持不变， 是体力劳动可以继 续有效进行的标志。
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3. 乳酸系列
在大强度劳动时， 能量需求速度较快， 相应ATP 的分解也必须加快， 但受到供氧能力的限制。 此时，
则靠无氧糖酵解产生乳酸的方式提供能量， 故称为乳
酸系列：
糖酵解
葡萄糖(糖原)
ATP＋乳酸
乳酸逐渐扩散到血液， 一部分排出体外， 一部分
在肝、 肾内部又合成为糖原。 在食物营养充足地合理
能量代谢分为三种， 即基础代谢、 安静代谢和活 动代谢。
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1. 基础代谢 人体代谢的速率， 随人所处的条件不同而异。 生 理学将人清醒、 静卧、 空腹(食后10 h以上)、 室温在 20 ℃左右这一条件定为基础条件。 人体在基础条件下 的能量代谢称为基础代谢。 单位时间内的基础代谢量 称为基础代谢率， 用BR表示。 它反映单位时间内人 体维持最基本的生命活动所消耗的最低限度的能量， 通常以每小时每平方米体表面积消耗的热量来表示。 我国正常人基础代谢率平均值见表5 - 2。
各种不同姿势的相对氧耗量， 如图5 - 5所示。
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图5 - 4 (a) 单肩双包(100%)； (b) 头顶(103%)； (C) 双肩背(109%) (d) 前额挂背(115%)； (e) 斜挎(123%)； (f) 挑担(129%)； (g) 双手提(144%)
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经系统的调节作用(主观能动性)， 又取决于从机体内 外感受器所传入的各种神经冲动(包括第一和第二信号 系统)， 在大脑皮层内进行综合分析， 形成一时性共 济联系(Transient AssoCiation)调节各器官适应作业活动 的需要， 维持机体与环境的平衡。
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5.2.2 心血管系统的调节与适应 1. 心率 心率是单位时间内心脏搏动的次数。 正常人安静时
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2. 需氧系列 在中等劳动强度下， ATP以中等速度分解， 又通 过糖和脂肪的氧化磷酸化合成得到补充， 即 葡萄糖或脂肪＋氧 氧化磷酸化ATP 由于这一过程需要氧参与合成ATP， 故称为需氧 系列。 在合成的开始阶段， 以糖的氧化磷酸化为主， 随着持续活动时间的延长， 脂肪的氧化磷酸化转为主 要过程。
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5.1 人体作业时的能量代谢
5.1.1 人体能量的产生机理 由于骨骼肌约占人体重的40%， 故体力劳动的能
量消耗 较大。 骨骼肌活动的能量来自细胞中的贮能 元——三磷酸腺苷(ATP)。 肌肉活动时， 肌细胞中的 三磷酸腺苷与水结合， 生成二磷酸腺苷(ADP)和磷酸 根(Pi)， 同时释放出29.3kJ的能量， 即
条件下， 经过休息， 可以较快的合成为糖原。
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虽然糖酸解时1g分子葡萄糖只能合成2g分子ATP， 但糖酵解的速度比氧化磷酸化的速度快32倍， 所以是 高速提供能量的重要途径。 乳酸系列需耗用大量葡萄 糖才能合成少量的ATP， 在体内糖原含量有限的条件 下， 这种产能方式不经济。 此外， 目前还认为乳酸是 一种致疲劳性物质， 所以乳酸系列提供能量的过程不 可能持续较长时间。
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图5 - 6 不同劳动强度的心率变化曲线
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2. 心输出量 心脏每搏动一次， 由左心室射入主动脉的血量称 为每搏输出量。 每分钟由左心室射出的血量称为心输 出量。 心输出量为每搏输出量与心率的乘积。 正常男 性成年人安静时每搏输出量约为50～70 mL， 心输出 量约为3.75～5.25 L/min。 女性心输出量比同体重的男 性约低10%。 一般人心输出量最多可增加到25 L/min。
图5 - 5 (a) 仰卧(100%)； (b) 坐姿(103%～105%)； (C) 立姿(108%～１１0％）
（d） 跪姿(130%～140%)； (e) 弯腰(150%～１６0％)
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5.1.4 能量代谢的测定 能量代谢的测定方法有两种， 直接法和间接法。
直接法是通过热量计测定在绝热室内流过人体周围的 冷却水升温情况， 换算成能量代谢率； 间接法是通过 测定人体消耗的氧量， 再乘以氧热价求出能量代谢率。
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既然通过作业时消耗的O2量和产生的CO2量可以 换算能量消耗， 相对代谢率也可以通过测定作业者在 作业时、 安静时消耗的O2量和产生的CO2的比值， 计 算作业者在安静时和作业时各自的O2消耗量， 然后乘 以每消耗1L O2所产生的热量(氧热价)， 分别折算成作 业时和安静时的能量消耗。
三种产能过程可概括于图5 - 1中， 其一般特性列 于表5 - 1。
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图5 - 1 肌肉活动时能量的来源示意图
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表5 - 1 三种产能过程的一般特性
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5.1.2 作业时人体的耗氧动态 作业时人体所需要的氧量的大小， 主要取决于劳
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同理若将作业者的基础代谢量换算成O2消耗量或 直接测定出基础代谢时O2消耗量， 则相对代谢率计算 式又可写成
RMR=
作业时的O2消耗量－安静时的O2消耗量
基础代谢时的O2消耗量
(5 - 5)
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5.2 作业时人体的调节与适应
5.2.1 神经系统的调节与适应 作业时的每一个有目的 的动作， 既取决于中枢神
ATP＋H2O→ADP＋Pi＋29.3 kJ/mol
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1. ATP—CP系列 在要求能量释放速度很快的情况下， 肌细胞中的 ATP由磷酸肌酸(CP)与二磷酸腺苷合成予以补充：
CP＋ADP Cr(肌酸)＋ATP 该过程简称为ATP—ＣP系列。 ATP—CP系列提供 能量的速度极快， 但由于CP在人体内的贮量有限， 其 产能过程只能维持肌肉进行大强度活动几秒钟。
(5 - 3)
总能耗M∑＝（1.2＋RMR）×BR×体表面积(B)× 活动时间(t)(5 - 4)
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5. 影响能量代谢的因素
影响人体作业时能量代谢的因素很多， 如作业类
型、 作业方法、 作业姿势、
。
由表5 - 3和表5 - 4可看出， 不同类型的作业对能 量代谢的影响。 图5 - 3给出了不同作业的能量消耗值， 其范围从1.6～16.2kCal/min。
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3. 血压 血压是血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压 力， 通常多指血液在体循环中的动脉血压， 一般以毫 米汞柱(mmHg)为单位(1 mmHg＝133.32 Pa)。 正常人 安静时的动脉血压较为稳定， 变化范围不大。 心室收 缩时动脉血压的最高值即收缩压为100～120 mmHg， 心 室 舒 张 时 动 脉 血 压 的 最 低 值 即 舒 张 压 为 60 ～ 80 mmHg。血压还受性别、 年龄以及其他生理情况的影 响， 一般男性略高于女性； 老年人高于中青年人， 特 别是收缩压随年龄增长而升高较舒张压更为明显；此 外， 体力劳动、 运动以及情绪波动时， 血压也会出 现暂时性升高。
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表5 - 2 我国正常人基础代谢率平均值
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2. 安静代谢 安静代谢是作业或劳动开始之前， 仅为了保持身 体各部位的平衡及某种姿势条件下的能量代谢。 安静 代谢量包括基础代谢量。
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3. 活动代谢 活动代谢亦称劳动代谢、 作业代谢或工作代谢。 它是人在从事特定活动过程中所进行的能量代谢。 体 力劳动是使能量代谢量亢进的最主要的原因。 因为在 实际活动中所测得的能量代谢率(用AR表示)， 不仅包 括活动代谢率， 也包括基础代谢率与安静代谢率， 所 以活动代谢率(用MR表示)应为