人的作业能力与疲劳分析
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第三章 人的作业能力与疲劳分析
教 学 内 容
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 人体作业时的能量交换 作业时人体的调节与适应 作业能力的动态分析 作业疲劳及测定 降低疲劳的措施
1
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
基本要求
1 正确理解人体作业时能量交换的特性，熟 练掌握能量代谢的测定方法，掌握作业时人 体系统的调节特性； 2 正确理解疲劳的概念，掌握疲劳的分类及 测定、降低疲劳的措施
活动代谢率 M R RMR 基础代谢率 B
12
安全人机工程学
Safety Ergonomics
关于相对代谢率的几点说明
关于RMR的几点说明： （1）RMR是表示是否易于疲劳的指标，但并不表示实际 的疲劳程度。 （2）环境因素，尤其是高温对RMR的影响较大。 设作业场所的平均温度是T，辐射热因素为G，8小时 工作后的平均RMR为E，则环境因素指数In：In=T· E G· （若环境中无辐射因素（G=1），则In=T· E） 当In〈2000时，环境适宜； 当In：2000～4000时，环境尚可； 当In〉4000时，就必须改善环境，否则易于疲劳。 （3）影响能量代谢的因素有：运动、劳动、精神劳动、 食物、特殊动力效应及环境温度等。
本章重难点
重点：能量代谢的测定方法；作业时人体系 统的调节特性；疲劳的分类及测定、降低疲 劳的措施。 难点：能量代谢的相关计算及对疲劳概念的 理解
2
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
3.1 人体作业时的能量交换
1、人体能量的产生机理
人体的一切活动都是通过人体的运动系统完成的。
9
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
3、能量代谢与能量代谢率 人体能量产生和消耗称为能量代谢。
基础代谢 生理学将人清醒、静卧、空腹以及室温在20℃左右定 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基础代谢率，用B 表示。 安静代谢是作业开始之前，为了保持身体各部位的 平衡以及某种姿势条件下的能力代谢，包括基础代 谢。安静代谢率用R表示，R=1.2B 人在从事特定劳动过程中所进行的代谢，也称劳动 代谢。实际能量代谢率用M（其中包含基础代谢和 安静代谢）表示，活动代谢率Mr=M-R
RQ VCO2 VO2
通常把1g供能物质氧化时所放出的热量定义为该物 质的热价。 物质氧化时，每消耗1L氧所产生的热量称为物质 的氧热价。
安全人机工程学
Safety Ergonomics
14
第三章 人的作业能力与疲劳分析
非蛋白呼吸商（NRQ）:由于蛋白质中的氮以尿素排 泄，所以受试者吸进的氧气量和产生的二氧化碳应 减去验尿测定出的尿氮分解所需要的氧气量和产生 的二氧化碳量。此时的二氧化碳产生量与氧气的消 耗量之比称为非蛋白呼吸商。 实际应用中，常采用省略尿氮测定的简便方法，直 接根据受试者在同一时间内吸入的氧气量和产生的 二氧化碳量，以混合食物每消耗1L氧产生17.94kJ 的热量近似计算能量消耗。
O2
2
RQ
VCO2 VO2
0.3144 0.72 0.4368
查表4.7，RQ=0.72时，氧的热价 C=19.683kJ/L，则
Q CVO2 19.683 0.4368 8.598kJ
17
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
3.2 作业时人体的调节与适应
人体的运动系统
骨骼
关节 枢纽
肌肉 动力源
3
杠杆
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
ATP(三磷酸腺苷 )是肌肉收缩的唯一直接能量来源。 然而，在肌细胞中的ATP贮量有限，因此，能量释 放过程中必须及时补充肌细胞中的ATP。补充ATP 的过程叫产能。有三个途径。 ①ATP-CP系列 在要求能量释放速度很快的情况下ATP-CP系统 能迅速产能，但由于CP（磷酸肌酸）在人体内 的贮量有限，其产能过程只能维持肌肉几秒钟大 强度活动。
葡萄糖或脂肪 氧 ATP
氧化磷酸化
5
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
③乳酸系列 在大强度劳动时，能量需求速度较快，ATP的分解速 度也必须加快，需氧系列受供氧能力的限制，不能满 足肌肉的需要。这时，要依靠无氧糖酵解产生乳酸的 方式提供能量。由于糖酵解的速度是氧化磷酸化的32 倍，所以是高速供能途径。 葡萄糖(糖原) 糖酵解 AT P 乳酸 注意：乳酸系列需耗用大量葡萄糖才能合成ATP，在 体内糖原含量有限的条件下，此产能方式不经济。另 外，乳酸还是一种导致疲劳的物质，所以乳酸系列提 供能量的过程不可能持续较长的时间。
15
安全人机工程学
Safety Ergonomics
例题
某受试者在安静状态下，呼出气体的体积分 数未：O2=15.47%，CO2=3.96%，呼 出气量为8L/min；标准状态下空气的组成 未： O2=20.93%，CO2=0.03%， N2=79.04%，求受试者的能量消耗。 分析： 欲求能量消耗Q，由公式 Q CVO2
作业开始后，心率和每博输出量均增加，每博输出量增加较 快。通常，中等劳动强度作业时，心脏血液输出量可比安静 时增加50%；特大强度时，达5-7倍。
前进
23
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
图2
心
脏
结
构
返 回 24 安全人机工程学
Safety Ergonomics
18
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
体力劳动会影响感觉器官的功能，适当的轻度作 业能使眼睛的暗适应敏感；而大强度作业会使眼 睛的暗适应敏感下降；重作业和大强度作业能引 起视觉及皮肤感觉的时滞延长，作业后数分钟才 能恢复。
19
安全人机工程学
Safety Ergonomics
1、神经系统的调节与适应 动力定型（习惯定型）：作业者长期在同一环境 中从事同一项作业活动，借助复合条件反射便会 形成一种程序化、自动化的熟练操作意识。 好处：不仅能提高作业能力，还会使机体各器官 从作业一开始就能去适应作业需要，使操作协调、 轻松、反应迅速，能量消耗经济。 注意：建立习惯定型应循序渐进，注意节律性和重 复性。
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安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
4、能量代谢的测定(直接法，间接法） 间接法的基本原理：先测得糖、脂肪等能源物资 在体内氧化时的耗氧量和二氧化碳的排出量，求 得呼吸商，由此便可算出作业时所消耗的能量。 呼吸商（RQ）：通常把机体在同一时间内产生 的二氧化碳量与消耗的氧量之比称为呼吸商。
10
能量 代谢
安静代谢
活动代谢
安全人机工程学
Safety Ergonomics
基础代谢率B的计算
基础代谢率B随着性别、年龄等不同而不同。一 般说来，男子的B比女子的高，幼年人的比成年人的 高。 Q B S 式中： Q——单位时间的产热量，kcal/h； Q=C VO ，其中，C是氧的热价，kcal/L，一般 可根据呼吸商查表获取。（教材表4-7）; VO 是单位 时间的耗氧量，L/h。
8
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
最大摄氧量的计算 Bruce于1972年给出了年龄与最大摄氧量间的经 验关系式：
(VO2 ) max 56.592 0.398A
(VO2 ) max 为最大摄氧量，cm³ min)； /(kg·
A为人的年龄，岁数。
第三章 人的作业能力与疲劳分析
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，单位mmHg。 一般：收缩压为100-120mmHg，舒张压为60-80mmHg。 动态作业时收缩压与舒张压的变化如图4-2 静态作业时，收缩压、舒张压、平均动脉压都升 高，心率和心输出量相对增加较少。
22
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
② 心脏血液输出量 心脏的结构见图2. 每博输出量：心脏每博动一次，由左心室射入主动脉 的血量。 心脏血液输出量：每分钟由左心室射出的血量。为 每博输出量与心率的乘积。 正常成年男子安静时的每博输出量为50-70mL，心脏 血液输出量为3.75-5.25L/min，最高可达25L/min。
6
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
7
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
2、作业时人体的好氧动态 作业时人体所需要的氧量大小取决于劳动强度和 作业时间。 几个概念 氧需：人体在作业过程中，每分钟所需要的氧量。 最大摄氧量：血液每分钟能供应的最大氧量，正 常成年人不超过3L/min；常锻炼者可达4L/min； 老年人只有1-2L/min。 氧债：需氧量与实际供氧量的差值。（危害）
21
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Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
心率通常可作为衡量劳动强度的一项重要指标， 若以该指标为标准，对于健康男性，作业心率为 110-115次/min，停止作业后15min内恢复到安静心 率时则认为该体力劳动负荷处于最佳范围，可连 续工作8h。如果停止作业后0.5-1min测得心率不超 过110次/min，且2.5-3min时测得心率不超过90次 /min，劳动也可持续8h。
27
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Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
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博动的次数。正常人安静 时的心率为75次/min，最大心率随年龄增长而减 小，表达式为： 最大心率=220-年龄值 不同劳动强度下心率的变化如图4-1所示
20
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第三章 人的作业能力与疲劳分析
CP ADP Cr (肌酸） ATP
其中ADP是二磷酸腺苷 （也称核苷酸）
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Safety Ergonomics
4
第三章 人的作业能力与疲劳分析
②需氧系列 在中等劳动强度下，需通过糖和脂肪的氧化磷酸化合 才能得到ATP。在合成的开始阶段则是以糖的氧化磷 酸化为主，随着活动时间的持续延长，脂肪的氧化磷 酸化逐渐转为主要过程，即：
2 2
S——人体表面积，m2；
S 0.0061H 0.0128W 0.1529
H是身高，cm; W是体重，kg。 活动代谢率M也可以通过此公式计算，只是此时 11 的耗氧量是活动时的耗氧量。
安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
相对能量的代谢率（相对代谢率） 由于人的体质、年龄和体力等差异，从事同等强度 的体力劳动所消耗的能量则因人而异，因此无法用 能量代谢量进行比较。为了消去个人之间的差别， 引进相对能量代谢率，用RMR (Relative Metabolic Rate)表示。
前进
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Safety Ergonomics
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第三章 人的作业能力与疲劳分析
返 回 26 安全人机工程学
Safety Ergonomics
第三章 人的作业能力与疲劳分析
3、其他系统的调节与适应 作业时呼吸系统的频率随作业强度的增加而增加， 重强度时达30-40次/min，极大强度时达60次/min， 肺通气量由安静时的6-8L/min增加到40-120L/min。 正常条件下，每昼夜排尿量为1-1.8L，体力作业 后，尿液减少50%-70%，其余由汗液排出。汗 腺具有调节体温和排泄代谢产物的双重功能。
则应该确定氧的热价和耗氧量，氧的热价 可由呼吸商查表求得
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例题
解： 耗氧量： V (0.2093 0.1547) 8 0.4368L CO2消耗量： (0.0396 0.0003) 8 0.3144L VCO 呼吸商：
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3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 人体作业时的能量交换 作业时人体的调节与适应 作业能力的动态分析 作业疲劳及测定 降低疲劳的措施
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基本要求
1 正确理解人体作业时能量交换的特性，熟 练掌握能量代谢的测定方法，掌握作业时人 体系统的调节特性； 2 正确理解疲劳的概念，掌握疲劳的分类及 测定、降低疲劳的措施
活动代谢率 M R RMR 基础代谢率 B
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关于相对代谢率的几点说明
关于RMR的几点说明： （1）RMR是表示是否易于疲劳的指标，但并不表示实际 的疲劳程度。 （2）环境因素，尤其是高温对RMR的影响较大。 设作业场所的平均温度是T，辐射热因素为G，8小时 工作后的平均RMR为E，则环境因素指数In：In=T· E G· （若环境中无辐射因素（G=1），则In=T· E） 当In〈2000时，环境适宜； 当In：2000～4000时，环境尚可； 当In〉4000时，就必须改善环境，否则易于疲劳。 （3）影响能量代谢的因素有：运动、劳动、精神劳动、 食物、特殊动力效应及环境温度等。
本章重难点
重点：能量代谢的测定方法；作业时人体系 统的调节特性；疲劳的分类及测定、降低疲 劳的措施。 难点：能量代谢的相关计算及对疲劳概念的 理解
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3.1 人体作业时的能量交换
1、人体能量的产生机理
人体的一切活动都是通过人体的运动系统完成的。
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3、能量代谢与能量代谢率 人体能量产生和消耗称为能量代谢。
基础代谢 生理学将人清醒、静卧、空腹以及室温在20℃左右定 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基础代谢率，用B 表示。 安静代谢是作业开始之前，为了保持身体各部位的 平衡以及某种姿势条件下的能力代谢，包括基础代 谢。安静代谢率用R表示，R=1.2B 人在从事特定劳动过程中所进行的代谢，也称劳动 代谢。实际能量代谢率用M（其中包含基础代谢和 安静代谢）表示，活动代谢率Mr=M-R
RQ VCO2 VO2
通常把1g供能物质氧化时所放出的热量定义为该物 质的热价。 物质氧化时，每消耗1L氧所产生的热量称为物质 的氧热价。
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非蛋白呼吸商（NRQ）:由于蛋白质中的氮以尿素排 泄，所以受试者吸进的氧气量和产生的二氧化碳应 减去验尿测定出的尿氮分解所需要的氧气量和产生 的二氧化碳量。此时的二氧化碳产生量与氧气的消 耗量之比称为非蛋白呼吸商。 实际应用中，常采用省略尿氮测定的简便方法，直 接根据受试者在同一时间内吸入的氧气量和产生的 二氧化碳量，以混合食物每消耗1L氧产生17.94kJ 的热量近似计算能量消耗。
O2
2
RQ
VCO2 VO2
0.3144 0.72 0.4368
查表4.7，RQ=0.72时，氧的热价 C=19.683kJ/L，则
Q CVO2 19.683 0.4368 8.598kJ
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3.2 作业时人体的调节与适应
人体的运动系统
骨骼
关节 枢纽
肌肉 动力源
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杠杆
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ATP(三磷酸腺苷 )是肌肉收缩的唯一直接能量来源。 然而，在肌细胞中的ATP贮量有限，因此，能量释 放过程中必须及时补充肌细胞中的ATP。补充ATP 的过程叫产能。有三个途径。 ①ATP-CP系列 在要求能量释放速度很快的情况下ATP-CP系统 能迅速产能，但由于CP（磷酸肌酸）在人体内 的贮量有限，其产能过程只能维持肌肉几秒钟大 强度活动。
葡萄糖或脂肪 氧 ATP
氧化磷酸化
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③乳酸系列 在大强度劳动时，能量需求速度较快，ATP的分解速 度也必须加快，需氧系列受供氧能力的限制，不能满 足肌肉的需要。这时，要依靠无氧糖酵解产生乳酸的 方式提供能量。由于糖酵解的速度是氧化磷酸化的32 倍，所以是高速供能途径。 葡萄糖(糖原) 糖酵解 AT P 乳酸 注意：乳酸系列需耗用大量葡萄糖才能合成ATP，在 体内糖原含量有限的条件下，此产能方式不经济。另 外，乳酸还是一种导致疲劳的物质，所以乳酸系列提 供能量的过程不可能持续较长的时间。
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例题
某受试者在安静状态下，呼出气体的体积分 数未：O2=15.47%，CO2=3.96%，呼 出气量为8L/min；标准状态下空气的组成 未： O2=20.93%，CO2=0.03%， N2=79.04%，求受试者的能量消耗。 分析： 欲求能量消耗Q，由公式 Q CVO2
作业开始后，心率和每博输出量均增加，每博输出量增加较 快。通常，中等劳动强度作业时，心脏血液输出量可比安静 时增加50%；特大强度时，达5-7倍。
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图2
心
脏
结
构
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第三章 人的作业能力与疲劳分析
体力劳动会影响感觉器官的功能，适当的轻度作 业能使眼睛的暗适应敏感；而大强度作业会使眼 睛的暗适应敏感下降；重作业和大强度作业能引 起视觉及皮肤感觉的时滞延长，作业后数分钟才 能恢复。
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1、神经系统的调节与适应 动力定型（习惯定型）：作业者长期在同一环境 中从事同一项作业活动，借助复合条件反射便会 形成一种程序化、自动化的熟练操作意识。 好处：不仅能提高作业能力，还会使机体各器官 从作业一开始就能去适应作业需要，使操作协调、 轻松、反应迅速，能量消耗经济。 注意：建立习惯定型应循序渐进，注意节律性和重 复性。
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4、能量代谢的测定(直接法，间接法） 间接法的基本原理：先测得糖、脂肪等能源物资 在体内氧化时的耗氧量和二氧化碳的排出量，求 得呼吸商，由此便可算出作业时所消耗的能量。 呼吸商（RQ）：通常把机体在同一时间内产生 的二氧化碳量与消耗的氧量之比称为呼吸商。
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能量 代谢
安静代谢
活动代谢
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基础代谢率B的计算
基础代谢率B随着性别、年龄等不同而不同。一 般说来，男子的B比女子的高，幼年人的比成年人的 高。 Q B S 式中： Q——单位时间的产热量，kcal/h； Q=C VO ，其中，C是氧的热价，kcal/L，一般 可根据呼吸商查表获取。（教材表4-7）; VO 是单位 时间的耗氧量，L/h。
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最大摄氧量的计算 Bruce于1972年给出了年龄与最大摄氧量间的经 验关系式：
(VO2 ) max 56.592 0.398A
(VO2 ) max 为最大摄氧量，cm³ min)； /(kg·
A为人的年龄，岁数。
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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，单位mmHg。 一般：收缩压为100-120mmHg，舒张压为60-80mmHg。 动态作业时收缩压与舒张压的变化如图4-2 静态作业时，收缩压、舒张压、平均动脉压都升 高，心率和心输出量相对增加较少。
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② 心脏血液输出量 心脏的结构见图2. 每博输出量：心脏每博动一次，由左心室射入主动脉 的血量。 心脏血液输出量：每分钟由左心室射出的血量。为 每博输出量与心率的乘积。 正常成年男子安静时的每博输出量为50-70mL，心脏 血液输出量为3.75-5.25L/min，最高可达25L/min。
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2、作业时人体的好氧动态 作业时人体所需要的氧量大小取决于劳动强度和 作业时间。 几个概念 氧需：人体在作业过程中，每分钟所需要的氧量。 最大摄氧量：血液每分钟能供应的最大氧量，正 常成年人不超过3L/min；常锻炼者可达4L/min； 老年人只有1-2L/min。 氧债：需氧量与实际供氧量的差值。（危害）
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心率通常可作为衡量劳动强度的一项重要指标， 若以该指标为标准，对于健康男性，作业心率为 110-115次/min，停止作业后15min内恢复到安静心 率时则认为该体力劳动负荷处于最佳范围，可连 续工作8h。如果停止作业后0.5-1min测得心率不超 过110次/min，且2.5-3min时测得心率不超过90次 /min，劳动也可持续8h。
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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博动的次数。正常人安静 时的心率为75次/min，最大心率随年龄增长而减 小，表达式为： 最大心率=220-年龄值 不同劳动强度下心率的变化如图4-1所示
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CP ADP Cr (肌酸） ATP
其中ADP是二磷酸腺苷 （也称核苷酸）
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②需氧系列 在中等劳动强度下，需通过糖和脂肪的氧化磷酸化合 才能得到ATP。在合成的开始阶段则是以糖的氧化磷 酸化为主，随着活动时间的持续延长，脂肪的氧化磷 酸化逐渐转为主要过程，即：
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S——人体表面积，m2；
S 0.0061H 0.0128W 0.1529
H是身高，cm; W是体重，kg。 活动代谢率M也可以通过此公式计算，只是此时 11 的耗氧量是活动时的耗氧量。
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相对能量的代谢率（相对代谢率） 由于人的体质、年龄和体力等差异，从事同等强度 的体力劳动所消耗的能量则因人而异，因此无法用 能量代谢量进行比较。为了消去个人之间的差别， 引进相对能量代谢率，用RMR (Relative Metabolic Rate)表示。
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3、其他系统的调节与适应 作业时呼吸系统的频率随作业强度的增加而增加， 重强度时达30-40次/min，极大强度时达60次/min， 肺通气量由安静时的6-8L/min增加到40-120L/min。 正常条件下，每昼夜排尿量为1-1.8L，体力作业 后，尿液减少50%-70%，其余由汗液排出。汗 腺具有调节体温和排泄代谢产物的双重功能。
则应该确定氧的热价和耗氧量，氧的热价 可由呼吸商查表求得
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例题
解： 耗氧量： V (0.2093 0.1547) 8 0.4368L CO2消耗量： (0.0396 0.0003) 8 0.3144L VCO 呼吸商：