Цели и принципы
Биомеханика — это дисциплина, которая подходит к изучению тела так, как будто это исключительно механическая система: все части тела уподобляются механическим структурам и изучаются как таковые. Например, можно провести следующие аналогии:
- кости: рычаги, структурные элементы
- плоть: объемы и массы
- суставы: опорные поверхности и сочленения
- прокладки для суставов: смазочные материалы
- мышцы: моторы, пружины
- нервы: механизмы контроля с обратной связью
- органы: источники питания
- сухожилия: веревки
- ткань: пружины
- полости тела: баллоны.
Основная цель биомеханики состоит в изучении того, как тело производит силу и генерирует движение. Дисциплина опирается в первую очередь на анатомию, математику и физику; родственными дисциплинами являются антропометрия (изучение размеров человеческого тела), физиология труда и кинезиология (изучение принципов механики и анатомии в отношении движений человека).
При рассмотрении профессионального здоровья рабочего биомеханика помогает понять, почему некоторые задачи вызывают травмы и болезни. Некоторыми значимыми типами неблагоприятного воздействия на здоровье являются растяжение мышц, проблемы с суставами, проблемы со спиной и усталость.
Растяжения и растяжения спины, а также более серьезные проблемы, связанные с межпозвонковыми дисками, являются распространенными примерами травм на рабочем месте, которых можно избежать. Они часто возникают из-за внезапной особой перегрузки, но могут также отражать приложение чрезмерных усилий организмом в течение многих лет: проблемы могут возникнуть внезапно или могут занять время для развития. Примером проблемы, которая развивается со временем, является «пальце швеи». Недавнее описание описывает руки женщины, у которой после 28 лет работы на швейной фабрике, а также шитья в свободное время развилась затвердевшая утолщенная кожа и неспособность сгибать пальцы (Poole 1993). (В частности, она страдала деформацией сгибания указательного пальца правой руки, выраженными узлами Гебердена на указательном и большом пальцах правой руки и заметной мозолью на среднем пальце правой руки из-за постоянного трения ножницами.) снимки ее рук показали серьезные дегенеративные изменения в крайних суставах ее правого указательного и среднего пальцев с потерей суставной щели, суставным склерозом (уплотнение ткани), остеофитами (костные разрастания в суставе) и костными кистами.
Осмотр на рабочем месте показал, что эти проблемы были связаны с многократным переразгибанием (сгибанием) самого наружного сустава пальца. Механическая перегрузка и ограничение кровотока (заметное как побеление пальца) будут максимальными в этих суставах. Эти проблемы развились в ответ на повторяющиеся мышечные нагрузки в других местах, кроме мышц.
Биомеханика помогает предложить способы разработки задач, чтобы избежать таких травм или улучшить плохо разработанные задачи. Решения этих конкретных проблем заключаются в изменении конструкции ножниц и изменении швейных задач, чтобы исключить необходимость в выполняемых действиях.
Два важных принципа биомеханики:
- Мышцы идут парами. Мышцы могут только сокращаться, поэтому для любого сустава должна быть одна мышца (или группа мышц), чтобы двигать его в одну сторону, и соответствующая мышца (или группа мышц), чтобы двигать его в противоположном направлении. На рисунке 1 показана точка для локтевого сустава.
- Мышцы сокращаются наиболее эффективно, когда пара мышц находится в расслабленном равновесии.. Мышца работает наиболее эффективно, когда она находится в средней части сгибаемого сустава. Это происходит по двум причинам: во-первых, если мышца пытается сократиться, когда она укорочена, она будет тянуть против удлиненной противоположной мышцы. Поскольку последний растянут, он приложит упругую противодействующую силу, которую должна преодолеть сокращающаяся мышца. На рис. 2 показано, как мышечная сила зависит от длины мышцы.
Рисунок 1. Скелетные мышцы расположены парами, чтобы инициировать или реверсировать движение.
Рисунок 2. Напряжение мышц зависит от длины мышцы
Во-вторых, если мышца пытается сокращаться не в середине движения сустава, она будет работать с механическими недостатками. Рисунок 3 иллюстрирует изменение механического преимущества локтя в трех разных положениях.
Рисунок 3. Оптимальные позиции для движений в суставах
Из этих принципов вытекает важный критерий планирования работы: работа должна быть организована таким образом, чтобы противоположные мышцы каждого сустава находились в расслабленном равновесии. Для большинства суставов это означает, что сустав должен находиться примерно на среднем уровне движения.
Это правило также означает, что напряжение мышц во время выполнения задачи будет минимальным. Одним из примеров нарушения этого правила является синдром чрезмерного использования (RSI, или повторяющееся растяжение), который поражает мышцы верхней части предплечья у клавишников, которые обычно работают с согнутым запястьем. Часто эта привычка навязывается оператору конструкцией клавиатуры и рабочей станции.
Приложения
Ниже приведены некоторые примеры, иллюстрирующие применение биомеханики.
Оптимальный диаметр рукояток инструмента
Диаметр ручки влияет на усилие, которое мышцы руки могут приложить к инструменту. Исследования показали, что оптимальный диаметр рукоятки зависит от того, для чего предназначен инструмент. Для осуществления толчка по линии рукоятки лучший диаметр тот, который позволяет пальцам и большому пальцу слегка перекрываться. Это около 40 мм. Для приложения крутящего момента оптимален диаметр около 50-65 мм. (К сожалению, для обеих целей большинство дескрипторов меньше этих значений.)
Использование плоскогубцев
Как частный случай рукоятки, способность прилагать усилие плоскогубцами зависит от разделения рукоятки, как показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Сила захвата губками плоскогубцев мужчинами и женщинами в зависимости от расстояния между рукоятками
Поза сидя
Электромиография — это метод, который можно использовать для измерения мышечного напряжения. При исследовании напряженности в монтажник позвоночника мышц (спины) сидящих испытуемых было обнаружено, что откидывание назад (с наклоном спинки) уменьшало напряжение в этих мышцах. Эффект можно объяснить тем, что на спинку приходится большая часть веса верхней части тела.
Рентгенологические исследования испытуемых в различных позах показали, что положение расслабленного равновесия мышц, размыкающих и закрывающих тазобедренный сустав, соответствует углу бедра около 135°. Это близко к положению (128º), естественно принятому этим суставом в условиях невесомости (в космосе). В сидячем положении с углом 90º в бедре мышцы подколенного сухожилия, которые охватывают как коленные, так и тазобедренные суставы, имеют тенденцию тянуть крестец (часть позвоночного столба, которая соединяется с тазом) в вертикальное положение. Эффект заключается в устранении естественного лордоза (искривления) поясничного отдела позвоночника; стулья должны иметь соответствующие спинки, чтобы скорректировать это усилие.
Заворачивание
Почему винты вставляются по часовой стрелке? Эта практика, вероятно, возникла из бессознательного осознания того, что мышцы, вращающие правую руку по часовой стрелке (большинство людей правши), крупнее (и, следовательно, мощнее), чем мышцы, вращающие ее против часовой стрелки.
Обратите внимание, что левшам будет неудобно вкручивать винты вручную. Около 9% населения — левши, поэтому в некоторых ситуациях им потребуются специальные инструменты: два таких примера — ножницы и консервные ножи.
Исследование людей, использующих отвертки при сборке, выявило более тонкую связь между конкретным движением и конкретной проблемой со здоровьем. Выяснилось, что чем больше угол локтя (чем прямее рука), тем больше у людей было воспалений в локтевом суставе. Причина этого эффекта заключается в том, что мышца, вращающая предплечье (бицепс), также притягивает головку лучевой кости (нижняя кость руки) к головке (округлой головке) плечевой кости (верхняя кость руки). Повышенная сила при более высоком угле локтя вызвала большую силу трения в локте с последующим нагревом сустава, что привело к воспалению. При более высоком угле мышца также должна была тянуться с большей силой, чтобы произвести завинчивающее действие, поэтому прикладывалась большая сила, чем потребовалось бы, если локоть находился под углом около 90º. Решение состояло в том, чтобы перенести задачу ближе к операторам, чтобы уменьшить угол локтя примерно до 90º.
Приведенные выше случаи демонстрируют, что для применения биомеханики на рабочем месте требуется правильное понимание анатомии. Разработчикам задач может потребоваться консультация экспертов по функциональной анатомии, чтобы предвидеть типы обсуждаемых проблем. (Карманный эргономист (Браун и Митчелл, 1986), основанные на электромиографическом исследовании, предлагают множество способов уменьшить физический дискомфорт на работе.)
Ручная обработка материалов
Термин ручная обработка включает в себя подъем, опускание, толкание, тягу, переноску, перемещение, удерживание и удержание и охватывает большую часть деятельности в трудовой жизни.
Биомеханика имеет прямое отношение к ручной работе, так как мышцы должны двигаться, чтобы выполнять задачи. Вопрос в том, сколько физической работы можно разумно ожидать от людей? Ответ зависит от обстоятельств; на самом деле нужно задать три вопроса. У каждого есть ответ, основанный на научно исследованных критериях:
- Сколько можно выдержать без ущерба для организма (в виде, например, мышечного напряжения, травмы диска или проблем с суставами)? Это называется биомеханический критерий.
- Сколько можно выдержать, не перенапрягая легкие (дыша тяжело, вплоть до одышки)? Это называется физиологический критерий.
- Сколько люди чувствуют себя в состоянии справиться с комфортом? Это называется психофизический критерий.
Необходимость в этих трех разных критериях существует, потому что есть три широко различающиеся реакции, которые могут возникнуть при выполнении подъемных работ: если работа продолжается весь день, беспокойство будет заключаться в том, как человек для многих туристов о задаче — психофизический критерий; если сила, которую нужно приложить, велика, проблема будет заключаться в том, что мышцы и суставы не перегружен до места повреждения - биомеханический критерий; и если скорость работы слишком велика, то она вполне может превышать физиологический критерий или аэробные возможности человека.
Многие факторы определяют степень нагрузки на тело при выполнении ручных операций. Все они предлагают возможности для контроля.
Поза и движения
Если задача требует от человека скручивания или протягивания груза вперед, риск получения травмы выше. Рабочая станция часто может быть изменена, чтобы предотвратить эти действия. Больше травм спины происходит, когда подъем начинается с уровня земли, чем с уровня середины бедра, и это предполагает простые меры контроля. (Это относится и к поднятию тяжестей.)
Загрузка.
Сам груз может влиять на управляемость из-за его веса и расположения. Другие факторы, такие как его форма, его устойчивость, его размер и его скользкость, могут повлиять на легкость обработки.
Организация и окружение.
То, как организована работа, как физически, так и во времени (временно), также влияет на управляемость. Лучше распределить бремя разгрузки грузовика в зоне доставки на нескольких человек в течение часа, чем просить одного работника потратить на эту задачу весь день. Окружающая среда влияет на управляемость — плохое освещение, загроможденные или неровные полы и плохая уборка могут привести к тому, что человек споткнется.
Личные факторы.
Личные навыки обращения, возраст человека и одежда также могут влиять на требования к обращению. Обучение дрессировке и поднятию тяжестей требуется как для предоставления необходимой информации, так и для того, чтобы дать время для развития физических навыков манипуляций. Молодые люди больше подвержены риску; с другой стороны, у пожилых людей меньше сил и меньше физиологических возможностей. Тесная одежда может увеличить мышечную силу, необходимую для выполнения задачи, поскольку люди напрягаются от тесной ткани; классическими примерами являются халат медсестры и узкий комбинезон, когда люди работают над головой.
Рекомендуемые пределы веса
Упомянутые выше моменты указывают на то, что невозможно указать вес, который будет «безопасным» при любых обстоятельствах. (Ограничения по весу, как правило, произвольно варьировались от страны к стране. Индийским докерам, например, когда-то было «разрешено» поднимать 110 кг, в то время как их коллегам в бывшей Народно-Демократической Республике Германии было «ограничено» до 32 кг. .) Ограничения по весу также имеют тенденцию быть слишком большими. 55 кг, предлагаемые во многих странах, теперь считаются слишком большими на основании последних научных данных. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) в США в 23 году принял 1991 кг в качестве предела нагрузки (Waters et al. 1993).
Каждая подъемная задача должна оцениваться по существу. Полезным подходом к определению предела веса для подъемной задачи является уравнение, разработанное NIOSH:
RWL = LC x HM x VM x дм х до полудня х см х FM
где
РВЛ = рекомендуемый предел веса для рассматриваемой задачи
HM = горизонтальное расстояние от центра тяжести груза до середины между лодыжками (минимум 15 см, максимум 80 см)
VM = расстояние по вертикали между центром тяжести груза и полом в начале подъема (максимум 175 см)
DM = вертикальное перемещение подъемника (минимум 25 см, максимум 200 см)
AM = коэффициент асимметрии - угол, от которого задача отклоняется прямо перед телом
CM = множитель сцепления - способность хорошо удерживать поднимаемый предмет, который можно найти в справочной таблице.
FM = множители частоты – частота подъема.
Все переменные длины в уравнении выражены в сантиметрах. Следует отметить, что 23 кг — это максимальный вес, рекомендуемый NIOSH для подъема. Это значение было снижено с 40 кг после того, как наблюдения за многими людьми, выполняющими множество подъемных работ, показали, что среднее расстояние от тела в начале подъема составляет 25 см, а не 15 см, как предполагалось в более ранней версии уравнения (NIOSH 1981). ).
Подъемный индекс.
Сравнивая вес, который нужно поднять в задании, и RWL, индекс подъема (LI) можно получить по соотношению:
LI=(обрабатываемый вес)/РВЛ.
Таким образом, особенно ценным использованием уравнения NIOSH является размещение задач по подъему груза в порядке серьезности с использованием индекса подъема для определения приоритетов действий. (Однако это уравнение имеет ряд ограничений, которые необходимо понимать для его наиболее эффективного применения. См. Waters et al. 1993).
Оценка компрессии позвоночника, вызванной заданием
Доступно компьютерное программное обеспечение для оценки компрессии позвоночника, вызванной ручным манипулированием. Программы прогнозирования статической силы 2D и 3D Мичиганского университета («Backsoft») оценивают компрессию позвоночника. Входные данные, необходимые для программы:
- поза, в которой выполняется манипуляционная деятельность
- приложенная сила
- направление приложения силы
- количество рук, прилагающих силу
- процентиль изучаемой совокупности.
2D- и 3D-программы отличаются тем, что 3D-программное обеспечение позволяет выполнять вычисления, применяемые к позам в трех измерениях. Выходные данные программы предоставляют данные о компрессии позвоночника и перечисляют процент выбранной популяции, которая была бы в состоянии выполнить конкретную задачу без превышения предложенных ограничений для шести суставов: голеностопного, коленного, тазобедренного, первого поясничного диска-крестца, плеча и локтя. Этот метод также имеет ряд ограничений, которые необходимо полностью понимать, чтобы извлечь максимальную пользу из программы.