Основы физиологии труда и комфортные условия жизнедеятельности в техносфере

Энергобаланс трудовой деятельности человека

Находясь в системе «человек — среда обитания», человек испытывает определенное влияние со стороны среды обитания и сам активно воздействует на нее в процессе своей жизнедеятельности. Как известно, любая открытая система или подсистема (а человек относится именно к такому классу систем) характеризуется тремя основными видами связей с окружающей средой: вещественными, энергетическими и информационными. Указанные виды связей в процессе трудовой деятельности человека действуют комплексно, варьируясь по своему удельному вкладу в общее обеспечение потребностей человека в зависимости от конкретного вида труда.

Указанные потребности, в свою очередь, во многом предопределяются физиологическими процессами, происходящими в организме человека при его жизнедеятельности. Согласно известному толкованию физиология (от греч. physis — природа + logos — учение) обозначает совокупность функций живого организма и всех жизненных процессов, протекающих как в организме в целом, так и в отдельных его частях или структурных элементах.

Соответственно, физиология труда изучает законы жизнедеятельности организма человека во взаимодействии с окружающей средой при выполнении им трудовых функций, в его непрерывном приспособлении к меняющимся условиям среды обитания и совершенствовании проводимых трудовых процессов.

Рассмотренные выше виды и формы труда отражают лишь внешнюю сторону выполняемых человеком трудовых процессов, но не затрагивают его самочувствие и субъективное восприятие осуществляемой трудовой деятельности. Однако в конечном счете именно от этого зависит эффективность действий работника. В связи с этим при рассмотрении физиологии труда прежде всего обращают внимание на энергозатраты организма человека, которые, как показывают результаты многочисленных исследований, находятся в тесной зависимости от физической тяжести и психической напряженности выполняемых трудовых процессов.

В целом организм человека в определенной степени можно уподобить тепловой машине, в которой существует некоторый энергетический баланс происходящих внутренних и внешних процессов. С одной стороны, человек принимает пищу и воду, которые совместно с дыханием в результате действия процессов внутреннего метаболизма (обмена веществ) являются для него основным источником внутренней энергии (Евнут). В то же время человек, находясь в некоторой среде обитания, может получать извне какое-то количество внешней энергии (Евнеш), обусловленной внешними тепловыми источниками радиационного, контактного или конвективного типа, а также возможными их комбинациями.

Сумма указанных внутренних и внешних поступлений энергии в организм человека образует его своеобразный «энергетический дебет». При этом важно, чтобы внешние энергетические поступления не превышали определенных допустимых пределов и не превращались для человека в дополнительный фактор негативных воздействий, отягощающий его жизнедеятельность или снижающий эффективность его труда.

Одновременно с процессами энергетических поступлений организм человека расходует свою энергию. Во-первых, к энергетическим затратам организма следует отнести основной обмен — минимальную энергию (Еосн), расходуемую в процессе метаболизма просто на поддержание всех его функций в нормальном и спокойном состоянии без выполнения каких-либо работ, особенно тяжелых или напряженных видов труда.

Во-вторых, энергия человека тратится собственно на выполнение тех или иных рабочих функций, определенной трудовой деятельности. При этом существенную роль играют не только вид и форма выполняемого труда, но и его особенности, к числу которых относятся динамика трудовых процессов, развиваемая максимальная и средняя мощность при их выполнении, рабочее положение исполнителя, микроклимат среды обитания человека и многие другие факторы. В связи с этим можно считать физическую тяжесть и психическую напряженность труда интегральными показателями, напрямую связанными с трудовыми энергозатратами (Егр) и, в свою очередь, влияющими на его эффективность.

В-третьих, компонентом энергозатрат человека в процессе любого вида жизнедеятельности являются тепловые потери организма, связанные с неравновесностью состояний этого организма и его среды обитания, а также с испарением. Как и в случае поступления энергии к человеку извне, такие потери энергии (Етепл) организмом можно разделить на контактные, радиационные и конвективные.

Суммарные энергетические расходы организма представляют собой своеобразный «энергетический кредит», в котором обычно превалируют именно трудовые энергопотери. К тому же обычно не удается разделить первые два вида энергозатрат, и потери энергии на метаболизм измеряются совместно с трудовыми энергопотерями по уровню метаболического тепла.

В итоге общий энергетический баланс организма человека будет выглядеть в идеальном случае следующим образом:

(3.1).

Равенство левой (энергоприходной) и правой (энергорасходной) частей данного уравнения предполагает полную уравновешенность энергетического баланса организма человека в процессе его трудовой деятельности. К сожалению, на практике подобное состояние является скорее желаемым, чем действительно существующим.

В реальности из-за инерционности процессов пищеварения, дыхания и других метаболических процессов, связанных с обменом веществ и тепловыделениями организма, в каждый текущий момент времени всегда имеет место энергетическая неравновесность (?Е) между человеком и его средой обитания, которая подсчитывается на основе преобразованного уравнения (3.1):

(3.2).

В выражении (3.2) учтены некоторые основные особенности энергобаланса организма человека. Во-первых, основным источником энергии в процессе его жизнедеятельности являются именно внутренние поступления, образующиеся на основе питания и дыхания человека. Во-вторых, метаболические затраты основного обмена и трудовые затраты энергии человека измеряются совместно, что отражено суммой показателей в круглых скобках. В-третьих, баланс между тепловой энергией, вырабатываемой и отдаваемой человеком во внешнюю среду, и той тепловой энергией, которая поступает в организм человека из среды обитания, во многом определяется физическими законами теплообмена на основе косвенного сравнения усредненных температур организма человека и среды его обитания.

При значениях ?Е >> 0, обусловленных значительным избытком тепловой энергии, суммарно вырабатываемой организмом человека в процессе жизнедеятельности, и тепловых поступлений из среды обитания, возможно развитие так называемой гипертермии (т.е. перегрева организма), ведущей в наиболее тяжелых случаях к тепловому удару, потере сознания и даже смерти человека.

При значениях ?Е << 0, обусловленных значительным дефицитом тепла, суммарно вырабатываемого человеком в процессе работы и поступающего из среды обитания, напротив, возможно развитие гипотермии (т.е. переохлаждения организма), ведущей к простудным заболеваниям, воспалению легких, радикулиту, обморожению конечностей, а при понижении температуры менее определенного предела — к гибели человека.

В связи с этим наиболее благоприятными и даже комфортными условиями жизнедеятельности человека с точки зрения физиологии труда следует считать приближенное выполнение равенства ?Е?0, что соответствует примерному энергетическому балансу организма человека со средой его обитания в процессе выполнения трудовых функций.

Оценивая количественные величины приведенных выше показателей, следует отметить, что суммарное значение Евнут складывается из энергетических поступлений в организм человека, связанных прежде всего с употреблением пищи, причем энергетическая ценность различных веществ при их усвоении организмом составляет от 17,6 (для 1 г углеводов или белков) до 38,94 кДж (для 1 г жиров), что соответствует величинам от 4,2 до 9,3 ккал. При сбалансированном питании и установлении пищевого рациона белки должны обеспечивать 15% суточной калорийности, жиры — 30%, а углеводы — 55%. Массовое соотношение указанных компонентов в пище человека соответственно должно составлять примерно 1:1:4с учетом того, что усредненный суточный расход энергии взрослого человека при нормальной жизнедеятельности ориентировочно находится в пределах 2500−3000 ккал. Отсутствие полноценного питания, особенно при тяжелом физическом труде, неизбежно приводит к нарушениям работы отдельных органов и систем человека, истощению организма и снижению его сопротивляемости заболеваниям. Примерно так же действует и переизбыток высококалорийной пищи при малоподвижном образе жизни, приводящий к избыточному весу человека, ухудшению его состояния и повышению риска заболеваний, в первую очередь сердечно-сосудистого характера.

Усредненная величина минимальных метаболических энергозатрат Е основного обмена для спокойного состояния человека массой 75 кг без выполнения им каких-либо трудовых действий составляет 75,4 ккал/ч (87,5 Вт), что соответствует постоянно действующему фоновому значению энергетических потерь организма около 1800 ккал, затрачиваемых на осуществление его собственной жизнедеятельности и поддержание необходимого теплового режима с обеспечением средней температуры тела в достаточно узком диапазоне 36,5−36,8 °С.

В соответствии с существующими в настоящее время санитарными правилами и нормами, в зависимости от тяжести физического труда различают следующие основные категории трудовой деятельности:

• • легкая физическая работа категории 1а — с интенсивностью энергозатрат до 120 ккал/ч (до 139 Вт) при выполнении трудовых функций в часовом и швейном производстве, сфере управления и т. д.;
• • легкая физическая работа категории 16 — с интенсивностью энергозатрат в диапазоне 121 — 150 ккал/ч (140−174 Вт) при выполнении трудовых функций в области полиграфии, связи, на должности контролера, мастера, нормировщика и т. д.;
• • физическая работа средней тяжести категории IIа — с интенсивностью энергозатрат в диапазоне 151−200 ккал/ч (175−232 Вт) при выполнении трудовых функций, связанных с частой или постоянной ходьбой в прядильно-ткацком производстве, механосборочных цехах и т. д.;
• • физическая работа средней тяжести категории Пб — с интенсивностью энергозатрат в диапазоне 201−250 ккал/ч (233−290 Вт) при выполнении трудовых функций, связанных с переноской тяжестей от 1 до 10 кг в заготовительном, механическом, прокатном цехах и т. д.;
• • тяжелая физическая работа категории III — с интенсивностью энергозатрат более 250 ккал/ч (более 290 Вт) при выполнении трудовых функций, связанных с постоянной переноской тяжестей более 10 кг в литейном, кузнечном производстве с ручным литьем, ручной ковкой, при работе каменщиком, грузчиком и т. д.

Таким образом, в зависимости от степени тяжести выполняемой физической работы человек может потратить в течение одной общепринятой восьмичасовой смены от 900 до более 2000 ккал, т. е. величина трудовых физических энергопотерь (Етр) для разных видов работ может изменяться более чем в два раза.

Однако кроме физических энергопотерь работника, характеризующих тяжесть его труда, существуют также нервно-эмоциональные энергопотери, связанные с повышенным уровнем напряженности трудовой деятельности человека, обусловленные высокой мерой ответственности или риска труда.

В обычных условиях операторский и умственный (интеллектуальный) труд приводит к нервно-эмоциональным энергозатратам человека в диапазоне 104−125 ккал/ч (121 -144 Вт), что примерно соответствует выполнению легкой физической работы от категории Iа до категории 1б. Однако при повышении сложности, ответственности или опасности указанных видов трудовой деятельности энергозатраты оператора временами могут достигать 250 ккал/ч (288 Вт), например при работе авиадиспетчера или управлении в критической ситуации энергоблоком атомной станции. Высокого уровня нервно-эмоциональных энергонагрузок человека, доходящих до 240 ккал/ч (278 Вт), требуют публичные выступления, чтение лекций преподавателями, игра театральных актеров, что сравнимо по энергозатратам с физическими работами средней тяжести категории IIб.

К особому роду деятельности относится конвейерный труд, при котором рабочие вынуждены подчиняться общему ритму движения конвейерной линии, например в часовом, автомобильном или каком-либо другом сборочном производстве. Это чревато развитием у человека монотонии — усталости от однообразной работы, ведущей к ослаблению внимания, увеличению числа трудовых ошибок, повышению риска травматизма.

Наибольшей сложностью отличается работа людей в экстремальных и сверхэкстремальных условиях среды обитания, когда значительным физическим усилиям человека сопутствует огромная нервно-эмоциональная нагрузка, например при работе в открытом космосе или под водой.

В целом максимальный уровень суммарных энергетических затрат человека в течение суток, включая основной обмен и нерабочее состояние, не должен превышать 20 МДж (4780 ккал). При этом, поскольку существует эффект накопления усталости за длительное время работы, считается, что в течение недели суммарные трудовые энергозатраты здорового мужчины среднего возраста, работающего в благоприятных условиях среды обитания, не должны быть более 33 МДж, т. е. примерно 8000 ккал.

Как правило, необходимость выполнения человеком заданной трудовой деятельности приводит к вынужденному возрастанию его метаболических (обменных) энергопоступлений (Евнут), причем с некоторым превышением по сравнению с суммой энергозатрат основного обмена (Еосн) и трудовых энергозатрат (Етр). В итоге образуется некоторый избыток метаболической энергии (?Емет):

который начинает участвовать в общем тепловом балансе взаимодействия человека с средой его обитания, приводя (например, при выполнении тяжелых работ в «горячих» цехах) к повышению собственной температуры тела человека на 1 — 1,5°С и многократному усилению его потоотделения.

Соотношение энергобаланса между организмом человека и средой его обитания, определяемое указанной величиной? Емет и двумя последними параметрами выражения (3.2), во многом зависит от эффективных температур человеческого тела T1 и окружающего микроклимата Т2, которые значительно влияют на конечный результат обеспечения так называемой терморегуляции организма.

Рассматривать тепловые энерговыделения человека в окружающую среду, отражаемые взаимосвязанными показателями? Eмет и Eтепл, и тепловые энергопоступления Eвнеш из окружающей среды к человеку лучше всего совместно, используя соотношение энергетического дисбаланса? E этих величин и тот факт, что в конечном счете при переходе энергетического дисбаланса? E в тепловой дисбаланс ?Q именно это соотношение будет определять результирующую тепловую комфортность или, напротив, тепловую опасность человеческой жизнедеятельности в той или иной среде обитания:

С другой стороны, основными видами теплообмена между человеком и средой обитания, определяющими знак и величину результирующего теплового дисбаланса ?Q, являются: контактная теплопроводность (Qтпр), возникающая в результате прямого контакта человеческого тела и объектов среды обитания; лучистый теплообмен (Qизл), происходящий путем бесконтактного радиационного теплового излучения между человеком и объектами среды обитания; конвективный теплообмен (Qконв), возникающий в результате теплопередачи при макродвижении окружающей среды; теплоотдача испарением (Qисп), происходящая путем теплосброса при испарении влаги с поверхности человеческого тела.

С учетом указанных показателей уравнение теплового баланса человеческого организма и его среды обитания в самом общем виде может быть представлено следующим образом:

Не вдаваясь в математические подробности определения указанных видов теплопередачи, рассмотрим подробнее физический смысл каждого из них и совместный результат действия этих показателей.