室內(nèi)人機工程學(xué)8

3.2肢體的運動與肌肉施力

人體的一切活動都是通過人體的運動系統(tǒng)實現(xiàn)的。運動系統(tǒng)由三個主要部分組成：骨

骼、關(guān)節(jié)和肌肉，運動系統(tǒng)的運動作用實際是肌肉收縮牽動骨骼繞關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，所以人體活動能力決定于肌肉。無論是人體自身的平衡穩(wěn)定或人體的運動，都離不開肌肉的機能。肌肉的機能是收縮和產(chǎn)生肌力，肌力可以作用于骨，通過人體結(jié)構(gòu)再作用于其他物體上，稱為肌

肉施力。

L

W

容積

大

167

73.5

48

210L

，卜

152

73.5

48

180L

舟形浴缸（依據(jù)J1S標準）

L

W

H

容積

大

167

75

48

220L

小

152

75

48

195L

角形浴缸（依據(jù)JIS標準）

坐用便器低式水箱

圖3-29（二）

坐用便器高式水箱或沖洗管

3?2?1肌肉

肌肉占人體總重量的40％左右，分布于人體的各個部位，肌肉由肌纖維組成，每塊的肌肉的兩端形成肌腱，肌腱的強度極高，牢牢地附著在骨骼上。肌肉具有一個重要的特性，他的長度可以比正常的長度縮短一半，稱為肌肉的收縮。肌肉收縮的能力與長度有關(guān)，肌肉越長，收縮肌做功能力越強。每條肌肉都有一定大小的力收縮，肌肉的最大肌力為每平方厘米截面3—4公斤力，可見人的肌力大小取決于肌肉的橫截面積的大小。由于女性的肌肉較小，肌力比男性約小30％。肌肉產(chǎn)生力的大小還與收縮的長度有關(guān)，長度為靜息狀態(tài)長度時產(chǎn)生的力量最大。隨著肌肉長度的縮短，肌肉產(chǎn)生肌力的能力逐漸下降。

肌肉在收縮的過程中，消耗肌肉中的化學(xué)能而產(chǎn)生機械能，即肌肉的收縮是通過將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能來實現(xiàn)的?；瘜W(xué)能的轉(zhuǎn)換是一個復(fù)雜的過程，需要消耗能量，能量的來源主要依靠葡萄糖、脂肪和蛋白質(zhì)，同時還需要有氧的參與，葡萄糖和氧這些重要的產(chǎn)能物質(zhì)在肌肉中的貯存量很少，必須靠血液的輸送，所以血液的輸送是影響肌肉活動的限制性因素。

3?2?2靜態(tài)肌肉施力

肌肉施力有兩種方式t（l）動態(tài)肌肉施力：（2）靜態(tài)肌肉施力（圖3—30）。血液輸送動態(tài)和

靜態(tài)施力的基本區(qū)別之一在于它們對血液流動的影響。靜態(tài)施力時，收縮的肌肉組織壓迫血管阻止血液進入肌肉，肌肉無法從血液中得到糖和氧的補充，不得不依賴于本身的能量儲備。對肌肉影響更大的是代謝廢物不能迅速排除，積累的廢物造成肌肉酸痛，引起肌肉疲勞由于酸痛難忍，靜態(tài)作業(yè)的持續(xù)時間受到限制。與此相反，動態(tài)施力時，肌肉有節(jié)奏地收縮和舒張，這對于血液循環(huán)而言，相當于一個泵的作用，肌肉收縮時將血液壓出肌肉，舒張時又使新鮮血液進入肌肉，此時血液輸送量比平常提高幾倍，有時可達靜息狀態(tài)時輸入肌肉血液量的10°20倍。血液大量流動不但使肌肉獲得足夠的糖和氧，而且迅速排除了代謝廢物。因此，只要選擇合理的作業(yè)節(jié)奏，動態(tài)作業(yè)可以延續(xù)很長時間而不產(chǎn)生疲勞。心臟的工

作就是動態(tài)作業(yè)的，在人的一生中，心臟不停地搏動，心肌從不“疲勞”。肌肉施力方式對血液輸送的影響用圖形表示更加一目了然(如圖3—31)。

3．2．3靜態(tài)施力舉例

放松

口□

需血量供血量

動力

■M

需血量供血量

靜力

BU

需血量供血量

1

0

圖3-31動態(tài)施力和靜態(tài)施力

日常生活中，有許多靜態(tài)施力的例子。人站立時，從腿部、臀部、腰部到頸部，有許多塊肌肉在長時間地施力或者叫靜態(tài)施力。實際上，無論人的身體姿勢怎樣，都存在部分肌肉靜態(tài)受力，只是程度不同而已。人在坐下時，由于解除了腿部靜態(tài)受力，從而改善了人體肌肉受力狀況。而人在躺下時，幾乎可以解除所有的肌肉靜態(tài)受力狀況，所以躺下是最佳的休息姿勢。還必須說明，?并不是每項工作都可明確地劃分靜態(tài)施力與動態(tài)施力之間的界線的，通常某項作業(yè)既有靜態(tài)施力又有動態(tài)施力。由于靜態(tài)施力的作業(yè)方式比較“費力”，因此當兩種作業(yè)方式同時存在時，首先要處理好靜態(tài)作業(yè)。靜態(tài)施力的劃分可以參照下列標準：

(1)持續(xù)los以上，肌肉施大力；

(2)持續(xù)hnin以上，肌肉中等施力；

(3)持續(xù)4rain以上，肌肉施小力(約為個人最大肌力的1／8)幾乎所有的工業(yè)和職業(yè)勞動都包括不同程度的靜態(tài)施力，例如：

(1)工作時，向前彎腰或者向兩側(cè)彎腰；(2)用手臂夾持物體；(3)工作時，手臂水平抬起

(4)一只腳支撐體重，另一只腳控制機器；(5)長時間站立在一個位置上。

病癥靜態(tài)肌肉施力一方面加速肌肉疲勞過程，引起難忍的酸痛。另一方面，長期受靜態(tài)施力的影響，就會發(fā)生永久性疼痛的病癥，不僅肌肉酸痛，而且擴散到關(guān)節(jié)、腿和其他組織，因而損傷關(guān)節(jié)、軟骨和腿。靜態(tài)負荷太大，可引起下列病癥，

(1)關(guān)節(jié)部位炎癥；(2)腱膜炎；(3)腱端炎癥；(4)關(guān)節(jié)慢性病變；(5)椎間盤病癥。長時間地站立于一個位置是機床操作和許多職業(yè)中常見的工作姿勢，它們也是一種靜態(tài)作業(yè)，此時腳，膝和臀部關(guān)節(jié)得不到活動。站立引起的肌肉施力并不大，低于最大肌力的15％。因長時間站立引起的疲勞和不舒服，不完全是靜態(tài)肌肉受力引起的，腿部靜脈血壓增高也是一個重要的原因。站立不動會引起靜脈血壓增高。

(1)腳部增加80mmHg柱；(2)大腿部增加40mmHg柱。人行走時，腿部肌肉起到一個泵的作用，抵消靜脈血壓高的影響，有利于將血液推回心臟。可見，原地站立不僅因靜態(tài)受力引起肌肉酸痛，而且由于靜脈血液流動不足，產(chǎn)生不舒服的感覺。如果始終站立是不可避免的，應(yīng)該考慮中間安排活動?？傊?，作用在人體上的靜負荷對于局部肌肉的血液流動以及全身的血液流動都是不利的。人的靜止工作和有活動的工作對血壓的影響是不一樣的。

(*)

圖3-32

3．2．4避免靜態(tài)肌肉施力

無論是設(shè)計機器設(shè)備、儀器、工具還是進行作業(yè)設(shè)計和工作空間設(shè)計，都應(yīng)遵循避免靜態(tài)肌肉施力這一人體工程學(xué)的基本設(shè)計原則。例如，應(yīng)避免使操作者在控制機器時長時間地抓握物體。當靜態(tài)施力無法避免時，肌肉施力的大小應(yīng)低于該肌肉最大肌力的1.5％。在動態(tài)作業(yè)中，如果作業(yè)動作是簡單的重復(fù)性動作，則肌肉施力的大小也不得超過該肌肉最大肌力的30％。

避免靜態(tài)肌肉施力的幾個設(shè)計要點：1．避免彎腰或其他不自然的身體姿勢，如圖3-32。當身體和頭向兩側(cè)彎曲造成多塊肌肉靜態(tài)受力時，其危害性大于身體和頭向前彎曲所造成的危害性。2．避免長時間地抬手作業(yè)。抬手過高不僅引起疲勞，而且降低操作精度和影響人的技能的發(fā)揮。圖3-33，操作者的右手和右肩的肌肉狀態(tài)受力容易疲勞，操作精度降低，工作效率受到影響。只有重新設(shè)計，使作業(yè)面降到肘關(guān)節(jié)以下，才能提高作業(yè)效率，保證操作者的健康。

3．坐著工作比站著工作省力。工作椅的坐面高度應(yīng)調(diào)到使操作者能十分容易地改變站和坐

的姿勢的高度，如圖3—34，這就可以減少站起和坐下時造成的疲勞，尤其對于需要頻繁走動的工作，更應(yīng)如此設(shè)計工作椅。

3.1

175

165

75,

135

75

EOO

男子

77

66

71/

223

215

195

185

肩髙

155

145

EO卜

-105

-95

-85_

>75

-67空高

圖3-34

205

頭高眼高

作業(yè)臺高7,\

66、

身體各部分

磴量百分比（％）

標準偏差

頭

7.28

0.16

軀干

50.70

0.57

手

0.65

0.02

前臂

1.62

0.04

前傅+手

2.27

0.06

r.臂

2.63

0.06

一條手臂

4.90

0.09

兩條手臂

9.80

腳

1.47

0.03

小腿

4?36

0.10

小腿+腳

5.83

0.12

X腿

10.27

0.23

一條腿

16.10

0.26

兩條腿

32.20

總計

99.98

身體各部分的表3-2

4．雙手同時操作時，手的運動方向應(yīng)相反或者對稱運動，單手作業(yè)本身就造成背部肌肉靜態(tài)施力。另外，雙手作對稱運動有利于神經(jīng)控制。

5．作業(yè)位置（作業(yè)的臺面或作業(yè)的空間）高度應(yīng)按工作者的眼睛和觀察時所需的距離來設(shè)計。觀察時所需要的距離越近，作業(yè)位置應(yīng)越高。可見，作業(yè)位置的高度應(yīng)保證工作者的姿勢自然，身體稍微前傾，眼睛正好處在觀察時要求的距離。還采用了手臂支承，以避免手臂肌肉靜態(tài)施力。

6．常用工具，如鉗子、手柄、工具和其他零部件、材料等，都應(yīng)按其使用的頻率或操作頻率安放在人的附近。最頻繁的操作動作，應(yīng)該在肘關(guān)節(jié)彎曲的情況下就可以完成。為了保證手的用力和發(fā)揮技能，操作時手最好距眼睛25—30cra，肘關(guān)節(jié)呈直角，手臂自然放下。7．當手不得不在較高位置作業(yè)時，應(yīng)使用支承物來托住肘關(guān)節(jié)、前臂或者手，圖3—33。支承物的表面應(yīng)為毛布或其他較柔軟而且不發(fā)涼的材料，支撐物應(yīng)可調(diào)，以適合不同體格的人。腳的支撐物不僅應(yīng)托住腳的重量，而且應(yīng)允許腳做適當?shù)囊苿印?/p>

8．支持肢體，表3—2給出了身體各部分重量占整個身體重量的百分比。表3—3給出了體某些部分重量的計算公式。人體頭部的重量大約是人體重量的o.0728倍。如果一個人的體重是90kg，那么頭重大約為0.0728（90）=6.6kg（圖3—35）。頸支撐著頭，如果一個人的體重是90kg；那么一只手大約o.6kg。一只手加一段前臂大約2kg，一條手臂的重量大約為4.4kg。需要提醒的是，當手中雖然只捏著一根2.5e的雞毛，但卻同時支持著4.4kg的整個手臂。避免長時間的敬禮姿勢以及越過頭頂?shù)牟僮?，如仰焊、油漆頂棚等。手臂的位置影響血液流動，也影響手臂的溫度。當向上舉直手，流到該手臂的血液最少，并且手臂溫度會下降大約1.O°C。當把手垂下或身體躺下后把手平放在身體兩邊，則流到手臂的血液最多。當雙手捏物需要近處細看時，必須支持兩個手臂的重量。如果把該件物品置于手臂舒

適的位置，則眼睛不一定能看清楚這件物品。解決辦法是手持這件物品靠近跟晴，但將手腕、前臂或肘部支撐在桌子上、靠墊上或座椅上。如果一個人的體重是90kg，那么一只腳重大約1.3ke,一只腳加一段小腿大約5.2kg,一條腿大約重14.5k日。

3.3人體作業(yè)效率

根據(jù)人的體能特點，最大效率地發(fā)揮人的肌體能力，減少體能的消耗，是作業(yè)環(huán)境設(shè)計的一個重要問題。

3．3．1肌肉的施力

部分

公式

標準偏差

軀'干

0.551X-2.837

1.33

頭+軀干

0.580x4-0.009

1.36

一條手臂

0.047x4-0.132

0.23

上臂

0.030x—0.238

0.14

大腿

0.120X-1.123

0.54

腳

0.009+0.369

0.06

身體某些部分重量的計算公式表3-3

注：表中的丄為整個身體的重址。

從能量的角度分析，肌肉收縮時產(chǎn)生的能量的總量包括機械能和熱能兩部分。機械能可轉(zhuǎn)換為有用的功，而熱能對作業(yè)無用。所謂肌肉收縮的機械效率，是指肌力做功與肌肉收縮產(chǎn)能總量之比。人體肌肉作業(yè)的效率通常只有20％一25％，它與作業(yè)的方式、人的性別、訓(xùn)練等因素有關(guān)系。一般法則對于任何形式的人體活動，只要用力較大，則人體活動的方式應(yīng)盡量與肌肉產(chǎn)生盡可能大的肌力所需要的活動方式相一致，即哪種方式產(chǎn)生的肌力最大，就以哪種方式進行施力活動。這樣，當外來負荷一定時肌肉的實際負荷得到減輕。這里的肌力可以是單塊肌肉的收縮作用，也可以是多塊肌肉收縮的綜合作用。例如，若需要靜止地把握住一個物體，按照上文的施力法則，人體的姿勢就必須保證用盡可能強壯的肌肉來施力。因為肌肉越強壯，肌肉產(chǎn)生的肌力越大，故可降低每塊肌肉的實際負荷。如果要避免疲勞，必須使每塊肌肉的實際負荷只達到肌肉最大肌力的15％。

前文已經(jīng)提到，肌肉在其剛開始收縮時，即當肌肉沒有縮短時，產(chǎn)生的肌力最大。因此，在施力時，尤其在負荷很大的情況下，應(yīng)使肌肉處于其自然狀態(tài)的長度，這也是合理使用肌力的一條法則。當然，這一條在實際作業(yè)中極難做到。

3.3.2肢體出力

肌肉收縮產(chǎn)生的力是作用于骨骼上，骨骼以關(guān)節(jié)的形式互相連接。從力學(xué)的角度而言，人體運動系統(tǒng)是杠桿系統(tǒng)，外力與肌力之間的力平衡符合杠桿定律，見圖3—36。肢體運動出力主要是手足的出力，還有全身的協(xié)調(diào)用力。人的出力特征主要有三個：方向、時間和大小限度。

人在不同的方向上肢體的出力大小是不同的，圖3—37，手臂的內(nèi)收力明顯大于外展力。手在身體中心線前300n處內(nèi)收縮產(chǎn)生的力最大。手在左右移動時推力大于拉力，最大約40kz。最大內(nèi)收力與肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖3—38。在前后運動時拉力大于推力。見圖3—39。人體出力時的姿態(tài)與出力點的位置也會對力量的大小有影響。見圖3—4］。

出力的大小還與時間相關(guān)，手的瞬時發(fā)力大約lloks,持續(xù)拉力最大可達30ks。在手臂伸直的情況下，男子平均70k2，女子平均38ks。拉力的大小隨持續(xù)時間的延長而降低。

人體每個部位所能承受的力量大小是一定的，握力左手為35ks，lmin持續(xù)時間為28kz，

右手為24kg。握力與手的姿勢有關(guān)。見圖3—40。提力一般比拉力為小，在前臂水平前伸,

手掌向下時，平均力為22ke。如果人躬身站立，伸直手臂，用雙手自下而上提物品，則由

于利用了背肌的力量，所以提力可達134k2。

一般來說，施力過程中收縮的肌肉越多產(chǎn)生的肌力越大。最大肌力決定于如下因素年齡、性別、體格、訓(xùn)練和施力的動機。

圖3-40

肘關(guān)節(jié)彎角

最大內(nèi)收力與肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的關(guān)系

3．3．

3避免不必要的加速和

減速

避免不必要的加速度和減速度。手臂、腿和身體的加速以及減速需要消耗時間和能量。對于手臂和腿，適宜于回轉(zhuǎn)運動，應(yīng)該盡量減少往復(fù)運動。一般說來，手臂作回轉(zhuǎn)運動效率較高。圖3—42表示了使用抹布、掃車、拖車和真空吸塵器時的不同的工作方式。第一種和第二種都有加速和減速情況，第三種速度比較均勻。

減少手臂減速的另一個例子是安排工作人員手的位置與沖床按鈕以及需要加工的零件

在一條直線上，可以減少一些不必要的減速。圖3—43給出了好的和差的零件盒的邊緣。對

于差的一種，操作人員會特別小心翼翼，唯恐手指被刀口被金屬邊緣所劃破。這影響了操作

人員從該盒子內(nèi)取出零件的速度。

持續(xù)力(N)

沖擊力(N)

平均

平均

高度(cm)

推feox

140

382

2080

120

-529

2390

100

568

2260

80

539

2100

高度(cm)

140

167

892

推氐

120

363

1430

100

588

1530

80

617

1650

11

深度(cm)

推

100

1050

2310

80

774

2210

J

60

1640

2160

40

696

1960

高度(cm)

200

696

2010

推9\'

180

853

2230

(AL

160

627

1830

刃f-

12

843

1980

120

676

2160

高度(cm)

拉卜

140

333

1070'

120

431

1200

100

461

1210

80

480

1360

高度(cm)

拉(—m

140

274

1040

120

353

1110

100

441

1110

80

480

1010

深度(cm)

1

80

1000

931

-C

60

1130

1240

40

1030

1230

1—

20

990

1430

0

960

1220

高度(cm)

拉V

80

941

1050

JL

70

1030

951

bU

1100

y11

圖3-41全身的推力與拉力(日本成年男子)

3．3．4使用慣用手

使用慣用手拿東西比非慣用手拿東西快

約10%時間。實驗告訴我們，單獨右手工作平均為12.9bits／s，單獨左手工作平均為11.7bits/s，并且慣用手總比非慣用手工作得精確。實驗還告訴我們，用慣用手觸及一個目標的失誤率為7%，而非慣用手是12%。從力量上來看，慣用手比非慣用手強5%?10%。

3.3.5利用重力作用

當一個重物被舉起時，肌肉必須舉起手和臂本身的重量。所以，應(yīng)當盡量在水平方向上移動重物，以及考慮到利用重力作用，有時身體重量能夠用于增加杠桿或腳踏器的力量，例如使用手壓水泵，這也是利用重力的一例。在有些工作中，如油漆和焊接，重力起著比較明顯的作用。在頂棚上旋螺絲要比在地板上旋螺絲難得多，這也是重力作用的原因。

當要改變物體的位置從高到低時，可以采用自由下落的方法，如是易碎物品，可采用軟墊。也可以使用滑道，把物體勢能改變?yōu)閯幽?，同時在垂直和水平兩個方向上改變物體的位置，以代替人工搬移，見圖3—44。

好較好最好

圖3-42使用真空吸塵器的不同方式

不好好

圖3-43

用不同的方法來提起重物，對腰部負荷的影響不同。如圖3—45所示，直腰彎膝提起重物時椎間盤內(nèi)壓力較小，而彎腰直膝提起重物會導(dǎo)致椎間盤內(nèi)壓力突然增大，尤其是椎間盤的纖維環(huán)受力極大。如果椎間盤已有退化現(xiàn)象，則這種壓力急劇增加最易引起突發(fā)性腰部劇痛。所以，握起重物時必須掌握正確的方法。

圖3-45提起20kg重物時，第3與第4腰椎骨間椎間盤的內(nèi)壓力變化

0306090120150180

角度(°)

手的運動方向和工作精度的關(guān)系

大，向后緣方向壓力逐漸減小(圖3—46)這就

進一步惡化了纖維環(huán)的受力情況，成為損傷椎間盤的主要原因之一。

另外，椎間盤內(nèi)的黏液被擠壓到壓力小的一端，液體可能滲漏到脊神經(jīng)束上去。總之，提起重物必須保持直腰姿勢。人們經(jīng)過長期的

生理基礎(chǔ)：人的脊柱為“S”曲線形，12塊胸椎骨組成稍向后凹的曲線，5塊腰椎骨連結(jié)成向前凸的曲線，每兩塊脊椎骨之間是一塊椎間盤。由于脊柱的曲線形態(tài)和椎間盤的作用，使整個脊柱富有一定的彈性，人體跳躍奔跑時完全依靠這種曲線結(jié)構(gòu)來吸收受到的沖擊能量。

脊柱承受的重量負荷由上至下逐漸增加，第5塊腰椎處負荷最大。人體本身就有負荷加在腰椎上，在作業(yè)，尤其在提起重物時，加在腰椎的負荷與人體本身負荷共同作用，使腰椎承受了極大的負擔，因此人們的腰病發(fā)病率極高。

壓力分布：為什么彎腰提重會導(dǎo)致壓力增大呢?因為彎腰改變了腰脊柱的自然曲線形態(tài)，不僅加重了椎間盤的負荷，而且改變了壓力分布，使椎間盤受壓不均，前緣壓力

勞動實踐和科學(xué)研究總結(jié)了一套正確的提重方法。

圖3-47提起重物時應(yīng)靠近重物

圖3-48

1．抓穩(wěn)重物，提起時保持：(1)直腰；(2)身盡量伸直；

(3)盡量彎膝。

設(shè)計時應(yīng)使重物的抓握部位高于地面40?50cm,應(yīng)有把

手，否則會導(dǎo)致不正確的姿勢。

身體盡量靠近重物(圖3-47)。

3.5重心問題

在設(shè)計中許多尺寸考慮的原因還有個重心的問題,例如欄桿的設(shè)計,簡單的說欄桿的高度應(yīng)該高于人的重心,重心是考慮全部重量集中作用的點。當考慮人的重量時,就可以用這個點來代替人體重量之所在,所以如果欄桿低于這一點,人體一旦失去穩(wěn)定,就可能越過欄桿而墜落。而重心一般在人的肚臍后,所以當人們站在欄桿附近,如果發(fā)現(xiàn)欄桿比自己的肚臍還低,就會產(chǎn)生恐懼感。理論上的人體重心高度如以身高為lOOcm,重心則為56cm。如平均身高為163cm，重心高度為92cm。這是平均值，修正一下取llOcm較好。

一般來說每個人的重心位置不同,主要是受身高、體重和體格的不同的影響。通常軀千低的人重心偏向下方，反之則偏上。根據(jù)測定，重心在身高一半以上的人不到50％。此外重心還隨人體位置和姿態(tài)的變化而不同(圖3-48)。比如椅子的設(shè)計，現(xiàn)在家具的設(shè)計形式豐富多樣，尤其是椅子，四條腿的一般穩(wěn)定性較好，但是三條腿、一條腿的就有個重心問題。人在坐姿時的重心很多人可能以為在座板的重心，其實不然，人除了直立的重心，還要考慮重心的移動。

第4自家具設(shè)計中的人體因素

家具在現(xiàn)代建筑的室內(nèi)空間中扮演著多樣的角色，既是實用品，同時又是藝術(shù)