2013-03- 26
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未知
體。有機(jī)整體，即由各種器官和組織以及其中的液體和氣體組成的整體；有機(jī)體的聯(lián)合體，即由生物體各部分，如人是由頭、軀干、四肢及內(nèi)臟等組成的有機(jī)聯(lián)合體。
生物系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式有兩種：①整個(gè)生物系統(tǒng)對(duì)于其周圍的介質(zhì)、支撐物或其他物體發(fā)生位移，例如人的行走；②生物系統(tǒng)本身發(fā)生形變，即其中一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生位移，例如彎腰、伸腿。生物體運(yùn)動(dòng)要消耗能量，生物體的能量消耗有兩個(gè)方面，一是用以完成規(guī)定的動(dòng)作稱為有效消耗；二是以熱量散失稱為無用消耗。
人體生物力學(xué)側(cè)重研究人體各部分的力量、活動(dòng)范圍和速度，人體組織對(duì)于不同阻力所發(fā)揮出力量的數(shù)值、人體各部分的重量、重心變化以及做動(dòng)作時(shí)的慣性等問題，其研究目的是為了使人在人機(jī)系統(tǒng)中更好地發(fā)揮其作用，盡量避免做無用功，使人能有效地工作，提高活動(dòng)效率，減少疲勞，確保人身安全。
在安全人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)與分析、評(píng)價(jià)及“三同時(shí)”審查、事故分析等時(shí)，就要準(zhǔn)確地確定操作者和設(shè)備的最有利工作范圍和界限，因此就得利用人體生物力學(xué)方法。為使操作者安全舒適地工作，在設(shè)計(jì)操縱機(jī)構(gòu)時(shí)必須考慮人體出力大小、動(dòng)作軌跡、動(dòng)作平穩(wěn)程度以及人體各部分運(yùn)動(dòng)的方向等因素，均要運(yùn)用人體生物力學(xué)的理論。
一、人體生物力學(xué)的一般知識(shí)
人體完成各種活動(dòng)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)器官系統(tǒng)，由肌肉、關(guān)節(jié)、骨骼等組成。全身的關(guān)節(jié)將骨節(jié)連接成一體，形成可以活動(dòng)的骨骼體系，肌肉跨越關(guān)節(jié)粘附于骨之上。肌肉、關(guān)節(jié)、骨三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和協(xié)調(diào)下，按照人的意志，共同準(zhǔn)確地由肌肉的收縮與舒張牽動(dòng)骨通過關(guān)節(jié)的作用而產(chǎn)生各種動(dòng)作。
1、骨骼的功能
1）人體骨骼強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)，故的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是線性的，服從虎克定律，但當(dāng)人體骨骼強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)，骨的應(yīng)力超過一定應(yīng)力數(shù)值后，這種關(guān)系就不再成立。
人體脛骨強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他材料強(qiáng)度的比較見表3-29，人體骨骼的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度見表3-30
2）骨的功能。人體全身約有206塊骨，可分為頭顱骨、上肢骨、下肢骨、軀干骨、脊椎骨等，由這些有生命而堅(jiān)硬的骨支撐著人體，每塊骨都有一定的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、位置及其神經(jīng)和血管。骨所承擔(dān)的功能主要有：
（1）骨構(gòu)成體腔的壁，如頭顱腔、胸腔、腹腔、盆腔等，以保護(hù)大腦、心、肺、肝、膽、脾胃、腎、腸及生殖器官等人體內(nèi)臟重要器官。
（2）骨之間由關(guān)節(jié)連接構(gòu)成骨骼，形成人體支架，支撐人體全身的重量，支撐人體的肌肉、皮膚、內(nèi)臟器官等軟組織，骨骼與肌肉一塊共同維持人體的外部形態(tài)。使人成為具有一定高度、寬度、厚度的實(shí)體。
（3）骨骼的骨髓腔和松質(zhì)的腔隙中充填著骨髓，骨髓是一種柔軟而富有血液的組織，其中的黃骨髓可儲(chǔ)藏脂肪，紅骨髓具有造血功能，骨髓中的鈣和磷參與體內(nèi)鈣、磷代謝而處于不斷變化狀態(tài)。所以，骨髓除具備造血功能外還是體內(nèi)脂肪、鈣、磷的儲(chǔ)備倉庫。
（4）肌肉在神經(jīng)系統(tǒng)支配下產(chǎn)生收縮時(shí)，牽動(dòng)著骨圍繞著關(guān)節(jié)活動(dòng)，使人體產(chǎn)生各種動(dòng)作。因此，骨是人體活動(dòng)的杠桿。
3）骨杠桿。人體骨杠桿的原理與力學(xué)杠桿完全一樣。在骨杠桿中，關(guān)節(jié)是支點(diǎn)，肌肉是力量源泉，肌肉與骨的附著點(diǎn)稱為力點(diǎn)，而作用于骨上的阻力（如操縱力、體重等）的作用點(diǎn)稱為重點(diǎn)（即阻力點(diǎn)）。人體活動(dòng)主要由下列骨杠桿形式而定。
（1）平衡骨杠桿。
（2）速度骨杠桿。
（3）省力骨杠桿。
2、關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍
1）關(guān)節(jié)的連結(jié)：
（1）直接連結(jié)。
（2）間接連結(jié)。
2）關(guān)節(jié)的作用
（1）關(guān)節(jié)的損傷。關(guān)節(jié)除了有將骨與骨相連的功能之外，并與肌肉和韌帶連結(jié)在一起，因韌帶既可有連結(jié)兩骨、增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性的作用，還有限制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的作用。這樣一來，人體各關(guān)節(jié)的活動(dòng)就要受到限制，若超過其限制范圍，則會(huì)受到損傷。
（2）關(guān)節(jié)的舒適。當(dāng)人體處在最大活動(dòng)范圍以內(nèi)的活動(dòng)，即處在各種舒適姿勢(shì)時(shí)，相應(yīng)的關(guān)節(jié)亦會(huì)處在舒適范圍之中，此時(shí)人的活動(dòng)時(shí)間即可持久，而且其活動(dòng)質(zhì)量與效率亦會(huì)高，可靠性與安全性均會(huì)高。
3、人體肌肉力學(xué)特性
論人體骨骼與關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)怎樣完善，如果沒有肌肉，就不能做功。所以，人體活動(dòng)的能量決定于肌肉。肌肉的基本機(jī)能是將攝入的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或熱能再轉(zhuǎn)變成機(jī)械功反映了肌肉活動(dòng)的主要生物力或力，肌肉收縮時(shí)所產(chǎn)生的力及其長(zhǎng)度改變與改變的速度學(xué)特征。
人體的肌肉依其形狀構(gòu)造、功能、分布等可分為平滑肌、心肌、橫紋肌等三種。橫紋肌大都跨越骨關(guān)節(jié)，附著于骨骼，故稱為骨骼??；由于骨骼肌的運(yùn)動(dòng)要受人的意志支配，故又稱隨意肌。少數(shù)橫紋肌附著于皮膚，稱為皮肌，由于人體運(yùn)動(dòng)主要與橫紋肌有關(guān)，所以安全人機(jī)工程學(xué)所討論的肌肉僅限于橫紋?。ê?jiǎn)稱肌肉）。
肌肉的收縮和放松均是由神經(jīng)系統(tǒng)支配而產(chǎn)生的，兩者都是因肌纖維接受刺激后所發(fā)另一種是肌纖
生的機(jī)械性反應(yīng)。這種機(jī)械性反應(yīng)有兩種表現(xiàn)，一種是肌纖維的長(zhǎng)度縮短維張力增加。
肌肉在沒有負(fù)荷而自由縮短的情況下，肌肉的長(zhǎng)度縮短而張力不變的收縮，稱為等張收縮。當(dāng)肌肉在兩端被固定或負(fù)有不能克服的負(fù)荷情況下，肌肉的長(zhǎng)度不可能縮短，只能產(chǎn)生張力，這種長(zhǎng)度沒有改變而張力增加的收縮，稱為等長(zhǎng)收縮。
4、人體運(yùn)動(dòng)的特征
人體是一個(gè)有機(jī)的物質(zhì)系統(tǒng)，身體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)都是轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的改變則不是取決于力，而是取決于力矩。
5、人體活動(dòng)范圍
人體的肢體、軀干、頭、頸、手掌、手指、腳掌、腳趾等均有各自的活動(dòng)范圍。人體活動(dòng)范圍可分為：最有利范圍、正常范圍和最大可及范圍三種。
（1）最有利范圍。
（2）正常范圍。
（3）最大可及范圍。
二、人體各部分的操縱力
縱力是指操作者在操作時(shí)為達(dá)到操作目的所付出的一定數(shù)量的力。人的頭、軀干、肩膀、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)揮出一定的操縱力。故此在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)，為了使操縱者既發(fā)揮最大的主觀能動(dòng)性，而又不感到疲勞，既耗費(fèi)能量最少，同時(shí)感到輕松愉快，就必須很好地考慮操縱力的數(shù)值以及操作者的生理狀況是否能夠付出所需要的操縱力。
肢體的力量來自肌肉收縮，肌肉收縮時(shí)所產(chǎn)生的力稱為肌力。肌力的大小取決于以下幾個(gè)生理因素：?jiǎn)蝹€(gè)肌纖維的收縮力；肌肉中肌纖維的數(shù)量與體積；肌肉收縮前的初長(zhǎng)度；中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)
能狀態(tài)；肌肉對(duì)骨骼發(fā)生作用的機(jī)械條件。
1、手的操縱力
（1）坐姿操縱力。
（2）立姿操縱力。
（3）握力。
（4）拉力與推力。
（5）扭力和提力。
2、腳的操縱力
在生產(chǎn)中，用腳操作的情況很多。最常見的是汽車的離合器踏板和剎車踏板，縫紉機(jī)踏板，加工機(jī)械（如沖床、蒸汽錘等）的腳踏控制裝置等。
三、人體活動(dòng)的速度與準(zhǔn)確度
1、肢體的動(dòng)作速度
肢體動(dòng)作速度的大小，基本上取決于肢體肌肉收縮的速度。不同的肌肉，收縮速度也不同，如慢肌纖維收縮速度慢些，快肌纖維收縮速度快些。通常一塊肌肉中既有慢肌纖維也含快肌纖維。中樞神經(jīng)系統(tǒng)根據(jù)需要時(shí)而使慢肌纖維收縮，時(shí)而使快肌纖維收縮，從而改變肌肉的收縮速度。收縮速度還取決于肌肉收縮時(shí)所發(fā)揮的力量和阻力的大小。發(fā)揮的力量愈大，外部阻力愈小，則收縮速度愈快。
對(duì)于操作動(dòng)作速度，還取決于動(dòng)作方向和動(dòng)作軌跡等特征。另外，不同的動(dòng)作特點(diǎn)對(duì)動(dòng)作速度影響十分顯著，因此，合理地設(shè)計(jì)操作動(dòng)作可明顯提高工效。
有的操作常常不需要用眼睛觀察而迅速準(zhǔn)確地操縱控制器，如司機(jī)加大油門的操作，這就需要控制設(shè)計(jì)得使操作者能準(zhǔn)確迅速安全地連續(xù)操作，如果把控制器安排在便于精確和快速調(diào)節(jié)的位置上就可以提高操作者的準(zhǔn)確性，避免一些事故的發(fā)生。
對(duì)于那些要求身體做較大范圍動(dòng)作的操縱工作，重要的問題就是如何合理地選擇使操作者具有靈活動(dòng)作的軌跡，動(dòng)作靈活性包括動(dòng)作速度和頻率。
動(dòng)作速度取決于工作的動(dòng)作方向和動(dòng)作軌跡的特征。在操縱工作時(shí)，連續(xù)和突然改變的曲線式動(dòng)作，它們的速度是不相同的，故要分別考慮。
2、人體動(dòng)作的頻率
動(dòng)作頻率是指在一定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作所重復(fù)的次數(shù)。同理，肢體的動(dòng)作頻率也取決于動(dòng)作部位和動(dòng)作方式。表3-36為人體各部位動(dòng)作速度與頻率的限度。在設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí)，對(duì)操作速度和頻率的要求不得超出肢體動(dòng)作速度和頻率的能力限度。
3、人體動(dòng)作的靈活性
在操縱時(shí)產(chǎn)生突然或平穩(wěn)的改變方向時(shí)，圓形軌跡比直線軌跡靈活。
手向著身體動(dòng)作比離開身體的動(dòng)作靈活而準(zhǔn)確，向前后往復(fù)動(dòng)作比向左右往復(fù)動(dòng)作的速度大。
最大動(dòng)作速度與被移的負(fù)載的重量 成正比，而達(dá)到最大速度所需要的時(shí)間與被移動(dòng)的負(fù)載成正比，動(dòng)作的方向和軌跡應(yīng)當(dāng)滿足工作動(dòng)作準(zhǔn)確性的要求人體較短部位的動(dòng)作比較長(zhǎng)部位的動(dòng)作靈活：人體較輕部位的動(dòng)作比較重部位的動(dòng)作靈活；人體體積較小部位的動(dòng)作比較大部位的動(dòng)作靈活。
因此，在考慮動(dòng)作靈活性時(shí)，應(yīng)按生物力學(xué)特征進(jìn)行人體慣性特點(diǎn)的比較和估算，利用這些特點(diǎn)，可以研究和模擬人體各部位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
四、影響人體作用力的因素
1、體重
體重對(duì)人體作用力的發(fā)揮存在著有利和不利的兩個(gè)方面例如，在提取地上重物時(shí)，身體及頭部隨重物的被提起而向上移動(dòng)（抗重力），體重提高了力的使用效率，將物體放置在地面上（向下用力），站姿比坐姿更好，因?yàn)檎咀丝墒诡^及軀干的重量協(xié)助腕、肘、肩關(guān)節(jié)來運(yùn)用力，還有體育活動(dòng)中的拳擊、足球射門、投擲等，除了有關(guān)肢體的關(guān)節(jié)、肌肉活動(dòng)得知，即沖力是質(zhì)量與速度起作用外，軀體的重量也起作用，這可從物理中的沖力E=mv的乘積，也就是說力與運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量及肢體和力的作用對(duì)象之間的相對(duì)速度成正比。
控制器應(yīng)能承受靜止肢體的重量，這一點(diǎn)對(duì)防止意外啟動(dòng)，保證安全和消除肢體靜態(tài)作業(yè)非常重要。例如，汽車的足控蹬板應(yīng)能承受駕駛員下肢的靜止重量，不同人群（包括體格和性別）的身體各部分的重量是不同的，其中以軀干和大腿的重量差別最大
2、體位
操作者的體位（立位、坐位、躺位）、軀干的穩(wěn)定性對(duì)人體的作用力也有一定的影響。人體的作用力對(duì)人體體位的依賴關(guān)系，由以下兩個(gè)原因決定：
（1）隨著關(guān)節(jié)姿勢(shì)的改變，肌肉的長(zhǎng)度發(fā)生變化，而肌肉表現(xiàn)出來的最大力同它的長(zhǎng)度的減少量的二次方成正比下降，肌肉收縮最大時(shí)張力值最小。
（2）肌張力隨轉(zhuǎn)軸的力矩發(fā)生變化。力學(xué)中把轉(zhuǎn)軸到力的作用線的最短距離（垂直距離）叫做力臂。人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是肌肉附麗點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離很近，因而在大多數(shù)運(yùn)動(dòng)中贏得速度和路程，但卻費(fèi)力。
操作者立位作業(yè)可以經(jīng)常改變姿勢(shì)，活動(dòng)范圍也大，站立時(shí)易用力，但單調(diào)作業(yè)會(huì)引起生理性和心理性疲勞，立位可適當(dāng)?shù)刈邉?dòng)，有助于維持工作能力，但立位又不易進(jìn)行精確而細(xì)致的工作，不易轉(zhuǎn)換操作，而且肌肉要做更多的功來維持體重，易引起疲勞。
坐位則可以進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的精確而細(xì)致的工作，可以手足并用，但是坐位作業(yè)則不易改變姿勢(shì)，用力受限制，工作范圍受局限，久坐會(huì)導(dǎo)致生理性疲勞。
躺位操作易疲勞，汽車修理工修理汽車時(shí)就有時(shí)必須仰躺著工作。
在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮操作者的工作體位、姿勢(shì)的改變等。體位正確可減少靜態(tài)疲勞，有利于身體健康和保證工作質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和保證安全。
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