1. ОСНОВЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
1.2. Характеристика жизнедеятельности человека в системе "человек - машина - среда обитания"
1.2.2. Анализаторы человека
Человек осуществляет прямую связь с управляемой им машиной и средой обитания с помощью своих анализаторов.
В системах связи доминирующим является зрительный, слуховой и тактильный анализаторы. Используются также температурный и двигательный анализаторы, обоняние и вкус, болевая и органическая чувствительность.
Каждый анализатор состоит из рецептора, проводящих нервных путей и мозгового центра. Рецептор превращает энергию раздражителя в нервный процесс. Нервные импульсы ведущими путями поступают в кору головного мозга. Между рецепторами и мозговым центром существует двусторонняя связь, которая обеспечивает саморегуляцию анализатора. Особенностью человека является четность анализаторов, то обеспечивает их высокую надежность. Чувствительность анализаторов и рецепторов человека очень высока. Адаптированное к темноте глаз реагирует примерно на 7 квантов света - в погожий звездную ночь глаз способен видеть пламя свечи за 48 км. Барабанная перепонка реагирует на перемещение в 0,000 000 0001 см - ухо слышит тиканья ручных часов в полной тишине на расстоянии до 6 м. Слуховые клетки внутреннего уха улавливают колебания, амплитуда которых не превышает 1 % диаметра молекул водорода. Терморецепторы возбуждаются при повышении температуры среды на 0,007°С и при снижении на 0,012°С. Вкусовые рецепторы способны воспринимать присутствие одной чайной ложки сахара в 8 л воды. Обоняние человека имеет способность воспринимать присутствие духов при одной капле в несколько комнатном помещении. Тактильные анализаторы воспринимают движение воздуха, вызванное падением крыла мухи на поверхность кожи с высоты 1 см.
Анализаторы характеризуются абсолютной, дифференциальной и оперативной пределами чувствительности к раздражению. Абсолютная граница имеет верхний и нижний уровни. Нижняя абсолютный предел чувствительности - это минимальная величина раздражителя, вызывающая ощущение. Верхняя абсолютная граница максимально допустимая величина раздражителя, которая вызывает у человека боли. Дифференциальная граница характеризуется минимальной разницей между сигналами, которые принимает оператор. Оперативная предел чувствительности определяет величину предела разницы, при которой скорость и точность достигают максимума:
Sспм>(10...15)Sд.
Оперативная предел чувствительности в 10 - 15 раз больше, чем дифференциальная.
Дифференциальная граница характеризует величину, на которую должна измениться уже вызван раздражитель, чтобы человек заметил, что он действительно изменился. Дифференциальная предел выражается в процентах. Для одного и того же органа он постоянный:
Раздражитель возбуждает рецептор при увеличении его силы до определенного уровня. Предел, равный 50% случаев возникновения ощущений, обобщает нижнюю абсолютный предел. При последующем увеличении силы раздражения наступает предел, когда анализатор перестает адекватно работать. Затем появляются болевые ощущения, может полностью нарушиться деятельность анализатора.
Психофизиологическими экспериментами установлено, что величина чувствительности изменяется медленнее, чем сила раздражителя.
Согласно закону Фехнера:
Е = КLgS+ С,
где Е - интенсивность чувствительности, S - интенсивность раздражителя; К и С - константы.
Зрительный анализатор - глаз человека - непосредственно реагирует на яркость объекта, которая является отношением силы света к площади поверхности светится. Измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м2) или в нітах на квадратный сантиметр (нт/см2).
Гигиенической нормой является яркость. При яркости свыше 30000 нт возникает эффект ослепления.
Диапазон чувствительности глаза - 10б - 10бнт.
Зрительный анализатор имеет наибольшую величину адаптации. Световая адаптация длится 8 - 10 мин. При адаптации в темноте чувствительность глаза достигает оптимального уровня через 30 - 50 мин. Чувствительность, которая вызвана световыми сигналами, в течение определенного времени остается постоянной, несмотря на исчезновение сигнала. Инерция зрения вызывает стробоскопический эффект. Критическая частота мигания, когда сигнал воспринимается как непрерывный, находится в пределах 12 - 25 Гц.
При восприятии объектов в двухмерном и трехмерном пространстве различают поле зрения и глубинное зрение. Бинокулярное поле зрения по горизонтали - 120 - 160°, по вертикали вверх - 55 - 60°, вниз - 65 - 72°. При восприятии цвета поле зрения сужается. Зона оптимальной видимости составляет: вверх 25°, вниз 35°, вправо и влево - по 32°. Глубинное зрение связано с восприятием пространства. Ошибка оценки удаленности объектов (на расстоянии до 30 м) составляет 12% расстояния. Время, затраченное оператором на информационный поиск нужного объекта, можно вычислить как:
где, n - число фиксаций зрения в процессе поиска;
tф - время фиксации; tn - время перемещения зрения.
Средняя продолжительность подобных зрительных фиксаций для решения самых распространенных задач является: чтение букв - 0,31 с, поиск условных знаков - 0,3 с, фиксация состояния индикаторов (горит - не горит) - 0,28 с, восприятия условных знаков - 0,04 с. Средняя продолжительность поисковых движений глаз - 0,025 с. Нужно отметить, что основные характеристики зрительного анализатора человека значительно изменяются в процессе обучения и тренировки.
Слуховой анализатор состоит из наружного, среднего и внутреннего уха, слухового нерва и системы связи с головным мозгом. Диапазон звуковых колебаний, которые мы слышим, находится в пределах от 16 - 20 Гц до 20 - 25 кГц. Абсолютным пределом минимальной чувствительности является давление 2x105 Г-на частоте 1 кГц (сила звука 109 эрг/см2). Слуховой анализатор неодинаково воспринимает звуки разных частот. Звуки низкой частоты человек воспринимает, как не очень громкие, по сравнению со звуками более высокой частоты такой же интенсивности.
Продолжительность звукового раздражения, необходимая для возникновения ощущений, также зависит от частоты и интенсивности звука. В пределах средней части частот и интенсивности звуковых сигналов, которые мы слышим, величина дифференциальной границы составляет около 10% интенсивности звука. Для частот свыше 1кГц чувства наличии сигнала возникают при его продолжительности около 0,001 с.
Речевое сообщение воспринимается при темпе речи до 160 слов/мин. Оптимальный темп -120 слов/мин. при превышении интенсивности слов над шумами на 6дБ.
Тактильный анализатор воспринимает ощущения, которые возникают при воздействии различных механических раздражителей на поверхность кожи.
Предел ощущение боли составляет 130 - 140 дБ и меньше зависит от частоты.
Примеры пределов чувствительности:
- для концов пальцев руки - 3 г/мм2;
- - для поверхности кисти - 12 г/мм2;
- - для пяти -250 г/мм2.
Тактильный анализатор имеет высокую способность к локализации в пространстве. Временная граница тактильного ощущения составляет менее 0,1 с. Особенностью тактильного анализатора является быстрое уменьшение ощущения касания или давления. Время адаптации находится в пределах 2-20 с.
Болевая чувствительность. Выше утверждалось, что в любом анализаторе возникают болевые ощущения, если величина подразнювана превышает верхний абсолютный порог. На этом основании отрицалось существование специальных рецепторов болевой чувствительности. Впоследствии были обнаружены свободные нервные окончания в эпителиальном слое кожи, которые и являются специализированными болевыми рецепторами. Между тактильными и болевыми рецепторами существуют сложные соотношения. Они проявляются в том, что наименьшая плотность болевых рецепторов приходится на те участки кожи, которые наиболее насыщены тактильными рецепторами, и наоборот. Противоречие обусловлено различными функциями рецепторов в жизни организма. Болевые ощущения вызывают оборонительные рефлексы, в частности, рефлекс удаления от раздражителя. Тактильная чувствительность связана с ориентирующими рефлексами, в частности, предопределяет рефлекс сближения с раздражителем.
Биологический смысл боли состоит в том, что он как сигнал опасности мобилизует организм на борьбу за самосохранение. Под влиянием болевого сигнала перестраивается работа всех систем организма и повышается его реактивность.
Порог болевой чувствительности кожи живота - 20 г/мм2, концов пальцев - 300 г/мм2. При ощущении боли наблюдается почти прямая зависимость между ощущением и интенсивностью раздражения в диапазоне до порога чувствительности.
Двигательный анализатор дает возможность человеку управлять защитными устройствами, ручками, кнопками, педалями и др.
Оптимальные усилия: для ручек - 20 - 40 Н ; для кнопок,тумблеров, переключателей - 1400-1600 Н; для ножных педалей - 20 - 50 Н; для рычагов ручного управления - 120 - 160 Р. Диапазон скоростей, что развиваются благодаря движениям рук, составляет 0,01 - 8000 см/сек., чаще всего используются скорости 5 -300 см/сек. Вертикальные движения рука осуществляет быстрее, чем горизонтальные. Движения к себе осуществляются быстрее, чем от себя. Двигательный анализатор можно значительно улучшить путем тренировок.
Обоняние и вкус могут использоваться человеком - оператором при нахождении различных отклонений в технологическом процессе и при возникновении опасности. Абсолютный предел обоняния у человека измеряется частицами миллиграмма вещества на литр воздуха. Дифференциальная граница составляет в среднем 38%. В физиологии и психологии распространена чотирикомпонентна теория вкуса, согласно которой существует четыре вида вкусовых ощущений: сладкого, горького, кислого и соленого. Все остальные вкусовые ощущения являются их комбинацией. Абсолютные границы вкусового анализатора, выраженные в величинах концентраций раствора, почти в 10000 раз выше обонятельного.
Вкусовые и обонятельные ощущения отражают не только свойства веществ, но и состояние самого организма. Различительная чувствительность вкусового анализатора довольно груба и составляет в среднем 20%.
Температурная чувствительность обеспечивается двумя типами рецепторов. Одни реагируют только на холод, другие - только на тепло. Абсолютный предел температурной чувствительности для тепловых рецепторов - 0,2°С, для холодных - 0,4°С. Дифференциальная граница-около 1 °С.
На работу анализаторов и на восприятие сигналов у человека значительно влияют психологические характеристики личности: внимание, память и др.(см. ниже).
Вибрационная чувствительность. Интенсивная вибрация при длительном воздействии приводит существенные изменения деятельности всех систем организма человека и может вызывать заболевания. Вибрация малой интенсивности может быть полезна, снижает утомляемость, повышает обмен веществ, увеличивает мышечную силу. Специальные анализаторы, воспринимающие вибрацию, пока не обнаружены. Диапазон ощущение вибраций - от 1 до 10000 Гц, Наиболее высокая чувствительность выявлена к уровню частот 200 - 250 Гц. Пороговые значения вибрационной чувствительности различны для разных участков тела. Наибольшую чувствительность имеют дистальные участки тела человека, то есть те, что наиболее удаленные от его медиальной плоскости (например, кисти рук).
Органическая чувствительность. Мозг человека получает информацию не только от окружающей среды, но и от самого организма. Во внутренних органах под действием внешних условий возникают ощущения, которые порождают сигналы, которые являются необходимым условием регуляции деятельности внутренних органов.
Анализаторы человека функционируют в условиях сложного взаимодействия. На каждый анализатор человека влияют одновременно несколько раздражителей, которые влияют на всю систему анализаторов. Поэтому необходимо учитывать не только возможности анализатора, но и те условия, в которых находится человек. Известно, что сильный шум изменяет чувствительность зрения. Чувствительность зрительного аппарата снижается под действием некоторых запахов, температуры, вибрации. Определяя оптимальные условия функционирования, следует учитывать всю систему раздражителей, действующих на анализаторы человека, комплексно учитывать факторы окружающей среды.