Антропометрические факторы и их учет в художественном конструировании

Учет индивидуальных особенностей строения человека при проектировании промышленного оборудования, инструмента, приспособлений является основным условием снижения утомления и повышения производительности труда, предотвращения патологических изменений в организме. Человек служит основой при нормировании функциональных размеров всей предметно-пространственной, производственной и бытовой среды.

Измерениями человеческого тела занимается антропология и, в частности, ее раздел — антропометрия (греч. anthropos — человек + metreo — меряю).

Измерения тела производят по характерным (антропометрическим) точкам с помощью различных устройств и инструментов. Для получения данных, достоверных для практики художественного конструирования, численность измеряемой группы должна быть не менее 300 человек. Средние значения определяются методами вариационной статистики, так как характер изменчивости подчиняется закону нормального распределения.

Антропометрические признаки определяются с учетом возрастных, половых, территориальных и других факторов. Рост людей неодинаков не только в отдельных странах, но и районах. Например, средний рост мужчин-голландцев составлял (1965) 1770, чехов — 1732, поляков — 1685 мм. В СССР средний рост соответственно мужчин и женщин был равен (1961): эстонцев — 1710 и 1610 мм, одесситов — 1678 и 1578, карелов — 1669 и 1556, якутов — 1652 и 1545 мм.

Колебания среднего роста для больших групп населения земного шара весьма значительны. Наибольший рост отмечен у негров к юго-востоку от озера Чад — 1820, наименьший — у африканских пигмеев — 1410 мм.

Средний рост человека на протяжении времени не остается стабильным. В 1920 г. средний рост мужчин в нашей стране составлял 1650, а в 1964 г. он уже достиг 1680 мм. В 1935 г. средний рост 13-летних девочек был 1456, 14-летних мальчиков — 1523 мм, а в 60-х годах — соответственно 1548 и 1600 мм. Таким образом, художнику-конструктору необходимо всегда учитывать изменчивость антропометрических признаков во времени.

Антропометрические признаки устанавливаются из соотношений размеров тела человека в статических положениях стоя и сидя (рис. 3.1). Основные антропометрические признаки взрослых приведены в табл. 3.1.

Примечания к таблице:
1. Приведенные в таблице антропометрические признаки ограничиваются необходимыми в процессе художественного конструирования мебели (в рекомендациях ВНИИТЭ этих признаков 49).
2. Признаки 4, 6, 15, 18, 29 и 30, представляющие интерес в художественном конструировании мебели, требуют дополнительных исследований.
3. М — средние арифметические значения; q — средние квадратичные отклонения.

При проектировании мебели, как и других изделий, для одной возрастно-ростовой группы людей необходимо определять их антропометрические признаки, так как они могут иметь значительные отклонения от средних данных. Так, например, проведенные авторами исследования антропометрических признаков студентов Белорусского технологического института имени С. М. Кирова (на базе групп юношей и девушек по 500 человек каждая) с целью разработки функциональных размеров мебели дали следующие результаты.

Средний возраст студентов-юношей I курса в 1970 г. составлял 18,1 года, а средний рост— 1729 мм; девушек — 17,5 года и 1617 мм соответственно. В последующие три года эти группы «подрастали» и их средний рост составил: юношей — 1740, 1743 и 1745, девушек — 1624, 1626 и 1628 мм. Средний рост студентов пяти курсов окапался равным: юношей 1741 мм, девушек 1625 мм.

Еще в древности было замечено, что размеры человеческого тела не являются устойчивыми. Поэтому измерения пытались проводить не и абсолютных, а в относительных единицах, т. е. пропорциях. Поиски закономерностей в размерах привели к канонам пропорций. Известный закон «золотого сечения» был принят основным в природе и искусстве и получил мистический оттенок (в его основе лежит деление отрезка на две части, из которых большая часть так относится к меньшей, как их сумма к большей). Канон Поликлета гласит, что высота головы умещается в длине тела 8 раз. Согласно другому канону, размах рук должен быть равен длине тела.

В действительности каноны не учитывали разнообразия пропорций человеческого тела. Так, канону Поликлета соответствовало 18,41%, а размах рук приблизительно совпал с длиной тела только у 5,4% обследованных людей. Канонизация отношений и пропорций человеческого тела, которая создавалась в соответствии с понятиями о красоте, не отражала истинного положения и для современной антропологии представляет интерес лишь в историческом плане.

Учет антропометрических требований особенно необходим в тех объектах, с которыми человек соприкасается непосредственно (параметры рабочего места, органы управления, сиденья, обувь и т. д.). В других объектах эти требования могут учитываться с относительной точностью, однако так или иначе они касаются практически всего предметного мира.

Организация рабочего места и гигиена труда

Для организации рабочего места вначале необходимо определить взаимосвязь человека и трудового процесса, определить вид работы, функциональные элементы рабочего места и установить по отношению к нему основные условия. В общем случае при конструировании рабочего места должны быть обеспечены:

• оптимальное пространство рабочего места, позволяющее выполнять рабочие движения и перемещения, а также необходимые проходы;
• размеры оборудования, органов управления, приспособлений и других элементов и их размещение в соответствии с антропометрическими требованиями и биомеханическими данными человека;
• оптимальные зрительные, слуховые, физические и другие связи между рабочим и оборудованием;
• оптимальные приемы и методы выполнения рабочих операций, правильный режим труда и отдыха;
• средства защиты и безопасность работы;
• оптимальный микроклимат рабочей среды.

Рабочее место проектируют с учетом возможности изменения рабочей позы. Установлено, что статические нагрузки более утомительны, чем динамические. Поэтому, если необходимо приложить усилие до 5 кгс, рекомендуется рабочая поза сидя, при усилии свыше 10 кгс и значительном размахе движений — стоя. Если усилие в пределах 5—10 кгс, рабочая поза не влияет на производительность. Большая утомляемость наблюдается при непрерывной работе стоя, поэтому желательно чередование поз (сидя и стоя).

Основными характеристиками рабочего пространства являются зоны досягаемости. Для операторов систем управления зоны досягаемости в горизонтальной плоскости показаны на рис. 3.2. В зонах D и Е движения наиболее быстрые, точные и наименее утомляющие. Сектор досягаемости для каждой руки имеет угол 180°.

Пространство для ног под рабочей поверхностью должно иметь высоту, ширину и глубину не менее соответственно 600, 500 и 400 мм. Основные размеры рабочего места сидячего оператора показаны на рис. 3.3. Об удобстве обслуживания пульта управления, спроектированного с учетом эргономических требований, можно судить по рис. 3.4.

После определения границ рабочих зон и их относительного размещения разрабатывается рациональная компоновка отдельных элементов в пределах зон. При выборе и компоновке органов управления рекомендуется соблюдать следующие требования [2]: 

• количество их принимать минимальным и располагать в соответствии с последовательностью использования в работе (слева направо, сверху вниз);
• группировать и располагать органы управления с учетом функциональной значимости (наиболее важные и часто применяемые — в зонах наибольшей доступности);
• направление движения каждого органа должно соответствовать производимому эффекту;
• окрашивать органы управления в серый или черный цвет, за исключением случаев, когда требуется цветовое кодирование; форма должна быть удобной в работе, без острых углов; конструкция и расположение органов управления должны предотвращать их случайные сдвиги и срабатывания.

Требования к органам управления принимаются с учетом их назначения, условий применения, величины прикладываемых к ним усилий и др.

Органы управления и другие элементы должны иметь четкую маркировку. Характер и вид надписей должен учитывать расстояние считывания, уровень освещенности, время на распознавание и т. д. Надписи необходимо располагать по горизонтали, слева направо, и вертикали — при несущественной информации или при недостатке места. Они должны легко и точно читаться с расстояния, на котором оператор находится от них в процессе работы.

При организации рабочего места важно обеспечить условия нормального зрительного восприятия в пределах рабочей зоны. Оптимальные и допустимые углы обзора в горизонтальной и вертикальной плоскостях показаны на рис. 3.5. Чувствительность глаза резко уменьшается от центра к периферии, поэтому наиболее важные элементы необходимо располагать в оптимальной зоне видимости (в пределах 15° от нормальной линии взора).

Важным условием зрительного восприятия является оптимальное цветовое решение. Выбор его производится с учетом физиологических особенностей зрения и психологического воздействия цвета на человека. Эти вопросы, а также эстетические принципы цветового решения, рассматриваются в гл. 4.

Кроме основного оборудования, важными элементами рабочего места являются оснастка, различные инструменты, вспомогательное оборудование, транспортные средства, средства сигнализации, техники безопасности и др. Все эти элементы должны соответствовать эргономическим требованиям, располагаться с учетом принципов функциональной значимости, очередности и частоты использования, досягаемости и др.

Оборудование, отдельные элементы и рабочее место в целом должны обеспечивать условия безопасной работы.

При разработке приемов и методов выполнения рабочих операций необходимо соблюдать принципы экономии рабочих движений. Основными из них являются следующие:

• одновременность и симметричность (обе руки должны начинать-и заканчивать движения в одно время);
• экономичность (положение тела, инструментов и т. д. должно-обеспечивать простые движения. Дуговые движения экономичнее прямолинейных, горизонтальные — вертикальных, слева направо-экономичнее, чем в обратном направлении, и т. д.); непрерывность и плавность;
• ритмичность, которая позволяет добиться автоматичности движений;
• применение свободных движений, которые менее утомительны и более быстры, чем контролируемые;
• применение на рабочем месте ограничителей хода движений, направляющих, фиксирующих и других приспособлений.

При организации рабочего места должны учитываться вопросы инженерной психологии, которая разрабатывает методы приспособления техники к психофизиологическим возможностям человека. Проектирование оптимальных условий трудовой деятельности должно предусматривать правильное использование составляющих системы человек — машина, поручая каждой соответствующие их возможностям функции и обеспечивая связи между ними наиболее целесообразным способом. Компоновка рабочего места и конструирование отдельных элементов должны вестись с учетом сенсомоторных возможностей человека, его особенностей восприятия и передачи информации, эффективности управляющих действий и т. д.

Машины и механизмы превосходят человека в следующих отношениях: они равномерно и точно развивают большие усилия, длительно выполняют однообразную работу, действуют во вредных или невыносимых для человека условиях, имеют чувствительность за пределами человеческой, одновременно выполняют несколько действий, проявляют нечувствительность ко многим посторонним факторам, выполняют большие и сложные вычисления и др. С другой стороны, человек превосходит машины в обнаружении сигналов при шуме, опознавании образов, обобщении, выработке решений, в том числе при неполной информации, проявлении реакций при непредвиденных событиях, возможностях использования опыта, гибкости, способности к приспособлению и др. Правильное распределение функций между машиной и человеком будет повышать надежность системы.

Возможности восприятия и передачи информации от рецепторов к центральной нервной системе определяют требования к форме и величине шкал приборов, их элементов (стрелок, цифр), компоновке различных пультов, выбору расстояний и т. д.

Особенностью современной техники является то, что в отдельных случаях оператор связан с монотонной работой, в других — наоборот, с трудными ситуациями, обусловленными возрастающей скоростью и сложностью операций.

Монотонность труда приводит к более быстрому утомлению, а также нервному истощению. В связи с этим следует ограничивать дробление операций, с тем чтобы в процессе труда оставался элемент творчества.

Монотонная работа, состоящая только из наблюдений за сигналами, т. е. в режиме ожидания, приводит к явному снижению внимания уже через 15 минут и достигает минимального уровня к 45-й минуте. Через 2 часа 3/4 участвовавших в эксперименте имели явное желание уснуть.

Система перерывов в работе должна соответствовать характеру деятельности. Например, при сосредоточенной работе с повышенным вниманием рекомендуются короткие, но частые перерывы. Длительные перерывы в этом случае могут привести к потере ритма. Частые и короткие перерывы необходимы при длительном монотонном труде. При тяжелой работе необходимы более длительные перерывы для отдыха. При этом в период оптимальной работоспособности они должны быть более короткими, а после появления усталости — более продолжительными, т. е. соответствовать изменениям функционального состояния работающего.

Преобладание умственного труда над физическим значительно обостряет нервно-психическое напряжение, которое обычно возникает в трудных ситуациях. Состояние, которое возникает в организме человека при воздействии на него самых разнообразных сильных влияний (физических, нервно-психических, инфекционных и др.), характеризуется понятием «стресс».

Различают физиологический и психологический стрессы. Под последним понимают вид психической напряженности, возникающей у человека при больших умственных перегрузках, опасностях, помехах, неудачах и т. д.

Ситуация стресса носит эмоциональный и, как правило, отрицательный характер, дезорганизуя поведение и способствуя увеличению ошибок в действиях оператора. Правда, некоторые функции стресс улучшает, но до определенного предела. Кроме того, разные люди по-разному устойчивы к стрессу: у одних эффективность деятельности повышается (эмоционально устойчивые), у других — наоборот.

В состоянии стресса происходит общее возбуждение, нарушение моторики, снижается устойчивость физиологических функций.

Проблема стресса имеет важное значение, особенно при сложном характере деятельности. В связи с этим необходимо учитывать надежность не только машины, но и человека. Если выяснено, что условия работы могут вызвать состояние стресса, то помимо соблюдения общих требований инженерной психологии необходимо принять меры, предотвращающие это опасное состояние:

• обеспечить высокую подготовку оператора с целью адаптации его к состоянию стресса;
• производить профессиональный отбор операторов (эмоционально устойчивых);
• перераспределить функции между машиной и человеком с целью облегчения действий оператора и др.

При конструировании рабочего места необходимо принимать в расчет не среднего, а более слабого по силе человека, так как в аварийных ситуациях он может не справиться с мышечной нагрузкой, посильной для него в обычных условиях.

В процессе трудовой деятельности человек находится под влиянием материальных условий рабочей среды и работоспособность его в значительной мере зависит от этих условий. Чем больше отклонение их от оптимальных, тем быстрее снижаются работоспособность и надежность человека, быстрее наступает утомление. Исследованием влияния факторов этих условий человека занимается гигиена труда, тесно связанная с физиологией труда.

Материальные факторы рабочей среды оказывают определенное влияние на организм человека, вызывая соответствующие физиологические реакции. Например, шум раздражает органы слуха, вызывая функциональные изменения (утомление слуховых органов и даже оглушение, что может повлечь функциональные изменения в центральной нервной системе, обмене веществ, системе кровообращения и т. д.).

В рабочей среде различные физические и химические факторы действуют одновременно, взаимно усиливая или компенсируя физиологические последствия для человека. Рабочая среда представляет собой единое целое и выделить какой-то ее основной фактор не всегда возможно. Человеческий организм, находящийся в сложной взаимосвязи со средой, рассматривается физиологией как единое целое, а регуляция всех функций организма центральной нервной системой в принципе исключает независимое исследование функционального состояния отдельных органов. Но рассмотрение рабочей среды как целого не исключает вместе с тем возможности изучения ее отдельных составляющих элементов.

Изучение отдельных факторов рабочей среды требует их классификации. Физиолого-гигиеническая классификация факторов, которые могут воздействовать на оператора в системе человек — машина, включает:

• электрические (электрические поля, контактную разность потенциалов, атмосферное электричество — степень ионизации воздуха) ;
• радиочастотные (ионизирующие, тепловые и радиочастотные излучения);
• метеорологические (температуру, влажность и скорость движения воздуха);
• бароакустические (атмосферное давление и его перепады, шумы звукового диапазона, инфра- и ультразвуки);
• механические (ускорения, вибрации, апериодические колебания, толчки и тряску).

Гигиеническая классификация химических факторов воздушной среды включает естественный состав атмосферы и вредные примеси в воздухе. Последние делятся на газы и пары и на аэрозоли.

Целью исследования условий среды является выработка определенных санитарных (гигиенических) норм и средств их соблюдения.

При проектировании рабочего места необходимо принимать оптимальные для работоспособности человека параметры факторов среды, а если это невозможно, то как минимум должны соблюдаться предельно допустимые нормы, установленные законодательством.

Дискомфортные метеорологические условия в производственных помещениях создают в основном температура и лучистая энергия в сочетании с высокой влажностью и движением воздуха. Ухудшать воздушную среду могут также пыль, газы и пары химических, радиоактивных и других веществ.

Для большинства людей комфортными являются условия при температуре 20—22° С, относительной влажности воздуха 30—60% и скорости его движения не выше 0,2 м/с. Для рабочей зоны эти параметры рассчитываются в соответствии с санитарными нормами СН 245—71, которые учитывают период года, категорию работ, количество выделяемого в помещении тепла.

Системы отопления и кондиционирования не должны давать направленного потока воздуха на людей. Температуры воздуха на поверхности пола и уровне головы не должны отличаться более чем на 5° С.

Освещение помещений должно соответствовать характеру выполняемой работы и отвечать ряду общих требований. В 1971 г. Госстрой СССР утвердил раздел II-A. 9—71 Строительных норм и правил (СНиП) «Искусственное освещение. Нормы проектирования». В них регламентированы новые характеристики осветительных установок: показатель ослепленности и дискомфорта (в целях ограничения слепящего действия светильников общего освещения), коэффициент пульсации освещенности (для производственных помещений, освещаемых газоразрядными лампами) и др.

Большое влияние на условия труда оказывает шум, который является одной из главных причин утомляемости и снижения работоспособности человека. [...]

В производственных помещениях помимо шума могут действовать одновременно и другие неблагоприятные факторы. Так, вредное влияние на организм усиливается при одновременном воздействии шума и вибрации, шума и температуры и т. д. Поэтому необходимо иметь критерии оценки комбинированного воздействия шума в сочетании с другими неблагоприятными факторами.

Наиболее неблагоприятное физиологическое воздействие на человека оказывает вибрация с большой частотой и малой амплитудой. Она вызывает утомление, головные боли, напряжение зрения. При оценке общей вибрации в соответствии с нормами СН 245—71 нормируемыми параметрами являются среднеквадратичные величины колебательной скорости в октавных полосах частот или амплитуды перемещений, передаваемые на рабочие площадки (сиденье, пол и др.) от машин, станков и другого оборудования. Оценка местной вибрации производится в соответствии с ГОСТ 17770—72 «Машины ручные. Допустимые уровни вибраций». Нормативы устанавливают допустимые величины вибрационных характеристик машин или их частей, удерживаемых в процессе работы руками.

Для предотвращения неблагоприятного воздействия шума и вибрации необходимо устранять или значительно ослаблять их появление в источниках образования, изолировать источники от окружающей среды средствами звуко- и виброизоляции, звуко- и вибропоглощения, применять рациональные планировки помещений, увеличивать звукопоглощающие способности их внутренних поверхностей, применять средства индивидуальной защиты, устанавливать рациональный режим труда и отдыха.

Функциональные сдвиги в организме (быструю утомляемость, головные были, утомление зрения, нарушение сна и др.) могут вызывать электромагнитные поля сверхвысоких частот. Предельно допустимые дифференцированные уровни микроволнового облучения и интенсивность электромагнитных полей не должны превышать санитарных норм. Чтобы оградить людей от воздействия этого фактора необходимо применять общие и индивидуальные средства защиты.

Оптимизация условий трудовой деятельности должна предусматривать изучение всех факторов рабочей среды и проведение мероприятий по устранению их вредного воздействия на человека. При этом комплексное проектирование рабочего места рассматривает во взаимосвязи все факторы среды и соответствующие характеристики машин и оборудования.

Тенденции развития эргономики приводят к необходимости вывести проблему взаимосвязи человек — техника — среда за рамки трудовой деятельности и использовать разработанные эргономикой методы и критерии применительно к любой форме деятельности человека на производстве и в быту [2].