Количество пота, выделяемого телом человека при различных физических нагрузках и температуре воздуха в помещении, г/ч

Испарение пота с поверхности кожи происходит только в том случае, если относительная влажность окружающего воздуха φ < 100%. С уменьшением величины относитель­ной влажности воздуха и с ростом скорости движения воз­духа интенсивность испарения пота возрастает.

Таким образом, количество теплоты, отдаваемой телом окружающему воздуху в процессе испарения пота, зависит от температуры t_oc, его относительной влажности φ и скоро­сти движения W.

В процессе дыхания окружающий воздух, попадая в лег­кие человека, нагревается и одновременно насыщается во­дяными парами. В технических расчетах можно принять, что выдыхаемый воздух имеет температуру 37°С. Количест­во теплоты, расходуемой на нагревание вдыхаемого возду­ха, определяется по формуле

,

где V_ЛВ - объем воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени, «легочная вентиляция», м³/с; - плотность вды­хаемого воздуха, кг/м³; С_р - удельная теплоемкость вдыха­емого воздуха, кДж/кг · °С); - температура выдыхаемо­го воздуха, °С; - температура вдыхаемого воздуха,°С.

Объем легочной вентиляции определяется как произве­дение объема воздуха, вдыхаемого за один вдох, на частоту дыхания. Частота дыхания человека непостоянна и зависит от состояния организма и физической нагрузки. В состоя­нии покоя она составляет 12-15 вдохов-выдохов в минуту, а при тяжелой физической нагрузке 20-25. Полный объем легких человека составляет 4-4,5 л, однако в процессе жиз­недеятельности он используется не полностью, так как это требует больших затрат энергии на работу грудных мышц. В состоянии покоя объем вдыхаемого воздуха составляет около 0,5 л, а при выполнении тяжелой работы он увеличи­вается до 1,5-1,8 л.

Вклад каждого из описанных механизмов теплообмена в процесс теплоотдачи от тела человека в окружающую сре­ду зависит от метеорологических условий и интенсивности выполняемой работы. Так, в состоянии покоя при темпера­туре 20 °С на долю излучения приходится 50-65% теплоот­дачи, на испарение пота – 20-25%, конвекцию - 15%, ды­хание - 5%. При изменении температуры, относительной влажности и скорости движения окружающего воздуха это соотношение меняется (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Показатели выделения теплоты телом человека, находящегося в спокойном состоянии, в зависимости от температуры окружающей среды:

1 - теплота, выделяемая при испарении; 2 - теплота, выделяемая путем конвекции; 3 - теплота, выделяемая излучением

Нормальное тепловое состояние организма человека, на­зываемое тепловым комфортом, наблюдается при условии, когда вся вырабатываемая организмом теплота Qвыр передает­ся телом окружающей среде Qo_TB, т.е. выполняется равенство

.

Нарушение этого равенства вызывает изменение тепло­вого ощущения человека. При > теплота накапли­вается в теле, его температура повышается и человеку ста­новится жарко, при < возникает дефицит теплоты в теле человека, его температура падает, что ощущается как холод.

Влияние параметров микроклимата на самочувст­вие человека. Параметры микроклимата оказывают непо­средственное влияние на тепловое самочувствие человека и его работоспособность. Например, понижение температу­ры и повышение скорости движения воздуха способствуют усилению конвективного теплообмена и процесса теплоот­дачи при испарении пота, что может привести к переохлаж­дению организма.

При повышении температуры воздуха возникают обратные явления. Установлено, что при температуре свыше 25 °С ра­ботоспособность человека начинает снижаться (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость производительности труда от изменения температуры окружающей среды

Для человека определены максимальные значения допу­стимой температуры в зависимости от длительности их воздействия и используемых средств защиты. Переносимость организмом человека высоких температур зависит от влаж­ности и скорости движения воздуха.

Высокая влажность воздуха уменьшает скорость испаре­ния пота, что ухудшает теплосъем с поверхности кожи и ве­дет к перегреву тела человека. Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность воздуха при t_oc > 30 °С, когда практичес­ки вся теплота, вырабатываемая в теле человека, отдается в окружающую среду за счет испарения пота.

Интенсивное потовыделение при высоких температурах приводит к обезвоживанию организма. Обезвоживание на 6% влечет за собой нарушение умственной деятельности, сни­жение остроты зрения, обезвоживание на 15-20% приводит к смертельному исходу.

Вместе с потом организм теряет значительное количест­во минеральных солей, микроэлементов и водорастворимых витаминов (С, B₁, B₂). При неблагоприятных условиях по­тери жидкости организмом человека могут достигать 8-10 л за смену. При этом потери соли NaCl (ее концентрация в поте составляет 0,3-0,6%) достигают 40 г, что составляет почти 30% ее общего количества в организме человека. По­тери соли крайне опасны для организма.

Длительное воздействие высокой температуры особенно в сочетании с повышенной влажностью может привести к значительному накоплению теплоты в организме и разви­тию его перегревания выше допустимого уровня - гипер­термии - состоянию, при котором температура тела подни­мается до 38-39°С. При гипертермии и, как следствие, тепловом ударе наблюдается головная боль, головокруже­ние, общая слабость, искажение цветового восприятия, су­хость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, пульс и дыхание учащены. При этом наблюдается бледность, синюшность, зрачки расширены, временами возникают судо­роги, потеря сознания.

Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек в состоянии дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты, составляет около 116 °С.

Барическое влияние. Нормальное атмосферное давле­ние на уровне моря в среднем составляет 760 мм рт. ст. (1,103-10⁵ Па). С высотой давление воздуха уменьшается и становится опасным для человека на высоте 4-5 км над уровнем моря из-за кислородной недостаточности. При снижении относительно уровня моря (например, в шахте) атмосферное давление возрастает на каждые 100 м пример­но на 9 мм рт. ст. При погружении в водную среду давление водяного столба растет на одну атмосферу на каждые 10 ме­тров глубины. Поэтому безопасным считается погружение без специальных средств на 2-3 м.

Влияние электромагнитного поля Земли. Электромаг­нитные поля естественного происхождения являются по­стоянно действующим физическим фактором окружающей среды, необходимым для возникновения и существования жизни на планете. Естественными источниками геомагнит­ного поля являются: атмосферное электричество, излуче­ние Солнца, электрические и магнитные поля Земли. На поверхности Земли, обладающей избыточным электричес­ким зарядом, существует напряженность электрического поля, обычно равная 100-200 В/м и возрастающая в не­сколько раз при грозовой активности.

Напряженность магнитного поля Земли при спокойной магнитной обстановке составляет 70-150 А/м. Во время магнитных бурь магнитная напряженность возрастает на порядок.

В условиях дефицита естественных электромагнитных полей возникает дисбаланс основных нервных процессов в виде преобладания торможения, дистонии мозговых сосу­дов, развития изменений со стороны сердечнососудистой, иммунной и других систем.

Коэффициент ослабления интенсивности геомагнитного поля на рабочих местах персонала в помещении не должен превышать 2. Излучение Солнца, представляющее собой электромаг­нитные волны различной длины, крайне значимо для живой природы и человека. Оно является основным внешним источником энергии, определяет продолжительность свето­вого дня, его видимый диапазон излучения, обеспечивает непосредственную связь организма с окружающим миром, давая до 90% информации о нем. Но современному челове­ку не хватает дневного естественного света. Значительная часть работы и отдыха человека протекает при искусствен­ном освещении.

Влияние естественной радиации. Естественные источ­ники излучения можно подразделить следующим образом: внешние источники внеземного происхождения (космичес­кое излучение); источники земного происхождения (естест­венные радионуклиды).

Из космического пространства земную атмосферу не­прерывно атакует поток ядерных частиц очень высоких энергий, состоящий из примерно 90% протонов и около 10% альфа-частиц. Это так называемое первичное космическое излучение. Воздействуя на ядра нуклидов, входящих в со­став земной атмосферы, первичное космическое излучение инициирует целый каскад ядерных превращений, в резуль­тате которого образуются различного типа элементарные частицы и гамма-излучение. Это так называемое вторичное космическое излучение. У поверхности земли (до высоты порядка 25 км) доза внешнего облучения обусловлена, в ос­новном, гамма-излучением.

С удалением от поверхности земли интенсивность кос­мического излучения возрастает (рис. 2.3). Поэтому дозовая нагрузка на людей, проживающих в горной местности, в несколько раз больше, она равна примерно 0,7 и 5,0 мЗв в год соответственно на высотах 2 и 4-5 км. На высоте по­летов современных самолетов уровень космического излу­чения в несколько десятков раз больше, чем на уровне моря.

К основным естественным радионуклидам, излучение которых формирует природный радиационный фон, отно­сятся: U²³⁸, U²³⁵ и Th²³², а также один из продуктов распада U²³⁸ - радон (Ra²²⁶).

Внешнее облучение обусловлено радионуклидами, со­держащимися в почве и горных породах, внутреннее - ра­дионуклидами, содержащимися в воздухе, воде и продуктах' питания. Средняя доза облучения населения России со­ставляет 3,4 мЗв/чел. в год.

Рис. 2.3. Уровни космического излучения на различных высотах

Массообмен человека. В процессе жизнедеятельности человек потребляет: кислород из атмосферы при дыхании, воду питьевую и воду, содержащуюся в продуктах питания, пищевые вещества, содержащиеся в продуктах питания, - белки, жиры и углеводы. К качеству потребляемых веществ предъявляются определенные требования. В биохимичес­ких реакциях организма пищевые вещества окисляются кислородом, выделяя энергию, необходимую для жизнедея­тельности человека. Полученная энергия используется на работу внутренних органов, на механическую мышечную работу человека и переходит в тепло, которое организм вы­деляет в окружающую среду.

Все продукты реакций, а также потребленная человеком из внешней среды вода полностью выделяются организмом в окружающую среду: углекислый газ удаляется в атмосфе­ру при дыхании; шлаковые вещества выводятся вместе с по­требленной водой в виде отходов жизнедеятельности, часть воды выделяется путем испарения в атмосферу через кожу и через легкие при дыхании.

В сутки человеку требуется в среднем 1,75 кг пищи (из них твердых веществ около 0,6 кг), 7,3 л воды (2,5 л питье­вой и 4,8 л технической) и 0,9 кг кислорода. Вместе с пить­ем и пищей получается около 3,5 л жидкости в день (для климата средней полосы России при минимальной физиче­ской нагрузке). При нагрузке средней тяжести необходимо до 5 л, при тяжелой работе на воздухе — до 6,5 л жидкости в день.

Значительные опасности возникают при потреблении человеком загрязненных потоков воздуха, воды и пищи. До­статочно отметить, что от отравлений пищей в мире ежегод­но умирают около 2 млн. чел.

Информационный обмен человека. Взаимосвязь чело­века с любой системой (в том числе технической) может быть описана через информационную модель, которая объ­единяет сенсорное и сенсомоторное поля. К сенсорному (чувствительному) полю информационной модели относят комплекс сигналов, которые воспринимаются человеком непосредственно от системы (шум, вибрация, ЭМП и т.д.) и из ряда сигнальных показаний приборов, индикаторов и т.п. К сенсомоторному полю относят комплекс сигналов от органов управления - рычагов, ручек, кнопок и т.д.

Информационная совместимость означает соответствие возможностей человека по приему и переработке потока за­кодированной информации и эффективного положения уп­равляющих воздействий в системе.

Реакция человека на любое внешнее воздействие (раздра­жение) и превращение ее в защитное действие хорошо просле­живаются на схеме рефлекторной дуги (рис. 2.4). Согласно этой схеме энергия раздражителя поступает на рецепторы человека и далее по нервным волокнам в виде нервных им­пульсов передается в центральную нервную систему (ЦНС). В коре головного мозга - высшем органе ЦНС - информация анализируется и по нервным волокнам пере­дается к исполнительным органам человека для компенса­ции внешнего воздействия. Результат компенсационного действия передается по обратной связи на рецептор.

Датчиками системы восприятия внешних воздействий являются структурные нервные образования, называемые рецепторами. Они представляют собой окончания чувстви­тельных нервных волокон, способные возбуждаться при действии раздражителя. Часть из них воспринимают изме­нения в окружающей среде, а часть - во внутренней среде организма. Согласно классификации по характеру ощуще­ний различают зрительные, слуховые, обонятельные, осяза­тельные рецепторы, рецепторы боли, рецепторы положения тела в пространстве.

Рис. 2.4. Схема рефлекторной дуги:

1 - энергия Е раздражителя (сигнал, информация); 2 - рецептор; 3 - нервные волокна; 4 - ЦНС; 5 - нервные волокна; 6 – исполнительный орган; 7 - путь безусловного рефлекса; 8 - обратная связь

При длительном воздействии раздражителя происходит адаптация рецептора и его чувствительность снижается, од­нако, когда действие раздражителя прекращается, чувстви­тельность растет снова. Для адаптации рецепторов нет од­ного общего закона. Различают быстро адаптирующиеся (например, барорецепторы) и медленно адаптирующиеся рецепторы (фоторецепторы).

Полученная рецепторами информация, закодированная в нервных импульсах, передается по нервным путям в цен­тральные отделы нервной системы и используется для коор­динирующей работы органов. Иногда поступающая ин­формация непосредственно переключается на органы. Такой принцип переработки информации заложен в основу мно­гих безусловных рефлексов (врожденных, наследственно пе­редающихся). Например, сокращение мышц конечностей, раздражаемых электрическим током, теплотой или химиче­скими веществами, вызывает реакцию удаления конечности от раздражителя. При длительном воздействии раздражи­теля на основе приобретенного опыта формируются услов­ные рефлексы.

Человек обладает рядом специализированных перифе­рийных образований - органов чувств, обеспечивающих восприятие действующих на организм внешних раздражителей (из окружающей среды). К таким образованиям отно­сятся органы слуха, зрения, обоняния, вкуса, осязания. Не следует смешивать понятия «орган чувств» и «рецептор», например глаз - орган зрения, а сетчатка - фоторецептор, один из компонентов органа зрения. Помимо сетчатки в со­став органа зрения входят преломляющие среды глаза, раз­личные его оболочки, мышечный аппарат.

Понятие «орган чувств» в значительной мере условно, так как сам по себе он не может обеспечить ощущение. Для возникновения субъективного ощущения необходимо, что­бы возбуждение возникло на рецепторах и поступило в цент­ральную нервную систему.

С помощью органов чувств человек получает обширную информацию об окружающем мире. Количество информа­ции принято измерять в битах. В табл. 2.3 приведены макси­мальные скорости передачи информации, принимаемой че­ловеком с помощью различных органов чувств и их рецепторов для передачи к коре больших полушарий.

Нервная система человека подразделяется на ЦНС, включающую головной и спинной мозг, и периферическую (ПНС), которую составляют нервные волокна и узлы, лежа­щие вне ЦНС. Нервная система функционирует по принци­пу рефлекса. Рефлексом называют любую ответную реакцию организма на раздражение из окружающей или внутренней среды, осуществляющуюся с участием ЦНС.

Таблица 2.3