TITLE: 人類工效學-第三章 人體的肌肉系統 AUTHOR: QUENCY DATE: 07/09/2013 10:26:10 PM CATEGORY: 人因工程設計 STATUS: publish ---- BODY:
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第三章 人體的肌肉系統
在日常生活和工作中, 我們經常需要使用力氣. 如在搬運東西時, 我們需要手, 腿, 或肩膀使勁. 既使在站立不動時, 我們的腳和大腿也在用力, 否則我們就站不住.人體的力量是由人的肌肉系統提供的, 為了在工作時省力, 或不至於勞累過度, 我們需要瞭解人體的肌肉系統.
第一節 生物原理
一. 肌肉的結構
人能夠運動是因為有分佈在全身的肌肉, 它差不多占人身體總重量的40%. 每一塊肌肉又是由許多肌肉纖維組成的. 有的肌肉纖維只有5毫米長, 而有的則可長達140毫米. 肌肉纖維的半徑在0.1毫米左右. 一塊肌肉包含十萬到一百萬這樣的纖維. 纖維的終端組成一塊肌肉筋. 長肌肉纖維有時是成串地連接在一起的. 在每個肌肉的終端, 肌肉筋聯在一起形成一個硬的, 無彈性的肌肉鍵, 肌肉鍵是緊貼在骨骼上的.
肌肉的一個最重要的特點是它可以縮短到正常尺寸的一半左右, 這種現象我們稱之為肌肉收縮. 肌肉收縮的功率隨著肌肉長度的增加而增加. 肌肉纖維含有蛋白質,蛋白質中肌動朊和肌漿球蛋白的作用是十分重要的, 因為正是它們的收縮而帶動肌肉收縮的. 在肌肉收縮的過程中, 肌動朊纖維據認為縮進肌漿球蛋白之間的, 如圖3-1所示.
每個肌肉纖維收縮時都有一定的力量, 一塊肌肉的力量是這些肌肉纖維力量的總和. 人的肌肉的最大力量介於0.3-0.4N/mm2之間, 因此截面積為100mm2的肌肉可以支援3-4公斤的重量(30-40N). 這樣一個人的潛在的力量首先取決於他的肌肉的截面積. 經過相同的訓練, 一個女子由於肌肉較小可以施展的力大約比一個男子少30%.肌肉在它開始收縮時力量最大, 以後隨著肌肉的縮短力量也開始減弱.
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│ ━━━━━━━━━ │ 肌動朊纖維
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├──── ─────┤ 肌漿球蛋白
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圖3-1. 肌肉收縮示意圖
二. 能源的來源
在肌肉的收縮過程中, 機械能的產生是由消耗肌肉中貯存的化學能轉化來的, 肌肉工作實際上是一個化學能向機械能轉化的過程. 能量的釋放是由於肌動朊纖維和肌漿球蛋白中的蛋白質分子發生的化學反應而引起它們位置的變化, 產生收縮. 收縮的直接能源是在化學反應中含有豐富的磷酸脂由高能狀態變為低能狀態. 肌肉內的大部分能源來自于三磷酸腺苷(ATP), 當它轉化成二磷酸腺苷時釋放出大量的能量. ATP不僅存在於肌肉中, 差不多存在於所有的生物組織的纖維中,作為一種隨時可以釋放能量的貯備. 肌肉纖維中的另一個化學能源是磷肌酸, 它分解成磷酸和肌酸時能釋放同樣重要的能量.
低能磷化物在肌肉內不斷地轉換成高能狀態, 這樣肌肉內貯存的能量才不會下降, 這是自然界的一個奇跡, 就相當於用完了的汽油又變成了汽油. 但是這種高能磷化物的再生自身也需要能源. 這種能源是從葡萄糖, 脂肪中的元素和蛋白質得到的. 在劇烈的, 大量的體力勞動中, 葡萄糖--血液迴圈裡最重要的糖--是主要的能源供應. 在休息或中等強度的勞動時, 脂肪中的元素(脂肪酸)和蛋白質是主要的能源供應. 因此, 葡萄糖, 脂肪和蛋白質這些營養物質是間接的能量來源, 為了使ATP和其他能源豐富的磷化物的貯存得到不斷的補充.
葡萄糖從血液中進入細胞, 在細胞中被轉化成外消旋酸. 從這裡, 化學分解將沿著兩個方向進行, 取決於氧的供應是否充分. 如果氧氣充分, 外消旋酸在氧化的過程中被分解, 產生水和二氧化碳, 這可以釋放足夠的能源以重新組成大量的ATP.
如果氧氣不充分, 正常的外消旋酸的分解便發生不了, 相反,它被轉換成乳酸. 乳酸是新陳代謝中的一種廢物, 它使人產生肌肉疲勞和酸疼的感覺. 這個過程中只釋放少量的能源説明高能磷化物的重新組結.
在劇烈的運動時, 人們有時感到呼吸不過來. 這實際上是他想通過大量的呼吸來彌補氧氣的不足, 他想償還他的"氧負債". 這個氧負債是由於已經發生的大量的能量的消耗引起的, 需要額外的氧氣以把乳酸換回成外消旋酸, 重新構造高能的磷化物. 當這個過程完成以後, 能源可以重新從氧化外消旋酸獲得. 圖3-2是一個簡化了的肌肉能量供應圖.
圖3-2. 肌肉的能量供應圖
正如前面已經提到過的, 蛋白質和脂肪也包括在這些新陳代謝中. 當這些物質的分解達到某一階段時, 它們產生的脂肪酸和氨基酸然後也會與外消旋酸一樣,經過進一步的分解變成水和二氧化碳,這最後一個階段也產生肌肉運動所需要的能量.
產生能量的重要源料--葡萄糖和氧--在肌肉中只貯存了很少一部分, 因此它們需要不斷地從血液中得到補充, 因此是血液的供應最後限制著肌肉運動的效率. 在一塊肌肉處於運動狀態時, 它對血液的需要量增加了好幾倍. 為了滿足這個需求, 血液循環系統開始發生一些變化: 心跳加快而且有力, 血壓增加, 通向肌肉的血管開始擴張. 下表是斯切爾(Scherer)發現的人的肌肉在不同狀態下的血液的迴圈量.
表3-1. 在不同狀態下肌肉的血液供應量
靜止時 4毫升/分鐘/100克肌肉
中等勞動 80毫升/分鐘/100克肌肉
重體力勞動 150毫升/分鐘/100克肌肉
三. 肌肉運動中的電現象
人們很早就發現肌肉在收縮過程中伴隨著電現象, 這與神經中的脈衝產生的電現象是相似的. 最近幾十年, 由於非常先進的生物電子設備的應用, 關於肌肉電現象的研究也比較詳細了. 我們可以把這些研究結果歸納如下:
(1) 靜止時肌肉纖維有一個90微伏的電位--被稱為靜止膜電位. 肌肉纖維的內部相對於外部帶有負電.
(2) 肌肉開始收縮時, 靜止電位迅速消失. 肌肉纖維的內部開始帶正電. 這個電位被稱為行動電位. 我們稱之為行動電位是因為這個電位是在神經行動的同時產生的. 肌肉中的行動電位大約持續2-4毫秒, 然後以每秒5米左右的速度沿著纖維方向沿伸.
(3) 行動電位的產生包括肌肉纖維膜的去極和重新極化兩個過程. 在這期間, 肌肉不可以被新的神經命令所刺激起來, 所以這段時間又被稱作絕對不應期, 這段時間持續大約1-3微秒. 與神經系統相似, 肌肉纖維的去極和重新極化包含著鉀離子和鈣離子的反向運動.
肌肉的電現象可以通過放大器, 以皮電圖的方式記錄下來. 肌肉的電流可以及在肌肉所在的皮膚表面貼上電極來測量. 另一種不很常用的方法是將一根電極針插到肌肉內, 這樣就可以測量某一單個肌肉的情況. 在皮膚表面的電極測的是整塊肌肉的電現象. 這種方法使用兩個面積為100平方毫米的電極, 兩個電極分開幾公分貼在皮膚上. 皮電圖測量儀通常還要將兩個電極輸出的結果進行合成和放大. 這種方法到目前取得的結果還比較有限, 因為使用不同的電極和在不同的試驗中得出的結果到目前還不一致. 儘管如此, 皮電圖顯示了當肌肉活動增加時, 對應的電活動也增加了, 這對於調查人在不同的姿式下的肌肉負荷情況特別有用.
第二節 靜負荷
一. 靜負荷的概念及特性
肌肉的負荷可以分為兩種形式. 一種是動態的(節奏性的)負荷, 簡稱為動負荷. 一種是靜止不動的負荷, 簡稱為靜負荷. 圖3-3給出了這兩類負荷的例子. 轉動手輪屬於動負荷的例子, 而把手伸出持住一重物則屬於靜負荷的例子.
這兩種形式的肌肉負荷可以描述如下:
(1)動負荷的特點是收縮, 伸展, 緊張或放鬆交替地進行.
(2)反過來, 靜負荷的特點是肌肉長期處於收縮狀態. 這通常發生在保持某一姿式不動.
在動負荷的情形下, 負荷可以由肌肉縮短的長度與所施展的力的乘積來表示. 在靜負荷狀態下, 肌肉沒有伸展, 而是保持在一個較高的緊張狀態, 力要保持相當的時間. 在靜負荷時, 沒有看得見的功, 也不能用重量*距離來測量. 這很象電磁鐵. 電磁鐵為了吸住一定的重量要消耗大量的能量, 但外表好象沒做有用的功.
動負荷與靜負荷顯然有根本的不同. 在靜負荷中, 血管被肌肉組織內部壓力所壓迫, 所以血液不再流入肌肉. 相反在動負荷中, 正如走路一樣, 肌肉的作用就像是血液循環系統的水泵一樣, 收縮時把血液壓出肌肉, 緊接著的鬆馳又把新的血液帶到肌肉中來. 由於這種方法, 血液的供應比平時大好幾倍. 事實上, 肌肉可能接受比平時大10-20倍的血液. 因此在動負荷情況下, 肌肉有充分的血液供應, 始終保持著高能狀態的糖和氧, 同時廢物被隨時帶走. 而在靜負荷狀態下, 肌肉從血液中得不到足夠的糖和氧, 不得不依賴于自己的貯存, 而且更為不利的是廢物不能被排出. 這些廢物積累起來, 形成我們所感覺到的肌肉疲勞和酸疼.
休息時 動負荷 靜負荷
需要的 供應的 需要的 供應的 需要的 供應的
血液 血液 血液 血液 血液
圖3-3. 動負荷與靜負荷
由於這個原因, 在靜負荷狀態下, 我們不能保持工作很長一段時間. 疼痛的感覺將迫使我們放棄這項工作. 相反, 一個動負荷可以保持很長一段時間而不感到疲勞, 條件是我們選擇一個合適的節奏. 在人體中只有一塊肌肉事可以不停地工作而不被損壞和感到疲勞. 這就是心臟的肌肉.
二. 靜負荷的產生
在日常生活中, 我們的身體不得不經常承受靜負荷. 例如當我們站立時, 我們的大腿, 臀部, 背部和頸部的許多肌肉都處在靜負荷之下. 正是由於這些靜負荷, 使我們的身體可以保持許多不同的姿式. 當我們坐下時,我們腿部的肌肉得到了解放, 身體的整個靜負荷都得到了減弱. 當我們躺下時, 我們身體內的所有靜負荷差不多都消失了, 這就是為什麼躺著式是最好的休息方式. 在靜負荷與動負荷之間並沒有明顯的界線. 通常某個特定的工作一部分是靜態的, 一部分是動態的. 由於靜負荷比動負荷更艱難, 在混合負荷情況下, 靜負荷有更大的重要性.
一般而言, 在下列情況下應考慮靜負荷的影響:
(1) 使用很大的力持續10秒鐘以上.
(2) 使用中等程度的力持續1分鐘以上.
(3) 輕度的力(人的最大力的三分之一左右)持續4分鐘以上.
幾乎所有的工廠, 所有的職業都有靜負荷的因素. 下面是最常見的例子:
(1) 向前或向側面彎腰的工作.
(2) 用手握住東西不動.
(3) 把手向前水平的伸出.
(4) 一隻腳踩踏板時把身體的重量都放在另一條腿上.
(5) 在一個地方站著不動很長一段時間.
(6) 推或拉很重的物體.
(7) 把頭向前或向側面彎得很厲害.
(8) 把肩膀抬起很長一段時間.
一般說來, 姿式不自然是一種最常見的靜負荷.
三. 靜負荷的影響
在靜負荷時, 血液流動所受到的阻力與靜負荷的值是成正比的. 當這個負荷達到了肌肉的最大力的60%時, 通向這塊肌肉的血液差不多完全被阻斷. 在負荷較低時, 一定量的血液迴圈還是可能的, 因為這時肌肉的緊張程度要低些. 當負荷低於最大力的15-20%, 血液流動基本正常. 顯然, 肌肉產生的力量越大, 即肌肉的緊張程度越高, 肌肉就越容易疲勞. 這種關係可以用肌肉可收縮的最長時間與肌肉產生的力之間的關係來表示. 莫羅德(Morod)研究了這兩者之間的關係, 其結果如圖3-4所示:
從圖3-4中我們可以看出, 當肌肉產生的力達到其可能產生的最大力的50%時, 肌肉的收縮可持續不到1分鐘. 當肌肉產生的力不超過最大力的20%, 肌肉的收縮可持續相當的時間. 但是其他許多研究發現, 為最大力15-20%的靜負荷若持續許多天或幾個月, 也會引起肌肉的疼痛, 所以許多專家們認為, 如果靜負荷不超過最大力的8%, 那麼人可以每天工作幾個小時而不感到疲勞.
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圖3-4. 肌肉產生的力與最大持續收縮時間
在大致相當的條件下, 相對於動負荷, 靜負荷導致:
(1) 更高的能量消耗;
(2) 心跳的增加;
(3) 需要更長的恢復疲勞時間.
這是很容易理解的, 如果我們注意到一方面沒有充分的氧氣參加新陳代謝,因而釋放較少的可以重新產生高能磷化物的能量, 另一方面產生了大量的乳酸, 乳酸干擾肌肉的工作. 供氧的不足在靜負荷下是不可避免的, 這也將不可避免地降低肌肉的工作效率.
圖3-5是一個很好的靜負荷增加人的能量消耗的例子. 瑪荷特(Malhotra)等發現學校的學生把書包提在手裡比把書包背在背上所消耗的能量要多一倍多, 這增加的氧耗是由於用手提書包時, 手臂, 肩膀和軀幹所產生的靜負荷所致. 圖3-6是一個靜負荷使心跳增加的例子. 荷汀格(Hettinger)發現, 把土豆藍子拿在手時比掛在肩上心跳要高14次/分鐘. 這一藍子土豆的重量占人的左手最大力的38%. 他結論道, 心跳的加快完全是由於左手的靜負荷引起的.
靜負荷使肌肉產生疲勞, 這種疲勞可以慢慢地發展成不可忍受的疼痛.如果人的身體的某一部分每天都承受相當的靜負荷, 經過較長的一段時間, 人就會或多或少地感覺到疼痛, 這不僅涉及到肌肉, 也涉及到骨骼, 關節, 肌肉鍵及身體的其他結構. 這一類問題我們用肌骨失調來統稱.
一些調查研究已經表明靜負荷與下列疾病是相關的:
(1) 關節浮腫;
(2) 肌肉腱銷浮腫;
(3) 肌肉腱節點附近發炎.
(4) 關節的壞死, 慢性關節炎.
(5) 肌肉抽筋;
(6) 脊椎毛病.
肌骨失調可以是可矯正的, 也可能是永久性的. 可矯正的肌骨失調的症狀是短暫的. 這種疼痛位於某一肌肉或肌肉腱, 當負荷撤銷後, 疼痛就消失了. 這屬於疲倦性疼痛.
永久性的肌骨失調也位於受壓的肌肉和腱, 但也影響到鄰近的關節和其他組織. 當外部的負荷消失之後, 疼痛並不消失, 而是繼續存在. 根據馮.瑞利(van Vely)的調查, 永久性的肌骨毛病對一年到頭操作同一機器, 或手工操作, 但工作臺太高或太矮的老工人中很常見. 靜負荷可能導致的毛病歸納在表3-2中:
表3-2. 靜負荷與肌骨疼痛
工作姿式 可能影響的部位
站在一個地方 小腿, 大腿, 靜脈血管
坐著沒有背靠 背部的肌肉
坐椅太高 膝蓋, 小腿, 腳部
坐椅太低 肩膀, 脖子
站著或坐著時軀幹前傾 腰椎附近, 脊椎
手臂向前或向側面伸出 肩膀, 手臂, 肩關節
過度地向前或向後低頭 脖子, 脊椎功能的下降
手不自然地抓起東西 手臂, 可能引起肌肉腱的發炎
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