Фізіологія і психологія

Скелетні  м’язи виконують такі функції:

• переміщують тіло у просторі (ходьба, біг);
• переміщують частини тіла відносно одна одної (рухи ніг, рук, голови);
• підтримують позу тіла.

У м’язах, суглобах і сухожиллях розміщені  рухові рецептори, які збуджуються  під час рухів і напружень, сприймають скорочення і розслаблення м’язових волокон.

Під час збудження м’яза відбуваються такі процеси: механічна робота; біохімічні перетворення, внаслідок яких виділяється  енергія і утворюються продукти розпаду; теплоутворення.

М’язи, які виконують одночасно рухи в одному напрямку, називаються синергістами, а м’язи, що виконують рухи в протилежних  напрямках, — антагоністами.

М’язи синергісти і антагоністи можуть скорочуватися  одночасно або по черзі в різній послідовності залежно від конкретного завдання під впливом нервових імпульсів, що надходять з центральної нервової системи по відцентрових нервах.

Основним  функціональним елементом рухового апарату є рухова одиниця.

Вона складається з мотонейрона  та іннервованих ним м’язових волокон. Аксон, що відходить від мотонейрона, при підході до м’яза розгалужується, утворюючи кінцеві гілочки, кожна  з яких за допомогою синапсу з’єднується  з м’язовим волокном. Передача збудження  з нерва на м’язове волокно викликає його скорочення. Отже, один мотонейрон іннервує цілу групу м’язових волокон.

Кожна рухова одиниця викликає скорочення лише окремих волокон м’яза. Мотонейрони, які іннервують волокна одного м’яза, утворюють мотонейронний пул. Його функція полягає в дозуванні  сили скорочення всього м’яза та виборі таких мотонейронів, діяльність яких необхідна в даний момент.

Усі рухові одиниці поділяються на великі й малі. Велика рухова одиниця складається  з великого мотонейрона з товстим  аксоном, який розгалужується на велику кількість гілочок та іннервує сотні  і навіть тисячі м’язових волокон. Мала рухова одиниця складається  з маленького мотонейрона з тонким аксоном, що утворює невелику кількість  гілочок і, відповідно, іннервує невелику кількість м’язових волокон (усього кілька десятків).

Рухові  одиниці різняться і за функціональними  властивостями: збудливістю, швидкістю  процесу збудження, частотою імпульсів. Так, збудливість малих мотонейронів вища, ніж великих. Це означає, що збудження  в них виникає за меншої сили подразника порівняно з великими. Швидкість  цього процесу в малих мотонейронах менша і частота імпульсів  невелика (20—25 за 1 с). Великі мотонейрони здатні посилати іннервованим м’язовим волокнам до 50 імпульсів за 1 с.

Швидкість скорочення м’язових волокон різних рухових одиниць також неоднакова. В малих рухових одиницях час  одного скорочення м’язового волокна  становить біля 120 мс, а у великих — біля 60 мс. Отже, великі рухові одиниці — швидкі, здатні розвивати короткочасно велику силу і виконувати швидкі рухи. Малі рухові одиниці — повільні, розвивають невеликі зусилля і здатні до тривалої роботи.

Наявність різних рухових одиниць забезпечує залучення до роботи тих, участь яких найефективніша, а також сприяє боротьбі з утомою.

Від режиму активності рухових одиниць  залежить м’язове напруження. Сама ця активність залежить від частоти  імпульсації, що надходить із мотонейрона. Чим більша частота імпульсів, тим  більшою є активність рухової  одиниці і тим більше напруження виникає в її м’язових волокнах. М’язове напруження здійснюється завдяки  погодженню активності різних рухових  одиниць. Останні можуть скорочуватися  одночасно або почергово. Синхронне  скорочення групи рухових одиниць  забезпечує більше напруження. У разі асинхронної роботи рухових одиниць  підтримується постійність напруження, рухи більш плавні. Тому у процесі  праці більшість рухових одиниць  працює асинхронно. У разі стомлення  вони починають працювати синхронно, що виявляється в порушенні точності рухів, тремтінні рук.

Скорочення  м’язів пов’язане з перетворенням  хімічної енергії на механічну і  теплову. Основними речовинами, які  забезпечують скорочення, є білки  — актин і міозин, а джерелом хімічної енергії — аденозинтрифосфорна кислота (АТФ), вуглеводи, білки, жири та кисень.

Оскільки  м’язи прикріплені сухожиллями  до кісток скелета, то під дією м’язової сили останні в суглобах можуть змінювати  своє положення.

Переважна більшість робіт виконується  м’язами пальців руки, кисті, ліктя, передпліччя; рідше — спини, і  ще рідше — ноги. Отже, рука є основним робочим органом людини. Вона являє  собою робочий механізм, тобто  коли привести її в дію, дає відповідний  ефект. Проте робочий механізм людини відрізняється від технічних  систем, оскільки налічує відносно невелику кількість рухових пристосувань і водночас здатний виконувати найрізноманітніші  рухи.

Рухові ланки  та їхні функції  
під час виконання рухів

З механічного погляду виконавчий орган рухового апарату людини являє  собою сукупність двох ланок, з’єднаних  між собою суглобом, які взаємно  обмежують рух. Це так звана кінематична пара. Прикладами кінематичних пар є плече-передпліччя, лопатка-плече, стегно-гомілка, які з’єднані відповідно променево-ліктьовим, лопатково-плечовим, колінним суглобами. У суглобах відбуваються різні рухи. Проте окремі суглоби залежно від анатомічної будови мають різні можливості для здійснення рухів. Розрізняють одновісні, двовісні й тривісні суглоби, що відповідає одному, двом і трьом ступеням свободи рухів. Ступінь свободи рухів — це напрям, в якому може рухатися тіло.

Одновісними є плечо-ліктьовий  суглоб, міжфалангові з’єднання, в яких можливе переміщення лише в одній площині (згинання-розгинання). До двовісних суглобів належать променево-зап’ястний, плечо-променевий, п’ястно-фаланговий, які мають два ступені свободи рухів (згинання-розгинання, приведення-відведення). Три ступені свободи рухів мають лопатково-плечовий і тазо-стегновий суглоби. У них можливі згинання-розгинання, приведення-відведення, а також кругові рухи навколо поздовжньої осі.

Рука  людини побудована з трьох лінійних послідовно з’єднаних ланок, так званих кінематичних пар: плеча, передпліччя і кисті. Вона є відкритим кінематичним ланцюгом, оскільки має вільний рухливий кінець. У відкритому кінематичному ланцюгу кількість ступенів свободи останньої ланки дорівнює сумі ступенів свободи всіх ланок, які утворюють цей ланцюг. Кисть руки відносно лопатки має сім ступенів свободи рухів, оскільки три ступеня свободи має плечова кістка відносно лопатки; один ступінь свободи має ліктьова кістка відносно плечової; три ступеня свободи має кисть разом з променевою кісткою відносно ліктьової. Практично це означає, що кисть руки в межах довжини верхньої кінцівки має необмежену свободу рухів, оскільки, за законами механіки, абсолютно вільне тіло має шість ступенів свободи (може рухатися в трьох взаємно перпендикулярних напрямах і обертатися навколо трьох взаємно перпендикулярних осей).

Загальна  кількість ступенів свободи рухів  у людини перевищує сотню.

Рухи в  окремих ізольованих суглобах одноманітні. У процесі праці трудові дії  являють собою, як правило, складні  поєднання рухів у кількох  суглобах. При цьому відбувається як чергування, так і одночасне  виконання рухів у різних суглобах. Трудові рухи набувають своєї  визначеності завдяки тому, що одночасно  не використовуються всі наявні ступені  свободи, а вибираються лише ті, які  відповідають виконанню даного конкретного  завдання. Забезпечується ця вибірковість центральною нервовою системою, яка  встановлює порядок і послідовність  використання рухового апарату, виконуючи  координаційну функцію. Надлишкові ступені свободи рухів виключаються процесом гальмування. Узгодженість рухів  у різних суглобах відповідно до завдання називається координацією.

Завдяки інтегративній  функції центральної нервової системи  руховий апарат людини діє як складна  саморегульована система. До скелетних  м’язів підходять змішані нерви, які мають у своєму складі еферентні, чутливі і вегетативні нервові  волокна. Еферентні нервові волокна, передаючи збудження, викликають скорочення або розвиток напруження скелетних  м’язів; чутливі — передають  до центральної нервової системи  інформацію про результати дій, напруження і рухи окремих ланок; вегетативні — про характер обмінних процесів у м’язах, кровообіг. Завдяки такій сигналізації вносяться корективи до виконання рухів, регулюється робота внутрішніх органів.

3.2. М’язова сила і витривалість

М’язова сила і фізіологічний  
закон середніх навантажень

Важливим  показником функціонального стану рухового апарату людини є м’язова сила. Вона характеризується максимальним напруженням, яке здатні розвинути м’язи під час збудження. Поодиноке подразнення викликає поодиноке збудження м’яза. Сила такого збудження залежить від кількості м’язових волокон, які входять до складу рухової одиниці, — чим більше волокон, тим більшою є сила скорочення.

Поки  частота подразнення м’яза не перевищує певної величини, м’яз відповідає на кожне подразнення поодиноким скороченням. Збільшення частоти подразнень спричинюється до того, що серія  скорочень м’яза зливається в  одне, так зване тетанічне скорочення. При тетанічному скороченні напруження м’язових волокон більше, ніж при  поодиноких.

Отже, максимальна сила м’яза залежить від кількості і товщини його волокон, частоти нервових імпульсів, швидкості м’язових скорочень і відбувається тоді, коли в роботу включені всі рухові одиниці за повного тетанусу. Сила людини характеризується здатністю переборювати зовнішню протидію за рахунок м’язових зусиль. Вона залежить від віку і статі, здоров’я та емоційного стану.

Для вимірювання м’язової сили застосовують динамометри: кистевий і становий. Максимальна  сила кисті, кгс обчислюється як середнє  арифметичне трьох здавлювань динамометра  з максимальною силою через одну хвилину.

Розвиваючи  напруження і скорочуючись, м’яз здатний  виконувати механічну роботу. Найбільшу  роботу він виконує за середніх навантажень  і середніх швидкостей. Це явище дістало назву закону середніх навантажень.

Середні навантаження і середні швидкості  скорочення різні для різних м’язів, що необхідно враховувати при  розробці норм і організації праці.

М’язова витривалість  
і працездатність людини

Ефективність  використання рухового апарату людини у процесі праці залежить не лише від її м’язової сили, а й від  витривалості. М’язова витривалість — це здатність тривалий час підтримувати зусилля на постійному рівні. Максимальна м’язова витривалість визначається підтриманням максимального зусилля протягом однієї хвилини. Фіксується значення максимального зусилля на початку і через одну хвилину. Коефіцієнт витривалості обчислюється за формулою:

,

де  а — початкове максимальне  зусилля, кгс;  б — зусилля через  одну хвилину, кгс.

Напруження  на максимальному рівні можливе  лише протягом короткого часу, тому витривалість практично не може визначатися  на рівні максимального зусилля. Витривалість до статичних навантажень  оцінюється часом підтримання людиною  зусилля на рівні 50—75 % максимального. Витривалість до динамічного навантаження визначається тривалістю виконання ритмічної роботи на рівні половини максимального зусилля в темпі один раз за одну секунду.

Оцінка  витривалості м’язів зводиться до визначення коефіцієнта К_з.с.з зниження статичного зусилля, запропонованого М. І. Виноградовим. Для цього визначають, на скільки знизилось максимальне напруження м’яза через одну хвилину, і відносять це значення до середньої абсолютної величини напруження:

,

де  а — початковий рівень напруження м’яза, кгс; б — кінцевий рівень напруження м’яза, кгс.

На  підставі даних вимірювання м’язової сили (максимальної і через одну хвилину) можна обчислити й коефіцієнт статичного зусилля:

.

Співвідношення між м’язовою силою  і витривалістю людини характеризує її працездатність. Вимірювання м’язової сили і визначення коефіцієнта статичного зусилля у працівників протягом робочого дня дозволяють оцінити динаміку їх працездатності і рівень фізичного напруження праці. Якщо зниження витривалості працівника не перевищує 10 % порівняно з доробочим рівнем, то така праця характеризується незначним фізичним напруженням; від 10—35 % — середнім, понад 35 % —  
сильним напруженням.

Між м’язовим напруженням і витривалістю існує обернено пропорційна залежність. При збільшенні навантаження тривалість виконання роботи зменшується. Доведено, що збільшення навантаження вдвічі супроводжується  зменшенням тривалості роботи в 4 рази. Отже, з фізіологічного погляду м’язи  людини дають більший ефект за середніх навантажень і нормальної інтенсивності.

3.3. М’язова діяльність  
і робоча поза працівника

Статична і динамічна робота.  
Фізіологічні відмінності між ними

У процесі праці людина виконує  різноманітні рухи, пов’язані як з  переміщенням предметів і знарядь  праці з певною швидкістю та переборенням певної їх протидії, так і з урівноважуванням якоїсь протидії за умови нерухомого положення частин тіла (утримання  вантажу, тиск на нерухому поверхню, здавлювання). Режими м’язової діяльності при цьому  різні. Розрізняють три такі режими:

• ізотонічний, коли напруження м’яза залишається постійним, а довжина його змінюється (зменшується);
• ізометричний, коли довжина м’яза залишається постійною, а напруження зростає;
• ауксотонічний (змішаний), коли м’яз змінює напруження і скорочується (найпоширеніший).

Робота, при якій напруження м’язів розвивається без зміни їх довжини  і без активного переміщення  у просторі рухових ланок, називається статичною. Статичні напруження людини у процесі праці пов’язані з підтриманням у нерухомому стані предметів і знарядь праці, а також підтриманням робочої пози.