| 4-2. Koszt fizjologiczny i energetyczny pracy fizycznej dynamicznej - pojęcia, metody oceny, optymalizacja obciążeń |
| Jan Karczewski |
| 4-2.1. Wprowadzenie |
cena kosztu fizjologicznego i energetycznego pracy fizycznej dynamicznej wymaga stałego posługiwania siępojęciem homeostazy ustrojowej (4-1. slajd 6). .
- pośrednia ocena maksymalnego pobierania tlenu
- test chodzenia
- testy stosowane do oceny tolerancji wysiłkowej
- testy stosowane w diagnostyce klinicznej.
- wysiłki lokalne występują wtedy, gdy w wysiłku zaangażowanych jest mniej niż 30% całej masy mięśniowej (np. praca tylko jednej lub dwóch kończyn górnych)
- wysiłki ogólne występują wtedy, gdy w wysiłku zaangażowanych jest ponad 30% masy mięśni (np. praca wykonywana za pomocą obu kończyn dolnych)
- wysiłki maksymalne występują wtedy, gdy zapotrzebowanie na tlen podczas wykonywania pracy jest równe indywidualnej wartości VO2max
- wysiłki supramaksymalne występują wtedy, gdy zapotrzebowanie na tlen przekracza VO2max
- wysiłki submaksymalne występują
wtedy, gdy zapotrzebowanie na tlen jest mniejsze, niż VO2max
(4-2. slajd 7).
.
(4-2. slajd 7).
- Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. nauk. D. Koradecka T. 1-2. Wyd. II. Warszawa, CIOP 1999.
- Kozłowski S.: Fizjologia wysiłkowa. Warszawa, PZWL 1970.
- Kozłowski S., Nazar K.: Wprowadzenie do fizjologii klinicznej. Wyd. II. Warszawa, PZWL 1999.
- Krasucki P., Michalski E.: Ergonomia praktyczna. Seria wydawnicza „Fizjologia i higiena pracy”. Warszawa, IW CRZZ 1980
- Medycyna pracy. Red. J. T. Marcinkowski, Poznań, Wyd. AM 1996.
- Medycyna zapobiegawcza i środowiskowa. Red. Z. Jethon., Warszawa, PZWL 1997.
(4-1. slajd 6)
Pojęcie to zostało zdefiniowane w jednostce tematycznej „Fizjologia, higiena i medycyna pracy oraz ich udział w kształtowaniu warunków pracy” (4-1).
Zdrowie człowieka zależy od prawidłowego przebiegu procesów przemiany materii, na który wpływają czynniki endo- i egzogenne. Czynniki egzogenne związane są np. z zagrożeniami jakie występują w środowisku pracy, zaś czynniki endogenne to np. uwarunkowania genetyczne i choroby.W ergonomii zajmujemy się głównie czynnikami egzogennymi, chociaż nie można wykluczyć ich synergizmu z czynnikami endogennymi. Przykładowo, przy kwalifikowaniu pracownika do odpowiedniej pracy lekarz bierze pod uwagę jego aktualny stan zdrowia, a także wcześniej przebyte choroby.
Zwracamy również uwagę na szeroko rozumianą wydolność fizyczną organizmu mającą związek z kosztem fizjologicznym i energetycznym pracy.
| 4-2.2. Koszt fizjologiczny i energetyczny pracy |
Pojęcie „koszt fizjologiczny pracy” różni się od pojęcia „koszt energetyczny”. Koszt energetyczny wykonanej pracy możemy dość precyzyjnie zmierzyć. Obciążenie fizjologiczne związane jest z funkcjonowaniem narządów i układów człowieka związanych z charakterem wykonywanej pracy i nie ma obiektywnych metod pozwalających je dokładnie określić. Ma ono cechy wysoce zindywidualizowane, chociaż można wyodrębnić pewne wspólne uwarunkowania wynikające z charakteru wykonywanej pracy.
Przykładowo funkcjonowanie układu pokarmowego, oddechowego, układu krążenia i in. ma ścisły związek nie tylko z charakterem pracy w sensie obciążenia, ale również z towarzyszącym jej stresem, emocjami itp. Trudno czasami znaleźć bezpośredni związek między wykonywaną pracą, a reakcjami fizjologicznymi organizmu pracownika, chociaż związek taki niewątpliwie istnieje. Chcąc opisać procesy fizjologiczne związane z pracą, należy przede wszystkim zdefiniować podstawowe pojęcia związane z pracą mięśni, wysiłkiem i zmęczeniem. Związana z tym jest wydolność fizyczna, pułap tlenowy oraz obciążenie bezwzględne.
Do oceny wydolności fizycznej organizmu służą różnego rodzaju testy. Najczęściej stosowane są:
Określenie tzw. pułapu tlenowego dobrze przedstawia relacja między wydolnością a obciążeniem wysiłkowym.
Pułap tlenowy jest to sumaryczny wskaźnik charakteryzujący sprawność układu krążenia i układu oddechowego. Jest to zdolność pobierania tlenu przez organizm, zwana także wydolnością aerobową organizmu (VO2max). Pomiaru VO2max można dokonać podczas badania wielkości obciążenia na cykloergometrze lub na bieżni elektrycznej. Często jest to połączone z wykonaniem elektrokardiogramu. Nadzór nad tego rodzaju testem powinien zawsze sprawować lekarz (4-2. slajd 3).
(4-2. slajd 3).
nnym sposobem oceny ciężkości pracy jest pomiar wydatku energetycznego
mierzonego obciążeniem bezwzględnym ( 4-2. slajd 4).
4-2. slajd 4 (4-2. slajd 5) Oprócz obciążenia bezwzględnego można posłużyć się
pomiarem obciążenia względnego. Obciążenie względne określa stosunek między
zapotrzebowaniem na tlen podczas wykonywania pracy a maksymalnym pobieraniem
tlenu przez organizm (% VO2max).
Dzieli się na:
. 4-2. slajd 3.
Na
podstawie badań empirycznych przyjmuje się, że dla ludzi o małej wydolności
fizycznej obciążenie wysiłkiem fizycznym nie powinno przekraczać 30% VO2max,
dla ludzi o średniej wydolności – 40% VO2max,
natomiast dla ludzi o dużej wydolności – 50%VO2max
( 4-2. slajd 3.), [3]
wysiłki lekkie
< 10%
VO2max
wysiłki średnio ciężkie
10 ÷ 30%
VO2max
wysiłki ciężkie
30 ÷ 50%
VO2max
wysiłki bardzo ciężkie
> 50%
VO2max
(4-2. slajd 6).
Wysiłki fizyczne można pogrupować w następujący sposób:
W czasie wysiłku fizycznego następuje przetworzenie energii chemicznej, powstającej w czasie metabolizmu komórkowego w energię mechaniczną, niezbędną w pracy mięśni. Organizm człowieka w czasie pracy fizycznej wykorzystuje zaledwie do 30% energii zawartej w produktach żywnościowych. Pozostała część energii jest zamieniana w ciepło. Procesy metaboliczne w komórce związane z przemianą materii i energii mogą przebiegać, w zależności od sytuacji, w warunkach tlenowych i beztlenowych.
W czasie wysiłku zaangażowane są układy: oddechowy, krążenia, nerwowy (termoregulacja) i układ wydzielania wewnętrznego. Dochodzi jednak do zmian także w czynnościach narządów i układów, np. pokarmowego i moczowego.
Testy wysiłkowe należą do najważniejszych w badaniach fizjologicznych. Służą one do oceny zdolności wykonywania określonych wysiłków oraz sprawności ruchowej, a także wydolności fizycznej i tolerancji wysiłkowej. W próbach wysiłkowych powinny być stosowane pewne zasady, w zależności od rodzaju wysiłków (maksymalne, submaksymalne lub supramaksymalne). Ważny tu jest również czas trwania wysiłku. Do oceny wskaźników tolerancji wysiłkowej, badania reakcji metabolicznych i hormonalnych związanych z procesami fizjologicznymi zaleca się stosowanie dłuższych wysiłków (od kilku do kilkudziesięciu minut).
. Na slajdzie 4-2. slajd 8 przedstawiono różne metody obciążania badanych w próbach wysiłkowych. Przedstawiony tam sposób 1., czyli wysiłek o stałym obciążeniu jest wykonywany przez 5-6 minut. Jest on najczęściej stosowany w testach z obciążeniami submaksymalnymi. Ze względu na jednorazowe stałe obciążenie może stanowić zagrożenie dla zdrowia badanego (w razie niewłaściwego dobrania obciążenia).
4-2. slajd 8
Wad tych nie mają przedstawione sposoby: 2. (bezpieczniejszy ze względu na przerwy na odpoczynek i ocenę reakcji organizmu) i 3., gdzie wielkość kolejnych obciążeń ustala się na podstawie reakcji na wysiłki poprzednie. Sposoby te stosowane są w badaniach wysiłków submaksymalnych i maksymalnych.
Odmianą sposobów 2. i 3. jest sposób 4. stosowany głównie do oceny wysiłków maksymalnych, gdyż umożliwia szybsze uzyskanie obciążenia maksymalnego.
Podczas stosowania testów wysiłkowych dążymy do eliminowania czynników mających związek z reakcją organizmu na wysiłek. Należą do nich: zmęczenie wysiłkiem poprzedzającym badanie, mikroklimat zimny lub gorący pomieszczeń, niewłaściwe ubranie, głodzenie, bezpośrednie spożycie posiłku przed badaniem, stres itp.
W testach wysiłkowych należy również zwrócić uwagę na bezpieczeństwo osób badanych. Próby powinny być wykonywane pod nadzorem lekarza, który też decyduje o ich zakończeniu. Przed testem wysiłkowym należy wykonać dokładne badania lekarskie, w tym szczególnie EKG, oraz przeprowadzić wywiad dotyczący dolegliwości związanych z układem krążenia. W trakcie badania należy kontrolować ciśnienie krwi przy każdej zmianie obciążenia.
| 4-2.3. Praca fizyczna dynamiczna |
W celu lepszego zrozumienia istoty pracy fizycznej dynamicznej należy znać budowę i rodzaje mięśni oraz czynniki decydujące o ich sile.
Do kości przytwierdzonych jest ponad 500 mięśni szkieletowych. Mięśnie są przyczepione do kości za pośrednictwem zwężających się, powrózkowatych zakończeń, zwanych ścięgnami. W czasie ruchu mięsień kurczy się i pociąga kość. Kości i mięśnie tworzą jeden z głównych układów ciała - układ szkieletowo-mięśniowy.
Podstawową jednostką strukturalną każdego mięśnia są włókienka kurczliwe (miofibryle) zbudowane z dwóch rodzajów białek kurczliwych: aktyny i miozyny. Włókienka są tak drobne, że można je dostrzec tylko pod mikroskopem. We włókienkach mięśni poprzecznie prążkowanych białka kurczliwe są tak usytuowane, że miejscami mają różny współczynnik załamania światła, co daje efekt prążkowania. Mięśnie gładkie sprawiają wrażenie jednorodnych (stąd ich nazwa). Skurcz mięśnia następuje wtedy, gdy włókienka miozyny „wślizgują się” pomiędzy włókienka aktyny.
Miofibryle wypełniają komórki (miocyty) tkanki mięśniowej, każda komórka jest wydłużona i stanowi tzw. włókno mięśniowe. Do każdego dochodzą odrębne zakończenia nerwowe. Włókna mięśni poprzecznie prążkowanych są zebrane w wiązki otoczone tkanką łączną włóknistą, która doprowadza do każdej wiązki naczynia krwionośne i limfatyczne. W przypadku mięśni gładkich włókna są połączone ze sobą za pomocą tkanki łącznej. W mięśniach gładkich nie można rozróżnić poszczególnych miocytów. Mięsień taki jest strukturą powstałą z połączenia się wielu komórek.
Struktura mięśnia sercowego (widoczna pod mikroskopem) jest bardzo podobna do struktury mięśni poprzecznie prążkowanych (szkieletowych), z wyjątkiem tego, że poszczególne włókna krzyżują się między sobą.
W tkance mięśniowej znajdują się rezerwy „paliwa” dla mięśni w postaci wielocukru - glikogenu. Energia niezbędna do pracy mięśni jest tworzona w mitochondriach, znajdujących się w komórkach, gdzie podczas procesu oddychania komórkowego, następuje rozkład cukrów i uwalniana jest energia.
Włókna nerwowe, biegną wzdłuż rdzenia kręgowego, od motorycznych (kontrolujących ruchy) części kory mózgowej do komórek nerwowych znajdujących się w rogach przednich rdzenia kręgowego, wypustki tych komórek „opuszczają” rdzeń jako pojedyncze nerwy rozchodzące się do poszczególnych mięśni. Jeśli mięsień zostanie pozbawiony pobudzenia elektrycznego w postaci impulsów elektrycznych przewodzonych drogą nerwową, traci zdolność skurczu i zaczyna zanikać.
W każdym mięśniu znajdują się obszary, w których nerwy stykają się z włóknami mięśniowymi. Przejście impulsu wywołującego skurcz odbywa się w specjalnej płytce motorycznej znajdującej się w miejscu zetknięcia się włókna nerwowego z włóknem mięśniowym. Przewodzony wzdłuż nerwu impuls elektryczny nie pobudza mięśnia bezpośrednio, wywołuje natomiast wydzielenie przez zakończenia włókien nerwowych neuroprzekaźnika - acetylocholiny, który wywołuje skurcz.
Ślizganie się włókienek miozyny po włókienkach aktyny jest procesem złożonym, podczas którego wielokrotnie następuje powstanie i rozpad połączeń chemicznych pomiędzy nimi. Ten proces wymaga energii, powstałej dzięki beztlenowemu lub tlenowemu rozkładowi substratów pokarmowych w mitochondriach. Energia ta jest przechowywana i przenoszona w postaci złożonego związku organicznego zwanego ATP (kwas adenozynotrójfosforanowy), bogatego w wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe.
Z wysiłkiem fizycznym, mierzonym wydatkiem energetycznym, łączy się ściśle pojęcie pracy fizycznej dynamicznej ( 4-2. slajd 9).
4-2. slajd 9
.
Praca fizyczna dynamiczna jest definiowana jako praca wykonywana z przeważającym udziałem skurczów izotonicznych i krótkotrwałych skurczów izometrycznych mięśni (chód, bieg, jazda na rowerze).
Skurcz izotoniczny zachodzi wtedy, jeśli jeden z przyczepów mięśnia jest wolny i w wyniku pobudzania następuje jego skracanie z maksymalną szybkością. Napięcie mięśnia w tej sytuacji nie zmienia się.
Skurcz izometryczny zachodzi wtedy, gdy obydwa przyczepy mięśni są unieruchomione, a opór przekracza wielkość siły maksymalnej skurczu, co w efekcie powoduje w mięśniu pobudzonym wzrost napięcia, natomiast jego długość nie zmienia się. Taki typ skurczu przeważa w czasie wysiłków statycznych.
W czasie pracy dynamicznej następuje równocześnie skurcz i rozkurcz mięśni i w związku z tym wykonują one pracę fizyczną, która może być zmierzona w sposób obiektywny. Skurcz i rozkurcz włókienek mięśniowych ułatwia jednocześnie usuwanie z komórek tkanki mięśniowej metabolitów przemiany materii, dzięki czemu jest mniejsze odczucie zmęczenia, inaczej niż w pracy statycznej.
| 4-2.4. Metody pomiaru wydatku energetycznego |
Do pomiaru wydatku energetycznego człowieka w czasie wysiłku fizycznego służy szereg metod.
Najdokładniejsza, a jednocześnie najbardziej skomplikowana ze względu na unikatową aparaturę i w związku z tym rzadko stosowana, jest metoda kalorymetrii bezpośredniej, polegająca na bezpośrednim pomiarze ilości ciepła wytwarzanego przez organizm. Częściej wykorzystuje się metodę kalorymetrii pośredniej polegającą na pomiarze objętości pobieranego przez organizm tlenu. Badania te umożliwiają obiektywny pomiar podstawowej przemiany materii oraz całkowitej przemiany materii. Pozwalają także badać wpływ odzieży, w tym także ochronnej, na procesy przemiany materii.
Podstawowa przemiana materii jest to ilość energii niezbędna do utrzymania podstawowych procesów życiowych organizmu człowieka w ciągu doby.
Całkowita przemiana materii jest to ilość energii potrzebnej do normalnego funkcjonowania człowieka. Jest to suma podstawowej przemiany materii, ilości energii niezbędnej do wykonywania codziennych czynności życiowych, energii zużywanej w procesie trawienia składników pokarmowych oraz niezbędnej przy wykonywaniu pracy zawodowej i utrzymywania stałej temperatury w zimnym otoczeniu.
Pomiar wydatku energetycznego na podstawie równoważnika energetycznego tlenu. Na podstawie objętości powietrza wdychanego oraz składu chemicznego powietrza wydychanego można obliczyć ilość zużywanego tlenu w jednostce czasu. Zużycie 1 l tleniu odpowiada wydatkowi energii 19-21 kJ. Wydatek energetyczny można też zmierzyć na podstawie pomiaru wentylacji minutowej płuc, czyli pomiaru ilości powietrza wydychanego w jednostce czasu.
Najczęściej wydatek energetyczny w czasie wykonywanej pracy jest określany na podstawie uśrednionych wartości doświadczalnych dla danej populacji, zamieszczonych w odpowiednich tabelach. Na podstawie znajomości takich parametrów jak płeć, wiek, wzrost i waga określa się podstawową przemianę materii, a znając rodzaj wykonywanej pracy i jej czas ustala się całkowitą przemianę materii. Ten sposób określania wydatku energetycznego, obarczony wprawdzie znacznym błędem, jest najszybszy i wystarczająco dokładny w przypadku orientacyjnej oceny wydatku energetycznego na stanowisku pracy. Jest on szczególnie przydatny w sytuacjach, gdy nie dysponujemy odpowiednimi przyrządami pomiarowymi, a zachodzi potrzeba dokonania szybkiej oceny wydatku energetycznego. (4-2. slajd 10).
.
(4-2. slajd 10)
| 4-2.5. Literatura |