Современные транспортные средства (ТС) характеризуются большим числом разнообразных технических параметров, в обязательном порядке внесенных в соответствующие документы: габаритные размеры, число мест, грузоподъемность, мощность двигателя, максимальная скорость и другие.

Кроме того, ТС имеют также и многочисленные эргономические показатели, определяющие комфорт и безопасность водителя и пассажиров. Их параметры в документах не указываются, а лишь сообщается, что автотранспорт соответствует санитарно-гигиеническим и экологическим требованиям.

К эргономическим показателям относятся шум, вибрация, загазованность, пыль и многие  другие. Причем некоторые из них могут вызвать серьезные профессиональные заболевания и их допустимый уровень ограничен соответствующими нормативными санитарно-гигиеническими документами.

В таблице 1 приведена выдержка из Руководства Р 2.2.755-99, регламентирующего предельно-допустимые значения некоторых из факторов [5].

Таблица 1

Классы условий труда в зависимости от уровней шума, локальной и общей вибрации на рабочем месте.

Как видно из таблицы 1, каждый из факторов регламентируется отдельно, независимо друг от друга. Для оценки совокупного воздействия всех эргономических показателей используются различные системы баллов, в основном носящих субъективный характер и не обоснованных метрологически.

К факторам, не вызывающих профессиональные заболевания, но оказывающих серьезное влияние на здоровье водителей, можно отнести: условия обзора, усилия при переключении коробки передач, пространство для ног, конструкцию кресел и многое другое. Основной причиной такого состояния является отсутствие в санитарно-гигиенических документах эргономических показателей, количественно и объективно характеризующих ТС.

Для решения этой проблемы нами были проведены исследования по определению физических принципов жизнеобеспечения живых организмов и определению объективных критериев реакций живых организмов на воздействие нагрузок для возможности объективных количественных оценок эргономических показателей.

Предварительный анализ физиологических реакций организма человека и других живых организмов показал, что их функционирование основано на термодинамических принципах. В связи с этим нами были проведены теоретические исследования термодинамики биологических систем, включая организм человека, которые показали следующее [6].

Поскольку любая материальная система всегда является открытой термодинамической системой, то есть в той или иной степени находящаяся в состоянии обмена с внешней средой энергией и веществом [9], можно утверждать, что неживая материя всегда находится в неустойчивом неравновесном термоди­намическом состоянии по следующим причинам:

·                    Неравновесное термодинамическое состояние неживой материи вызвано непрерывными изменениями термодинамического состояния внешней среды, связанными с непрерывными движениями космических тел с их гравитационными и электромагнитными полями и тепловыми излучениями. А поскольку процесс обмена энергией между материальными системами является инерционным, то между ними всегда имеется некоторый градиент температуры, в результате которого возникают энергетические потоки, направленные к состоянию термодинамического равновесия.

·                    Неустойчивое термодинамическое состояние неживой материи определяется тем, что оно не имеет какого-либо своего собственного, независимого от внешних факторов, определенного термодинамического состояния, и поэтому непрерывно меняется под действием непрерывно меняющихся условий внешней среды.

Живые организмы также являются открытыми термодинамическими системами. Однако их термодинамическое состояние принципиально отличается от термодинамического состояния неживой материи.

Анализируя термодинамические свойства живых организмов, биолог-теоретик Эрвин Бауэр в 1935 году установил, что в процессе своей жизнедеятельности живые организмы непрерывно производят работу против термодинамического равновесия и, в отличие от неживой материи, всегда находятся в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии [1].

Э. Бауэром был сформулирован следующий «Всеобщий закон биологии», по сути являющийся Первым законом термодинамики биологических систем:

Однако Э. Бауэром не были определены механизмы, обеспечивающие устойчивость неравновесного термодинамического состояния живых организмов и закономерность их работы.

Проведенные нами исследования по определению этих механизмов в живых организмах и закономерности их работы показали следующее.

Как известно из биологии [6], получение свободной энергии из продуктов питания и ее потребление для обеспечения своей жизнедеятельности живые организмы осуществляют с помощью биохимических реакций метаболизма, представляющих собой циклы обмена веществ. Причем реакции метаболизма, не­прерывно происходящие в клетках, представляют собой комплексы разнообразных биохимических реакций расщепления и синтеза веществ различными метаболическими путями.

Поскольку обмен веществ происходит циклами, то в клетках в соответствии с этими циклами идут непрерывные периодические изменения концентраций веществ, участвующих в многочисленных биохимических реакциях.

Среди всех биохимических реакций особую роль играют реакции синтеза из молекул углеводов и жиров, содержащихся в питательных веществах, аденозинтрифосфата (АТФ), сопровождающихся потреблением энергии, и реакции его последующего расщепления путем гидролиза, сопровождающиеся выделением энергии.

На рис. 1 приведен пример упрощенного графика циклов синтеза-расщепления АТФ.

Рис. 1. Упрощенный график синтеза-расщепления АТФ

U – количество АТФ в клетке; I – процесс синтеза; П – процесс расщепления

Как видно из графика на рис. 1, изображенные на нем процессы синтеза АТФ (кривая I), и расщепления АТФ (кривая II) представляют собой непрерывную последовательность циклов, причем оба процесса протекают по законам, близким  к экспонентам.

Верхние и нижние границы концентрации биохимических веществ U_max и U_min определяются положительной и отрицательной обратными связями, имеющимися в клетках.

Скорость протекания биохимических реакций регулируется соответствующими биохимическими катализаторами, ускоряющими эти реакции, и ингибиторами, замедляющими их.

В результате последовательных чередований циклов биохимических реакций синтеза и расщепления АТФ, при которых соответственно происходят термодинамические процессы затрат и выделения энергии, количество выделяемой энергии всегда больше потребляемой: среднее значение разницы между выделяемой и потребляемой энергией равно W_ср>0.

Именно в этом состоит, как утверждал Э.Бауэр, постоянная работа живых организмов против термодинамического равновесия.

Величина энергии W_ср непосредственно зависит от реакций клетки на воз­действия внутренней и внешней среды в виде ферментативной регуляции процессов синтеза и расщепления АТФ.

Датчиками, определяющими скорость и характер метаболических процессов в клетках, являются аллостерические модуляторы и гормоны, непрерывно контролирующие их термодинамическое состояние.

Устойчивость неравновесного термодинамического состояния клеток обеспечивается следующим образом:

·                    при минимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим расщепления АТФ, в результате чего их энергетика начинает возрастать, достигая некоторого максимального значения;

·                    при максимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим синтеза АТФ, при котором энергетика организма начинает уменьшаться.

Таким образом, принцип обеспечения устойчивости неравновесного термодинамического состояния клеток заключается в том, что величина их неравновесного термодинамического состояния всегда непрерывно колеблется вокруг некоторого среднего значения, которое организм клеток стремится сохранить постоянным при соответствующих условиях.

На уровне органов, систем и целостного организма действует тот же принцип, однако колебания их термодинамического состояния, именуемые биоритмами, имеют параметры, соответствующие выполняемой ими роли в обеспечении жизнедеятельности организма. В отношении человека это поддержание температуры тела на уровне 36.6, сохранение частоты пульса на уровне 60 – 80 ед./мин и т.д. Это обеспечивается когерентными биохимическими процессами, происходящими в клетках по сигналам центральной нервной системы.

В результате был сформулирован Второй закон термодинамики биологических систем, излагаемый в следующей редакции [7]:

Второй закон термодинамики биологических систем

Из этого закона вытекают следующие следствия:

Описанные выше физиологические колебания живых организмов уже многие тысячи лет наблюдаются человечеством. Систематические исследования этих колебаний начались в 1797 году с работ немецкого врача Христофора Вильяма Гуфелянда и получили название биоритмов, но их природа была установлена только сейчас.

При решении второй задачи – определения объективных критериев реакций живых организмов на воздействие нагрузок был проведен анализ закономерностей изменений величины функциональных сдвигов под действием нагрузок, который показал, что они полностью подчиняются законам неравновесной термодинамики [9].

Рассмотрим характер процессов, происходящих при действии нагрузок, на примере некоторой мышцы, находящейся в сокращенном состоянии.

Сокращение мышцы происходит в результате соответствующих когерентных биохимических реакций в ее клетках, вызванных сигналами центральной нервной системы. На рис. 2 показан пример термодинамических процессов, происходящих в мышце при ее сокращении.

Рис. 2. Термодинамические процессы в мышце при сокращенном и расслабленном состоянии

На рис. 2 изображены: график изменения интенсивности биохимических реакций клеток мышцы – кривая 1, график изменения термодинамического состояния мышцы – кривая 2 и график восстановления термодинамического состояния мышцы – кривая 3.

Как видно из рис. 2, для поддержания мышцы в сокращенном состоянии в ее клетках происходит рост интенсивности биохимических реакций (кривая 1). В период времени I, когда запасы ингредиентов, участвующих в биохимических реакциях, высоки, клетки мышцы находятся в термодинамическом состоянии, близком к равновесному – горизонтальная часть кривой 2. Однако, по мере уменьшения запасов ингредиентов, клеткам мышцы необходимы дополнительные сигналы центральной нервной системы для повышения интенсивности биохимических реакций. Эта стадия характеризуется переходом к  слабо неравновесному термодинамическому состоянию клеток мышцы в период времени II. При этом наблюдается повышение крутизны кривой 2. Далее, при приближении к полному истощением запасов ингредиентов в период времени III термодинамическое состояние мышцы становится сильно неравновесным, крутизна кривой 2 резко увеличивается и, дойдя до критического состояния в момент t_кр, мышца переходит в расслабленное состояние независимо от сигналов центральной нервной системы. При этом биохимические реакции, обеспечивавшие сокращенное состояние мышцы, прекращаются и начинаются другие, при которых происходит процесс восстановления исходного состояния мышцы – кривая 3.

В зависимости от степени истощения запасов ингредиентов в процессе поддержания мышцы в сокращенном состоянии для восстановления этих запасов требуется соответствующее время. Чем больше степень истощения, тем требуется больше времени для их восстановления.

Таким образом, степень истощения запасов ингредиентов может оцениваться по критерию времени восстановления их исходного количества.

Поскольку все биохимические процессы, происходящие в живых организмах, подчиняются одним и тем же законам, то оценка этих реакций по критерию времени восстановления может быть использована как способ их объективной количественной оценки [8].

Причем, кроме собственно количественной оценки, применение этого критерия позволяет решить и проблему соизмеримости как различных физиологических функций, так и соизмеримости различных по природе и единицам измерения нагрузок, воздействующий на организм.

В результате анализа закономерностей изменений биохимических реакций, выражающихся на уровне органов, систем и целостного организма как функциональные сдвиги: изменение температуры тела, артериального давления, пульса и т.д. был предложен новый гигиенический (эргономический) показатель – «ЭРГОЕМКОСТЬ» со следующим определением [2]:

В связи с тем, что вpемя восстановления функциональных сдвигов зависит от вpемени pаботы, также был предложен показатель «УДЕЛЬHАЯ ЭРГОЕМКОСТЬ», со следующим опpеделением:

В процессе исследований было установлено, что прямое измерение времени восстановления функциональных сдвигов невозможно из-за того, что закономерность восстановления функциональных сдвигов имеет экспоненциаль­ный характер, при котором график восстановления функциональных сдвигов приближается к оси абсцисс по касательной (рис.2).

Поэтому для решения этой проблемы была разработана специальная компьютерная программа «Loqus-2003.1».

Эта программа определяет величину эргоемкости и удельной эргоемкости, а также процентное или в абсолютных цифрах распределение эргоемкости (времени восстановления) различных функциональных сдвигов.

Это дает возможность определить органы и системы, подвергающиеся большему или меньшему воздействию нагрузки и определить приоритетные направления работ, направленных на улучшение условий труда или экологической обстановки.

Для проверки разработанного способа был проведен анализ данных, опубликованных в научной литературе, а также были проведены специальные  эксперименты на велоэргометре.

Разработанный способ был применен практически при исследованиях различных рабочих мест:

·        бурильщиков мелкошпурового бурения переносными перфораторами;

·        компьютерных рабочих мест;

·        рабочих мест авиадиспетчеров.

Кроме того, была проведена обработка материалов исследований труда водителей общественного транспорта, выполненных под руководством проф. В.М. Ретнева [4].

Результаты этой обработки приведены в таблице 2.

Таблица 2

Как видно из таблицы 2, наиболее тяжелые условия работы у водителей автобусов, а наиболее легкие у водителей легковых такси.

Полученные данные, безусловно, весьма приблизительны. Однако они в достаточной степени характеризуют большую важность учета эргономических параметров в процессе управления автомобилем.

Таким образом, в результате выполненных работ был сформулирован 2-й закон термодинамики биологических систем, раскрывающий физическую сущность жизнедеятельности живых организмов и разработан способ объективной количественной оценки воздействия на организм человека различных нагрузок.

Однако признание полученных результатов государственными органами санэпиднадзора и введения их в нормативные документы, в том числе и в список параметров автомобильного транспорта – процесс длительный.

Поэтому, в связи с тем, что нормативными документами эти параметры пока не регламентируются, необходимо в процессе подготовки и переподготовки водителей уделить определенное время и вопросам эргономических характеристик автомобиля.

Это позволит будущим и состоявшимся водителям эффективно применять полученные знания при выборе автомобиля, в частности по критериям его назначения, условий эксплуатации, возраста, пола и характера водителя, при формировании тактики дорожного движения, для правильной оценки дорожной ситуации и другим, что в конечном итоге приведет к снижению утомления водителей и аварийности на дорогах.

Основные причины дорожно-транспортных происшествий (ДТП), как и факторы безопасности дорожного движения (БДД) могут быть сведены в три взаимосвязанные группы:

1)      действия и поведение участников дорожного движения,

2)      технические характеристики и состояние транспортных средств (ТС),

3)       дорожные условия.

Гармоничность всех трех групп условий и адекватность 1-й и 2-й групп 3-й – необходимое условие БДД, а дисгармония этих факторов и несоответствия, как между указанными группами, так и внутри каждой группы являются причинами ДТП. Система «человек – техника – среда», лежащая в основе причин ДТП, является основной системой эргономики.

Каждая группа факторов является многоуровневой подсистемой, в которой направленность на гармоничность или дисгармонию зависит как непосредственно от участников дорожного движения, так и от состояния ТС, а также качества и состояния дорог. Эти факторы, относящиеся ко 2-й и 3-й группам, также зависят от отношения к делу и технологической дисциплины людей, которые занимались проектированием, производством, техническим обслуживанием и ремонтом ТС, а также строили и содержат дороги. Данные проблемы необходимо рассматривать на всех этапах жизненных циклов создания и эксплуатации как ТС, так и дорог.

Поведение на дороге зависит от физического и психического состояний, а также от нравственных установок участника дорожного движения. Психическое состояние зависит от многих факторов как определяемых условиями дорожного движения, так и не имеющими к ним никакого отношения, но в основе его лежат такие базовые психологические характеристики, как темперамент и характер. На стыке разделов безопасности движения и овладения основами медицинской грамотности необходимо ввести хотя бы краткое рассмотрение вопросов психологии. Не менее важным является изучение взаимодействия водителя с ТС в реальных дорожных условиях, т.е. – овладение основами эргономики. Очень важна правильная, педагогически грамотная организация практических занятий по вождению. [3].

Литература:

1.       Бауэр Э.С. Теоретическая биология. Росток. 2002.

2.       Бутковская З.М., Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. К вопросу применения нового эргономического показателя «Эргоемкость» при гигиенической оценке и сертификации ручного инструмента. Гигиена труда и промышленная экология. 1998. №11. С.12 – 15.

3.       Волков С.А., Авдеева Т.А. О резервах совершенствования подготовки водителей в автошколах // Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах: Сборник докладов 7-й международной научно-практической конференции. СПб гос. архитектур.-строит. ун-т. Спб., 2006 – С. 59 – 62.

4.       Гигиена труда  водителей городского общественного транспорта. Под редакцией проф. В. Ретнева. Л. 1984.

5.       Гигиенические критерии оценки и классификации условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса. Р 2.2.755-99. Руководство.

6.       Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. В 2 ч. Учебное пособие. М. Издательство МГУП. 2000.

7.       Доброборский Б.С. Термодинамика биологических систем. Учебное пособие. Под ред. проф. Е.С. Мандрыко. ООО «Палитра». СПб. 2006.

8.       Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. Способ оценки величины воздействия на организм человека различных нагрузок. Патент RU №2159576. Бюллетень «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки». 27.11.2000. №33. С.123

9.       Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов, пер. с англ., М., 1960.