Энергетический коэффициент полезного действия работы. Оптимизация затрад энергии на труд
Благодаря регулирующей деятельности высших отделов центральной нервной системы потребление кислорода и выделение углекислоты устанавливаются обычно в соответствии с мощностью выполняемой работы. Однако нет абсолютно точной пропорциональности между потреблением кислорода (отражающим расход энергии) и мощностью внешней механической работы, выполняемой при прочих равных условиях, в частности при напряжении одних и тех же мышечных групп. Изменяя соответствующим образом нагрузку и темп рабочих движений, можно получить такие условия, при которых расход энергии и потребление кислорода на единицу внешней работы будут наименьшими.
Для установления соотношения между энергией, переходящей во внешнюю работу, и всем расходом энергии определяют так называемый коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение механической энергии, перешедшей во внешнюю работу, к количеству затраченной энергии, выраженное в процентах. Различают два коэффициента полезного действия: валовой, в котором учитывается вся затраченная энергия, включая расход энергии на поддержание внутренних процессов в организм (работа сердца и дыхательной мускулатуры, поддержание позы тела, работа секреторных аппаратов и пр.), и чистый коэффициент полезного действия, в котором из общего количества затраченной энергии вычитается расход энергии на внутренние процессы, т. е. величина потребления энергии в покое.
Приведем пример расчета коэффициента полезного действия при работе на велосипедном эргометре, используемом в лабораториях физиологии труда. В одном исследовании нагрузка на тормозное колесо была равна 2 кг, диаметр колеса равнялся 2 м, скорость вращения составляла 176 об/мин. Производимая внешняя работа равна: 2х2х176 = 704 кгм/мин, или в тепловом выражении: 1,65 ккал. Во время работы за 1 минуту поглощалось 1611 см3 кислорода, что соответствует теплопродукции 8 ккал.
Таким образом, валовой коэффициент полезного действия этой работы равен: 1,65/8*100 = 20,6%.
В покое, сидя на велосипедном эргометре, исследуемый поглощал кислорода 293 см3/мин, что соответствовало теплопродукции 1,40 ккал, откуда получаем для чистого коэффициента полезного действия величину, несколько большую: 1,65/8-1,40х100=25%.
Как показали многочисленные исследования, коэффициент полезного действия при привычной работе, в особенности при участии мускулатуры ног и туловища, может достигать 20—30%. При работах, выполняемых руками, он изменяется в пределах от 7 до 20%. Разница в коэффициенте полезного действия этих работ объясняется тем, что коэффициент полезного действия резко повышается в результате тренировки, а мышцы ног являются наиболее тренированными, кроме того, перенос большой нагрузки на малую мышечную массу сопровождается ухудшением кровоснабжения этих мышц, так как происходит одновременное увеличение потребности мышцы в кислороде и увеличение сопротивления кровотоку в мышцах.
В исследованиях работы вращения кривошипа было найдено, что коэффициент полезного действия этой работы возрастает при возрастании нагрузки от 1 до 4 кг и уменьшается при увеличении нагрузки свыше 10 кг.
Повышение коэффициента полезного действия в начале работы объясняется тем, что в это время в нервных клетках под влиянием повторяющихся раздражений, связанных с работой, происходит усвоение ритма, т. е. повышение функциональной подвижности — способности реагировать на раздражение с большой скоростью. Это усвоение ритма выражается в уменьшении отрезков времени, требуемого на отдельные сокращения мышц, благодаря чему движения становятся более точными и отпадает надобность в дополнительных, исправляющих движениях.
Неточные и не достигающие цели движения не получают условнорефлекторного подкрепления и отпадают вследствие дифференцировочного торможения, как и всякий условный рефлекс, лишенный подкрепления.
Усвоение ритма происходит также и в нервных центрах, регулирующих обменные процессы; это проявляется, в частности, в увеличении скорости ресинтеза молочной кислоты и скорости восстановления газообмена. Все эти физиологические процессы составляют основу периода врабатываемости — повышения работоспособности и производительности труда в начале работы; они же являются и причиной повышения коэффициента полезного действия в начале работы.
Уменьшение коэффициента полезного действия в конце работы связано со снижением функциональной подвижности и уменьшением скоростей рефлекторных процессов вследствие утомления. Для утомления характерна иррадиация (распространение) основных нервных процессов по коре больших полушарий головного мозга, которая ведет к возникновению лишних движений и лишних мышечных напряжений, а следовательно, и к увеличению непроизводительных затрат энергии и снижению коэффициента полезного действия.
Специальными исследованиями установлено, что энергетический оптимум не имеет абсолютного значения и, в частности, может значительно изменяться под влиянием тренировки. Например, если до тренировки исследуемый затрачивал на 1 кгм работы наименьшее число калорий при темпе 40 движений в минуту, то после тренировки с повышенным темпом наименьшие затраты энергии у этого исследуемого получаются не только при темпе 40 движений в минуту, но и при большем темпе — 50 движений в минуту. Аналогичное выравнивание энергетического оптимума получается при тренировке в медленном темпе.
Соответствующим критерием для физиологической оценки рациональности условий и совершенства приемов труда является поддержание высокого уровня работоспособности и повышение этого уровня, проявляющееся в увеличении производительности труда, а также правильное приспособление физиологических функций к условиям трудовой деятельности, ведущее к развитию физических и духовных способностей человека.
