人的生理和心理及人体生物力学特性
安全人机工程学 2014-4-13
西南科技大学
第一节 人的生理特性
人体是由各种器官组成的有机整体，各种器官具有各自的功能。机体在生 存过程中表现出的功能活动，称之为生命现象。从形态和功能上将机体划分为运动系统、消化系统、呼吸系统、泌尿系统、生殖系统、循环系统、内分泌系统、感觉系统和神经系统共九个子系统。
在人机系统中，人与机的沟通主要是通过感觉系统、神经系统和运动系统，人体的其他六个子系统，起到辅助和支持作用。机的运行状况由显示器显示，经人的眼、耳等感觉器官感知，经过神经系统的分析、加工和处理，将结果由人的手、脚等运动器官传递给机器的控制部件，使机在新的状态下继续工作。机的工作状态再次被显示器显示，再由人的感觉器官感知，如此循环直至中间任何环节中断而停止。人和机的沟通还受外界环境的影响。人机系统如图3-1所示。在人机系统中人与机器及环境相互适应，显示器、控制器的设计符合人的感觉器官、运动器官的生理特性，才能建立安全高效的人机系统。
一、人的感知特性概述
感觉是人脑对直接作用于感觉器官（眼、耳、鼻、舌、身）的客观事物的个别属性的反映。比如人们从自身周围的客观世界中看到颜色、听到声音、嗅到气味、尝到味道、触之软硬等都是感觉。
知觉则是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的整体属性的反映。例如，对于西瓜大家并不是孤立地感觉到它的各种个别属性，如颜色、大小、光滑程度、形状等，而是在西瓜，此基础上结合自己过去的有关知识和经验，将各种属性综合成为一个有机的整体从而在头脑中反映出来，这就是知觉。
感觉和知觉都是人脑对当前客观事物的直接反映，但二者又是有区别的。感觉反映的是客观事物的个别属性，知觉反应的是客观事物的整体属性。在一般情况下，感觉和知觉又是密不可分的，感觉是知觉的基础，没有感觉，也就不可能有知觉，对事物的个别属性的反映的感觉越丰富，对事物的整体反应的知觉就越完整、越正确。在生产中感觉越敏锐，就为减少事故的发生，确保安全生产奠定了基础。同时，由于客观事物的个别属性和事物的整体总是紧密相连的，因此在实际生活中，人们很少产生单纯的感觉，而总是以直接的形式反映客观事物。例如，当你走在公路上时，后面来了汽车，汽车的马达声和喇叭声会传入你的耳朵，从而使你感觉到声音，但你一定会做出汽车来了的反应而且立即让路；又如车床上的螺丝松动，会使车工感觉到他在跳动或发出振动的声音，车工就会做出螺丝松动的反应，并立即作出拧紧螺丝的决定。正因为如此，人们通常把感觉和知觉合称为感知。
感觉和知觉是由于客观事物直接刺激人的各种感觉器官的神经末梢，由传入神经传到脑的相应部位而产生的，感觉有视觉、听觉、嗅觉、触觉（包括触觉、温度觉、痛觉）、味觉、运动觉、平衡觉、空间知觉以及时间知觉等。
机体生活在不断变化的外部的条件中，受到各种外界因素的作用，其中能被肌体感受的外界变化叫做刺激。每种感受器官都有其对刺激的最敏感的能量形式，这种刺激称为该感受器的适宜刺激。当适宜刺激作用于该感受器，只需很小的刺激能量就能引起感受器兴奋。对于非适宜刺激则需要较大的刺激能量。人体主要感觉器官的适宜刺激及感觉反应见
表3-1。
刺激包括刺激的强度、作用时间和强度时间变化率三个要素，将这三个要素作大小不同组合可以得到不同的刺激。能引起感觉的一次刺激必须达到一定强度，能被感觉器官感受的刺激强度范围称为感觉阈。刚能引起感觉的最小刺激量称为感觉阈下限，能产生正常感觉的最大刺激量，称为感觉阈上限。刺激强度不能超过刺激阈上限，否则，感觉器官将受到损伤。人体主要感觉阈值见表3-2
在一定条件下感觉器官对其适宜刺激的感受能力受到其他刺激干扰而降低，这一特性称为感觉的相互作用。如同时输入两个视觉信息，人们往往只倾向于注意其中一种而忽视另一种。当听觉与视觉信息同时输入，听觉信息对视觉信息的干扰较大，而视觉信息对听觉信息干扰相对较小。
1、人的视觉及其特性
1）人眼的构造：机体从外界获得的信息中85%以上来自视觉，因此，在感觉器官中视觉占有重要地位。视觉是由眼、视神经和视觉中枢共同完成，眼是视觉的感受器官，眼睛的解剖见图3-2。眼球是一个直径大约23mm的球状体，眼球的正前方有玻璃体和一层透明。组织叫角膜。光线从角膜和玻璃体进入眼内，视觉的屈光能力主要是靠角膜的弯曲形状形成的。眼球外层的其余部分是不透明的虹膜。虹膜在角膜的后面，与睫状肌相连接。虹膜中央有一圆孔，叫瞳孔。瞳孔借虹膜的扩瞳肌和缩瞳肌的作用能够扩大和缩小。瞳孔后面是晶体。睫状肌控制晶体的薄厚变化，以改变屈光率。视网膜位于眼球后部的内层，是眼睛的感光部分，有视觉感光细胞--锥体细胞与杆体细胞。视网膜中央密集着大量的锥体细胞，呈黄色，叫黄斑。黄斑中央有一小凹，叫中央窝，它具有最敏锐的视觉。在视网膜中央窝大约3视角范围内只有锥体细胞，几乎没有有杆体细胞。在黄斑以外杆体细胞数量增多，而锥体细胞大量减少。视网膜中央锥体细胞的数量决定了视觉的敏锐程度，视网膜边缘的杆体细胞主要在黑暗条件下起作用，同时还负责察觉物体的运动。来自物体的光线通过角膜、玻璃体、瞳孔、晶体，聚焦在视网膜的中央窝。视网膜的锥体细胞及杆体细胞接受光刺激，转换为神经冲动，经由视神经传导到各视觉中枢。
2、人的视觉功能和特征：
人能够产生视觉是由三个要素决定的，即视觉对象、可见光和视觉器官。
（1）空间辨别。视觉的基本功能是辨别外界物体。根据视觉的工作特点，可以把视觉能力分为察觉和分辨。察觉是看出对象的存在；分辨是区分对象的细节，分辨能力也叫视敏度。二者要求不同的视觉能力。
察觉不要求区分对象各部分的细节，只要求发现对象的存在。在暗背景上察觉明亮的物体主要决定于物体的亮度，而不完全决定于物体的大小。黑暗中的发光物体，只要有几个光量子射到视网膜上就可以被察觉出来。因此物体再小，只要他有足够的亮度就能被看见。因此为了察觉物体，物体与背景的亮度差大时，刺激物的面积可以小些；刺激物的面积大时，它与背景的亮度差就可以小些，二者成反比关系。
视角是确定被观察物尺寸范围的两端光线射入眼球的相交角度，视角的大小与观察距离及被观测物体上两端点直线距离有关，可以用下式表示：
视敏度是能够辨出视野中空间距离非常小的两个物体的能力。当能够将两个相距很近的刺激物区分开来时，两个刺激物之间有一个最小的距离，这个距离所形成的视角就是这两个刺激物的最小区分阈限，又称为临界视角，它的倒数就是视敏度。在医学上把视敏度叫做视力。
（2）视野与视距。
视野是指当头部和眼球固定不动时所能看到的正前方空间范围。或称静视野，常以角度表示。眼球自由转动时能看到的空间范围称为动视野。视野通常用视野计测量，正常人的视野见图3-4
在同一光照条件下，用不同颜色的光测得的视野范围不同。白色视野最大，黄蓝色次之，再其次为红色，绿色视野最小。这表明不同颜色的光波被不同的感光细胞所感受，而且对不同颜色敏感的感光细胞在视网膜的分布范围不同。人对不同颜色的视野见图3-5。
（3）暗适应和亮适应。
在黑暗中视觉适应大约需要感受性逐渐提高的过程叫暗适应。
当人从黑暗处到光亮处，也有一个对光适应的过程，称为亮适应。
（4）对比感度。
当物体与背景有一定的对比度时，人眼才能看清物体形状。这种对比可以用颜色，也可以用亮度。人眼刚刚能辨别到物体时，背景与物体之间的最小亮度差称为临界亮度差。临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比。临界对比的倒数称为对比感度。
（5） 视错觉。
视错觉是人观察外界物体形象和图形所得的印象与实际形状和图形不一致的现象。这是视觉的正常现象。人们观察物体和图形时，由于物体或图形受到形、光、色干扰，加上人的生理、心理原因，会产生与实际不符的判断性视觉错误。常见的几种视觉错误见图3-7
（6）视觉运动规律：
眼睛沿水平方向运动比沿垂直方向运动快而且不易疲劳；
视线的变化习惯从左到右、从上到下和顺时针方向运动。
人眼对水平方向尺寸和比例的估计比对垂直方向尺寸和比例的估计要准确得多。
当眼睛偏离视中心时，在偏移距离相等的情况下，人眼对左上限的观察最优，依次
为右上限、左下限，而右下限最差。
两眼的运动总是协调的、同步的，在正常情况下不可能一只眼睛转动而另一只眼睛不动；在操作中一般不需要一只眼睛视物，而另一只眼睛不视物。
人眼对直线轮廓比对曲线轮廓更易于接受。
颜色对比与人眼辨色能力有一定关系。当人们从远处辨认前方的多种不同颜色时，其易于辨认的顺序是红、绿、黄、白。当两种颜色相配在一起时，易于辨认的顺序是：黄底黑字、黑底白字、蓝底白字、白底黑字等。
2、人的听觉特性
1）人耳构造和听觉过程：人耳是人体中最令人惊奇的器官之一，人耳分为外耳、中耳和内耳，其结构见图3-8
2）人耳的听觉特征：
（1）人耳的可听范围。
（2）人耳可听声音的强度。
（3）方向敏感度。
（4）掩蔽效应。
3、人的嗅觉、味觉和肤觉特性
（1）人的嗅觉。嗅觉感受器位于鼻腔深处，主要局限于上鼻甲、中鼻甲上部的粘膜中。嗅粘膜主要由嗅细胞和支持细胞构成。嗅觉的感受器是嗅细胞，它是从中枢神经系统分化出来的双极神经细胞。嗅觉感受器可感受气体中的化学刺激，适宜刺激几乎均是挥发性的、呈气态形式的有机化合物。当有气味的空气吸进鼻腔上部时，它能使细胞受到刺激而兴奋。
（2））人的味觉。味觉感受器是味蕾，主要分布在舌背面、舌缘和舌尖部。舌表面覆盖一层粘膜，有许多小乳头，在乳头中包含味蕾。在口腔和咽部粘膜的表面，也有味蕾存在。每一味蕾由味觉感受器、致使细胞和基底细胞组成。感受器细胞顶端有纤毛，称为味毛。当舌表面一些水溶性物质刺激味毛，可引起感受器兴奋。人能分辨出许多种味道，但这些味道是由四种基本味觉组合而成。人类能辨别的四种基本味为：甜、酸、苦、咸。舌表面不同部位对不同味刺激敏感度不一样。舌尖对甜味最敏感，舌根部对苦味最敏感， 舌两侧对酸味最敏感，舌两侧前部对咸味最敏感。不同物质的味道与它们的分子结构的形式有关。
（3）人的肤觉。肤觉是皮肤受到机械刺激作用后产生的一种感觉，肤觉感受器分布于全身体表。肤觉可分为触觉、温度觉和痛觉，很难将他们严格区分。
二、人的反应时间
人从接收外界刺激到作出反应的时间， 叫做反应时间。它由知觉时间（ta）和动作时间（tg）两部分构成，即
1、反应时间随感觉通道不同而不同
2、反应时间与运动器官有关
3、反应时间与刺激性质有关
4、反应时间随执行器官不同而不同
5、反应时间与刺激数目的关系
6、反应时间与颜色的配合有关
7、反应时间与年龄有关
8、反应时间与训练有关
三、人体活动过程的生理变化与适应
1、人体活动时机体的调节与适应
1）神经系统。神经系统分为中枢神经系统（脊髓和脑）和分布全身的外周神经系统（包括连接感受器官与中枢的传入神经，连接中枢与效应器官的传出神经等）。
神经系统的主要作用有两方面：一是反应（兴奋和抑制），当有信息刺激时，神经系统马上做出反应；另一是传导，即信息传送出去。神经传导有四个特征，即生理完整性、绝缘性、双向性和相对不疲劳性，传导速度与其自身直径成正比。
大脑皮质按其功能可分为各种感觉区、运动区和起联合作用的综合区。大脑皮层是神经系统的最高级中枢。从人体各部及各种传入神经系统传来的神经冲动向大脑皮质集中，在此会通，整合后产生特定的感觉，或维持觉醒状态，或获得一定情调感受，或以简化的形式储存为记忆，或影响其他的脑部功能状态，或转化为运动性冲动，传向低位中枢，藉以控制机器的活动，应答由外部环境来的冲激。
2）血管系统。作业人员的心率、血压、血液成分和血液再分配等心血管方面指标在作业开始前后会发生适应性变化。
（1）心律
（2）血压
（3）血液再分配
（4）血液成分
（5）呼吸系统
（6）体温调节
2、脑力劳动时机体的调节与适应
脑力劳动常使心率减慢，但特别紧张时可使心跳加快、血压上升、呼吸稍加快、脑部充血而四肢和腹腔血液则减少；脑电图、心电图也有所变化，但不能用来衡量劳动的性质及其强度。脑力劳动时血糖一般变化不大或略增高；对尿量没有影响，对其他成分也影响不大，即使在极度紧张的脑力劳动时，尿中磷酸盐的含量才有所增加；对汗液的量与质以及体温均无明显的影响。
3、人体信息处理系统
在人机系统中，人随时随地遇到预先不知道或完全不知道的情况。系统也将源源不断地供给操作者以各种各样的信息。人体正确信息处理就是恰当地判断来自人机结合面的信息，然后通过人的行为准确地操作机器，即给机以正确的信息，通过人机结合面实现正确的信息交换。信息处理的核心在于判断，处理的正确与否不仅取决于知识与经验，而且与
本人生理和心理条件的限制或影响也有很大的关系。
4、人体节律周期和昼夜周期
而生活的。生物节律人类是按照统计学证实的周期性变化，即生物节律已成为生物学的一部分，称为记时生物学，是研究自然界各种生物机体内按照自己的特定时间表和活动规律的理论。旨在对生物时间结构进行客观说明，如规律活动的总量、生物行为的时间特征，以及生物周期发育变化和老化趋势。
四、环境因素的生理效应
1、粉尘作业环境
1)粉尘及其危害。粉尘是指能悬浮于空气中的固体微粒，在工业生产中产生的粉尘叫做工业粉尘。对工业粉尘如果不加以控制，它将破坏作业环境、危害工人身体健康和损坏机器设备及影响产品质量，还会污染大气环境。
(1)尘肺。
(2)局部作用。
(3)中毒作用。
2)工业粉尘的卫生标准和管理标准。在我国，车间空气中有害物质的最高容许浓度是指工作地点空气中任何一次有代表性的采样测定均不得超过的浓度。工作地点系指工人为管理生产过程而经常和定时停留的地点。若生产操作在车间内许多不同地点进行，则整个车间均算为工作地点。车间空气中有害物质的最高容许浓度的制定依据一般为：有害物质的物理和化学特性资料；动物试验和人体毒理学资料的现场劳动卫生学调查资料；流行病学调查资料。研究空气中有害物质的最高容许浓度，是从质和量两方面深入研究该有害物质与机体之间的相互关系，最终目的是确定一个合理而安全的界限，即人体生理承受危害程度的最低限度。换言之，就是在充分掌握有害物质作用性质的基础上，阐明其作用量与机体
反应性质、程度和受损害个体在特定群体中所占比例之间的关系，即接触水平一反应关系。接触水平一反应关系资料是制定最高容许浓度的重要依据。
2、环境化学因素及其危害
1）工业生产中的毒物及中毒。凡少量化学物质进入人体后，与人体组织发生化学或物理化学作用，并在一定条件下破坏机体的正常生理机能，致使某些器官或组织发生暂时或永久性病变，这些物质称为化学毒物。在生产过程中使用或产生的毒物，称为生产性毒物。在生产劳动中接触过量的毒物会损害工人身体健康，一次大量吸入或经皮肤吸收，可引起急性中毒；多次接触较高浓度毒物会引起亚急性中毒；长期过量接触毒物也可引起慢性中毒。
2） 生产中常见毒物对人体的影响。有毒物质通过呼吸道、皮肤、消化道被人体吸收、储积，造成对人体的危害，随物质种类不同、摄入量不同、侵入方式不同对人体危害程度不同。
3）工业毒物的卫生标准和管理标准：
3、物理因素危害
生产环境中的物理因素包括：气象条件，如气温、气湿、气流及气压；噪声和振动；电磁辐，如X-射线、r-射、紫外线、可见光、红外线、激光、射频和微波辐射、高频磁场等。
物理因素对人体的作用，在正常条件下，如强度低、剂量小或作用时间短则对人体无害，有些是维持人体器官生理功能所必须的条件；当强度、剂量超过一定限度或接触时间过长，则会对人体产生不良影响，甚至引起病损。一般情况下多为功能性改变，脱离接触后可恢复，但严重时可产生永久性的不可恢复的损害。
1）高温环境。
（1） 高温、强辐射型作业。如冶金工业的炼焦、炼铁、铸造、锻造、火力发电的锅炉间等。
（2）高温、高湿型作业。如造纸、印染等行业。
（3）夏季露天作业。如南方夏季筑路、架桥作业等。
2）低温环境。
工作地点平均气温等于或低于5摄氏度的作业称为低温作业。在低温环境下工作时间过长，超过人体适应能力，体温调节能力发生障碍，则体温下降，从而影响机体功能，可能出现神经兴奋与传导能力减弱，出现痛觉迟钝和嗜睡状态长时间低温作业可导致循环血量、白细胞和血小板减少，而引起凝血时间延长，出现协调功能降低。低温作业还可引起人体全身和局部过冷。全身过冷会出现皮肤苍白、脉搏呼吸减弱、血压下降。局部过冷最常见的是手、足、耳及面颊等外露部位发生冻伤，严重的可导致肢体坏死。
3）冷水作业环境。冷水作业广泛存在于生产行业和日常生活中，按接触方式不同可分为：全身和局部接触冷水作业。全身浸入冷水作业主要限于特殊作业（如潜水作业），涉及人员相对较少。而大量的和常见的冷水作业是手局部接触冷水作业，如捕捞，水产等，涉及人员较多。冷水作业第一线主要是女工，男工较少。长期从事冷水作业的工人自觉症状较多的是：腰膝关节痛、月经不调、白带增多和手脚冻伤。工作期间工人主要冷感觉部位是手、脚、膝、腿和小腹部。其冷感觉检出率与实际接触冷水温度有直接关系，许多生理指标表明水温降到一定水平才会发生明显变化。
4）噪声环境。噪声是各种不同频率和不同强度的声音无规律的杂乱组合，波形呈无规则变化，听起来使人厌烦的声音。随着工业的发展，噪声对人体的危害日趋严重。人们在强噪声环境中暴露一段时间，引起听力下降，离开噪声环境后，听力可以恢复，称为听觉疲劳。在强噪声环境中如不采取保护措施，听觉疲劳继续发展，可导致听力下降或永久听
力损失。噪声除影响听觉系统外，还影响神经系统、心血管系统、消化系统、内分泌及免疫系统等，造成植物性神经系统功能紊乱、血压不稳、肠胃功能紊乱等。
计算噪声危害指数
5、振动环境。
振动是指物体沿直线或弧线经过某一平衡位置的往复运动。振动会对人体的多种器官造成影响和危害，从而导致长期接触的人员患多种疾病，尤其是手持风动工具和传动工具的工人，生产性振动对他们健康的影响已经十分突出。
接触振动的作业和振动源有：
（1）使用风动工具的作业：铆接、清砂、锻压、凿岩、造型、捣固、钻探、割据等。其振动源为铆钉机、风锤、电钻、锻锤、电锯、捣固机等。
（2）研磨作业：研磨、抛光、铣、镟等。其振动源为砂轮机、抛光机、铣床、镟床等。
（3）交通运输的振动源：汽车、火车、飞机等。
（4）农业机械的振动源：收割机、脱粒机、拖拉机等。
振动对人体的危害分为局部振动危害和全身振动危害，加在人体的某些个别部位并且只传递到人体某个局部的机械振动称为局部振动。如果只通过手传到人的手臂和肩部，则这种振动称为手传振动。通过支持表面传递到整个人体上的机械振动称作全身振动。比如振动通过立姿人的脚、坐姿人的臀部和斜躺人的支撑面而传到人体都属于全身振动。强烈的机械振动能造成骨骼、肌肉、关节和韧带的损伤，当振动频率和人体内脏的固有频率接近时，还会造成内脏损伤。
6）辐射环境。辐射按其生物学作用不同可分为电离辐射和非电离辐射。电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，包括α、β、γ、χ射线和中子五种。非电离辐射包括紫外线、可见光、红外线、激光和射频辐射。
（1）电离辐射。电离辐射对人体的照射方式分为外照射和内照射。外照射是指来自人体外的电离辐射对人体的照射；内照射是当放射性物质经食入、吸入、皮肤粘膜或伤口进入人体内造成的照射。人体受到定剂量的电离辐射照射后，可以产生各种对健康有害的生物效应，造成不同类型的辐射损伤。如辐射致癌、白内障、皮肤损伤和生育能力下降等。
（2）非电离辐射。
①射频辐射。
②红外辐射。
③紫外辐射。
④激光。