【正文】 均數(shù). 方差常用來確定某一范圍的界限. 對于服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量, 如人體的某一個尺寸, 方差與其對應(yīng)的區(qū)域或概率之間的關(guān)系為: 表27 正態(tài)分布方差與概率的關(guān)系 方差 概率 1 2 3 從表中我們可以看出, , 即大約有三分之一的值落在距均值一個方差之內(nèi), %的值都在三個方差之內(nèi). 一般說來,當(dāng)我們知道了方差之后, 就可以根據(jù)方差求出對應(yīng)的概率. 例如, , , 欲求可以滿足90%的人的區(qū)間. 我們很快可以求出, *, +*, 即(, ).四. 百分位數(shù) 百分位數(shù)是指一個隨機(jī)變量(某一人體測量尺寸指標(biāo))低于某一給定概率處的值 . 這是一個在設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的概念. 在設(shè)計(jì)中常用到的百分位數(shù)是90%, 95%, 分別表示90%和95%的使用者可以達(dá)到. 在這里我們應(yīng)當(dāng)特別注意是單側(cè)百位數(shù)還是雙側(cè)百位數(shù)的問題. 例如雙側(cè)95% , 而單側(cè)95% . 第四節(jié). 設(shè)計(jì)中可采取的方案 在設(shè)計(jì)時使用人體尺寸時有五種方案可供采用: 一. 按人體尺寸的分布. 對于大量生產(chǎn)的機(jī)器, 工具和消費(fèi)品等, . 使用這種方法, 生產(chǎn)和管理費(fèi)用較高, 除非是需求量很大, 否則經(jīng)濟(jì)上是不合算的. 在經(jīng)濟(jì)上可行的情況下應(yīng)盡量按人的尺寸的分布來進(jìn)行設(shè)計(jì), 因?yàn)檫@樣可以把使用時的不適降到最低限度. 二. 按人的平均尺寸設(shè)計(jì) 當(dāng)過大過小, 或過高過低都會造成使用不方便時, 這時可按平均尺寸設(shè)計(jì),這樣可以把不適應(yīng)的人減少到最低限度. 當(dāng)被設(shè)計(jì)物可以調(diào)整時, 最初狀態(tài)也可按人的平均尺寸設(shè)計(jì). 例于廚房切菜工作面的設(shè)計(jì)可按人的平均尺寸設(shè)計(jì). 不可調(diào)整的椅子或可調(diào)整椅子的最初狀態(tài), 也可按人的平均尺寸設(shè)計(jì). 三. 按某一百分比設(shè)計(jì) 這里有兩種情況. 當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)只會給一個極端的人帶來不利時, 可按單側(cè)百分比來設(shè)計(jì),. 例如門框高度的設(shè)計(jì). 門框設(shè)計(jì)高了對矮個子人沒有影響, 但門框設(shè)計(jì)低了對高個子人有影響. 故門框的設(shè)計(jì)可考慮單側(cè)百分比, 比方說95%來設(shè)計(jì). 按照這一方案, 95%過門的人進(jìn)門時沒有問題, 只有5%較高的人進(jìn)門時需要低頭. 一般設(shè)計(jì)中最常用的百分比是95%, 也常用較高的標(biāo)準(zhǔn), 99%. 當(dāng)某一設(shè)計(jì)會給兩個極端的人都帶來不利時, 應(yīng)按雙側(cè)百分比來設(shè)計(jì). 例如可調(diào)整高度的椅子設(shè)計(jì). 若調(diào)整區(qū)間有限, 那么就可以考慮滿足中間一部分人, 如95%的人的要求, 這時我們就應(yīng)根據(jù)雙側(cè)百分點(diǎn)來設(shè)計(jì), %和最矮的2.5%就被排除之外.四. 按某部分人設(shè)計(jì), 為另一部分人提供調(diào)整 當(dāng)設(shè)計(jì)對某一極端的人的不利影響可以通過調(diào)整來消除, 而對另一部分人的不利影響無法消除時, 我們可以按后一類人的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),為前一類人提供調(diào)整. 例如, 對于桌子高度的設(shè)計(jì), 我們可以按高個子進(jìn)行設(shè)計(jì), 而給矮個子提供腳踏板. 如果按矮個子設(shè)計(jì), 高個子的腳就沒有地方放.五. 為某些特定的人設(shè)計(jì) 對于某些非常昂貴的系統(tǒng), 我們可以根據(jù)特定的使用者來設(shè)計(jì), 這樣可以在保證使用方便的同時降低制造成本. 例如飛機(jī)駕駛艙就是根據(jù)駕駛員的身體尺寸設(shè)計(jì)的.第五節(jié) 設(shè)計(jì)程序一. 確定設(shè)計(jì)對象和目標(biāo) 在設(shè)計(jì)中我們首先要考慮的是設(shè)計(jì)的對象和所要達(dá)到的目的, 是設(shè)計(jì)一輛自行車, 一個機(jī)床, 還是一個椅子? 若是設(shè)計(jì)一個椅子,那么設(shè)計(jì)這個椅子的目的是什么, 是一個豪華型的椅子, 還是一個大眾型的椅子. 若是豪華型的椅子, 我們的各項(xiàng)尺寸就可以定的松一些. 若是大眾型的椅子, 從成本的角度出發(fā), 我們也許應(yīng)把尺寸定得稍緊些. 二. 確定使用對象 我們已經(jīng)看到不同類的人的尺寸差異是比較大的, 因此我們在設(shè)計(jì)中就應(yīng)該考慮使用對象: 誰將使用這一產(chǎn)品? 是男的還是女的, 是老的還是少的, 是在國內(nèi)銷售還是出口, 若出口, 到哪個國家? 一件產(chǎn)品對某一類的使用者是適合的, 對另一類使用者可能就是不合適的, 如我們上面已經(jīng)提到的日本汽車出口到美國的例子.三. 確定相關(guān)的人體尺寸 不同的產(chǎn)品涉及到人體的不同的尺寸. , 我們要考慮到人的膝高, 坐深, 臀寬, 坐姿肘高等. 這些尺寸的重要性也是不同的, 有時甚至是相矛盾的, 這需要在設(shè)計(jì)時統(tǒng)籌考慮.四. 決定極限百分比 這是我們上面已經(jīng)討論過的設(shè)計(jì)方案問題. 是按平均尺寸設(shè)計(jì)? 還是按高個子或矮個子設(shè)計(jì)? 這需要根據(jù)具體的產(chǎn)品來定. 設(shè)計(jì)中常用的兩個百分度是90%和95%. 隨著人們生活水平的提高, 現(xiàn)在提倡盡量提供可調(diào)整的產(chǎn)品, 如可調(diào)整高度的椅子等, 當(dāng)然, 這樣制造成本就增加了. 五. 根據(jù)查表或測量確定所需要的數(shù)據(jù) 人體尺寸數(shù)據(jù)在各類設(shè)計(jì)手冊中可以查到, 一般的手冊都給出均值和均方差. 這時我們可以根據(jù)正態(tài)分布的假定, 算出設(shè)計(jì)要求對應(yīng)的百分比度. 若設(shè)計(jì)手冊中沒有設(shè)計(jì)中的涉及的人口分布的數(shù)據(jù)或沒有設(shè)計(jì)中涉及到的尺寸, 那么就只有通過實(shí)際測量的方法獲得需要的數(shù)據(jù). 用實(shí)測的方法, 數(shù)據(jù)的適用性增加, 但時間和費(fèi)用也增加. 當(dāng)涉及到的人數(shù)量很大時,可能不得不只對有限的樣本進(jìn)行測量, 這時就應(yīng)該用統(tǒng)計(jì)的方法控制樣本的偏差. 六. 向有關(guān)設(shè)計(jì)人員提供數(shù)據(jù) 獲得了需要的數(shù)據(jù)后, 可向產(chǎn)品的硬件的設(shè)計(jì)者提供數(shù)據(jù). 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者也許會根據(jù)技術(shù)要求對某些數(shù)據(jù)提出修改意見. 一般說來, 在硬件的設(shè)計(jì)者與人類工效學(xué)專家的意見相左時, 后者往往處于不利地位, 但讓硬件設(shè)計(jì)者事先知道人類工效學(xué)方面的建議比在產(chǎn)品生產(chǎn)出來以后才發(fā)覺有問題還是要好得多. 當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者把產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來之后, 讓他為了使使用者操作起來更方便而修改整個方案幾乎是不可能的, 這不僅使成本增加, 也影響設(shè)計(jì)人員的自尊心. 相反, 在設(shè)計(jì)的初級階段, 讓設(shè)計(jì)人員注意產(chǎn)品的使用方便問題是不難的. 因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品, 不會增加產(chǎn)品的成本, 而且若使用方便, 設(shè)計(jì)者也會感到十分高興. 所以重要的是人類工效學(xué)者的意見應(yīng)盡早地讓設(shè)計(jì)人員知道.氖莼蠣揮猩杓浦猩婕暗降某嘰*, 那么就只有通過實(shí)際測量的方法獲得需要的數(shù)據(jù). 用實(shí)測的方法, 數(shù)據(jù)的適用性增加, 但時間和費(fèi)用也增加. 當(dāng)涉及到的人數(shù)量很大時,可能不得不只對有限的樣本進(jìn)行測量, 這時就應(yīng)該用統(tǒng)計(jì)的方法控制樣本的偏差. 六. 向有關(guān)設(shè)計(jì)人員提供數(shù)據(jù) 獲得了需要的數(shù)據(jù)后, 可向產(chǎn)品的硬件的設(shè)計(jì)者提供數(shù)據(jù). 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者也許會根據(jù)技術(shù)要求對某些數(shù)據(jù)提出修改意見. 一般說來, 在硬件的設(shè)計(jì)者與人類工效學(xué)專家的意見相左時, 后者往往處于不利地位, 但讓硬件設(shè)計(jì)者事先知道人類工效學(xué)方面的建議比在產(chǎn)品生產(chǎn)出來以后才發(fā)覺有問題還是要好得多. 當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者把產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來之后, 讓他為了使使用者操作起來更方便而修改整個方案幾乎是不可能的, 這不僅使成本增加, 也影響設(shè)計(jì)人員的自尊心. 相反, 在設(shè)計(jì)的初級階段, 讓設(shè)計(jì)人員注意產(chǎn)品的使用方便問題是不難的. 因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品, 不會增加產(chǎn)品的成本, 而且若使用方便, 設(shè)計(jì)者也會感到十分高興. 所以重要的是人類工效學(xué)者的意見應(yīng)盡早地讓設(shè)計(jì)人員知道. 第三章 人體的肌肉系統(tǒng) 在日常生活和工作中, 我們經(jīng)常需要使用力氣. 如在搬運(yùn)東西時, 我們需要手, 腿, 或肩膀使勁. 既使在站立不動時, 我們的腳和大腿也在用力, , 為了在工作時省力, 或不至于勞累過度, 我們需要了解人體的肌肉系統(tǒng). 第一節(jié) 生物原理 一. 肌肉的結(jié)構(gòu) 人能夠運(yùn)動是因?yàn)橛蟹植荚谌淼募∪? 它差不多占人身體總重量的40%. 每一塊肌肉又是由許多肌肉纖維組成的. 有的肌肉纖維只有5毫米長, 而有的則可長達(dá)140毫米. . 一塊肌肉包含十萬到一百萬這樣的纖維. 纖維的終端組成一塊肌肉筋. 長肌肉纖維有時是成串地連接在一起的. 在每個肌肉的終端, 肌肉筋聯(lián)在一起形成一個硬的, 無彈性的肌肉鍵, 肌肉鍵是緊貼在骨骼上的. 肌肉的一個最重要的特點(diǎn)是它可以縮短到正常尺寸的一半左右, 這種現(xiàn)象我們稱之為肌肉收縮. 肌肉收縮的功率隨著肌肉長度的增加而增加. 肌肉纖維含有蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)中肌動朊和肌漿球蛋白的作用是十分重要的, 因?yàn)檎撬鼈兊氖湛s而帶動肌肉收縮的. 在肌肉收縮的過程中, 肌動朊纖維據(jù)認(rèn)為縮進(jìn)肌漿球蛋白之間的, 如圖31所示. 每個肌肉纖維收縮時都有一定的力量, 一塊肌肉的力量是這些肌肉纖維力量的總和. , 因此截面積為100mm2的肌肉可以支持34公斤的重量(3040N). 這樣一個人的潛在的力量首先取決于他的肌肉的截面積. 經(jīng)過相同的訓(xùn)練, 一個女子由于肌肉較小可以施展的力大約比一個男子少30%.肌肉在它開始收縮時力量最大, 以后隨著肌肉的縮短力量也開始減弱. │ │ ├─── ─────┤ │ ━━━━━━━━━ │ 肌動朊纖維 ├─── ─────┤ │ ━━━━━━━━━ │ ├──── ─────┤ 肌漿球蛋白
│ │ 圖31. 肌肉收縮示意圖 二. 能源的來源 在肌肉的收縮過程中, 機(jī)械能的產(chǎn)生是由消耗肌肉中貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化來的, 肌肉工作實(shí)際上是一個化學(xué)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過程. 能量的釋放是由于肌動朊纖維和肌漿球蛋白中的蛋白質(zhì)分子發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)而引起它們位置的變化, 產(chǎn)生收縮. 收縮的直接能源是在化學(xué)反應(yīng)中含有豐富的磷酸脂由高能狀態(tài)變?yōu)榈湍軤顟B(tài). 肌肉內(nèi)的大部分能源來自于三磷酸腺苷(ATP), 當(dāng)它轉(zhuǎn)化成二磷酸腺苷時釋放出大量的能量. ATP不僅存在于肌肉中, 差不多存在于所有的生物組織的纖維中,作為一種隨時可以釋放能量的貯備. 肌肉纖維中的另一個化學(xué)能源是磷肌酸, 它分解成磷酸和肌酸時能釋放同樣重要的能量. 低能磷化物在肌肉內(nèi)不斷地轉(zhuǎn)換成高能狀態(tài), 這樣肌肉內(nèi)貯存的能量才不會下降, 這是自然界的一個奇跡, 就相當(dāng)于用完了的汽油又變成了汽油. 但是這種高能磷化物的再生自身也需要能源. 這種能源是從葡萄糖, 脂肪中的元素和蛋白質(zhì)得到的. 在劇烈的, 大量的體力勞動中, 葡萄糖血液循環(huán)里最重要的糖是主要的能源供應(yīng). 在休息或中等強(qiáng)度的勞動時, 脂肪中的元素(脂肪酸)和蛋白質(zhì)是主要的能源供應(yīng). 因此, 葡萄糖, 脂肪和蛋白質(zhì)這些營養(yǎng)物質(zhì)是間接的能量來源, 為了使ATP和其他能源豐富的磷化物的貯存得到不斷的補(bǔ)充. 葡萄糖從血液中進(jìn)入細(xì)胞, 在細(xì)胞中被轉(zhuǎn)化成外消旋酸. 從這里, 化學(xué)分解將沿著兩個方向進(jìn)行, 取決于氧的供應(yīng)是否充分. 如果氧氣充分, 外消旋酸在氧化的過程中被分解, 產(chǎn)生水和二氧化碳, 這可以釋放足夠的能源以重新組成大量的ATP. 如果氧氣不充分, 正常的外消旋酸的分解便發(fā)生不了, 相反,它被轉(zhuǎn)換成乳酸. 乳酸是新陳代謝中的一種廢物, 它使人產(chǎn)生肌肉疲勞和酸疼的感覺. 這個過程中只釋放少量的能源幫助高能磷化物的重新組結(jié). 在劇烈的運(yùn)動時, 人們有時感到呼吸不過來. 這實(shí)際上是他想通過大量的呼吸來彌補(bǔ)氧氣的不足, 他想償還他的氧負(fù)債. 這個氧負(fù)債是由于已經(jīng)發(fā)生的大量的能量的消耗引起的, 需要額外的氧氣以把乳酸換回成外消旋酸, 重新構(gòu)造高能的磷化物. 當(dāng)這個過程完成以后, 能源可以重新從氧化外消旋酸獲得. 圖32是一個簡化了的肌肉能量供應(yīng)圖. 圖32. 肌肉的能量供應(yīng)圖 正如前面已經(jīng)提到過的, 蛋白質(zhì)和脂肪也包括在這些新陳代謝中. 當(dāng)這些物質(zhì)的分解達(dá)到某一階段時, 它們產(chǎn)生的脂肪酸和氨基酸然后也會與外消旋酸一樣,經(jīng)過進(jìn)一步的分解變成水和二氧化碳,這最后一個階段也產(chǎn)生肌肉運(yùn)動所需要的能量. 產(chǎn)生能量的重要源料葡萄糖和氧在肌肉中只貯存了很少一部分, 因此它們需要不斷地從血液中得到補(bǔ)充, 因此是血液的供應(yīng)最后限制著肌肉運(yùn)動的效率. 在一塊肌肉處于運(yùn)動狀態(tài)時, 它對血液的需要量增加了好幾倍. 為了滿足這個需求, 血液循環(huán)系統(tǒng)開始發(fā)生一些變化: 心跳加快而且有力, 血壓增加, 通向肌肉的血管開始擴(kuò)張. 下表是斯切爾(Scherer)發(fā)現(xiàn)的人的肌肉在不同狀態(tài)下的血液的循環(huán)量. 表31. 在不同狀態(tài)下肌肉的血液供應(yīng)量 靜止時 4毫升/分鐘/100克肌肉 中等勞動 80毫升/分鐘/100克肌肉 重體力勞動 150毫升/分鐘/100克肌肉三. 肌肉運(yùn)動中的電現(xiàn)象 人們很早就發(fā)現(xiàn)肌肉在收縮過程中伴隨著電現(xiàn)象, 這與神經(jīng)中的脈沖產(chǎn)生的電現(xiàn)象是相似的. 最近幾十年, 由于非常先進(jìn)的生物電子設(shè)備的應(yīng)用, 關(guān)于肌肉電現(xiàn)象的研究也比較詳細(xì)了. 我們可以把這些研究結(jié)果歸納如下: (1) 靜止時肌肉纖維有一個90微伏的電位被稱為靜止膜電位. 肌肉纖維的內(nèi)部相對于外部帶有負(fù)電. (2) 肌肉開始收縮時, 靜止電位迅速消失. 肌肉纖維的內(nèi)部開始帶正電. 這個電位被稱為行動電位. 我們稱之為行動電位是因?yàn)檫@個電位是在神經(jīng)行動的同時產(chǎn)生的. 肌肉中的行動電位大約持續(xù)24毫秒, 然后以每秒5米左右的速度沿著纖維方向沿伸. (3) 行動電位的產(chǎn)生包括肌肉纖維膜的去極和