Механические колебания тела человека или отдельных его частей оказывают сложное биологическое действие и могут вызывать ряд изменений в организме, затрагивающих его функциональное состояние, работоспособность, здоровье. Действие механических колебаний на организм зависит от следующих причин: частоты колебаний, их интенсивности (амплитуды), продолжительности действия и направления. 

Одиночные воздействия большой интенсивности могут вызывать травматические повреждения тела — ушибы, контузии, переломы и др. Колебания, действующие продолжительное время, даже при умеренной интенсивности могут оказать серьезное влияние на организм человека, если частота воздействия неблагоприятна.

Колебания с частотой до 3—5 гц вызывают реакции вестибулярного аппарата и могут вызывать расстройства, связанные со смещением массы крови в сосудах, т. е. сосудистые расстройства и синдром укачивания (морскую болезнь). При колебаниях с частотами от 3—5 до 11 гц наблюдаются расстройства, обусловленные возбуждением лабиринтного аппарата внутреннего уха и резонансными колебаниями как человеческого тела в целом, так и некоторых его частей (голова, желудок, печень и кишечник) .

Колебания человека с частотами 11—45 гц могут сопровождаться функциональными расстройствами ряда внутренних органов (в том числе мочеполового аппарата), ухудшать зрение в связи с колебаниями глазных яблок, вызывать тошноту и рвоты. Механические колебания с частотами свыше 45 гц при известной интенсивности вызывают серьезные изменения — так называемую вибрационную болезнь.

До сих пор нет единого мнения о тех границах частот колебаний, которые соответствуют тому или иному их действию на организм человека. Есть предложение делить колебания на собственно колебания и вибрации. Колебания отличаются более низкой частотой (предположительно до 15—18 гц) и тем, что организм улавливает отдельные циклы (периоды). Вибрациями называют колебания более высокой частоты, воспринимаемые слитно. Границы вибрационной чувствительности человеческого организма составляют 15—1500 гц.

Кузов автомобиля испытывает колебания широкого частотного спектра, в который входят и колебания, и вибрации. Рассмотрим колебания, оказывающие определяющее влияние на плавность хода и другие эксплуатационно-технические качества автомобиля. Колебания и вибрации действуют на физиологические системы человека неодинаково. Восприятие колебаний, связанных с изменением положения тела в пространстве, представляет собой сложный процесс, слагающийся из ряда ощущений, которые поступают в мозг от различных физиологических систем (органов чувств, интерорецепторов и др.).

Основным органом человека, служащим для распознавания изменения направления или скорости движения, является вестибулярный аппарат, который является также вспомогательным органом равновесия и ориентации положения тела в пространстве. Строение вестибулярного аппарата следующее. В толще височной кости находится пространство со сложными ходами — лабиринт, который заполнен жидкостью (перилимфой). В жидкости плавает, в свою очередь, заполненный жидкостью (эндолимфой) кожистый аппарат, по форме повторяющий костный.

Лабиринт состоит из трех частей: трех полукружных каналов; преддверия; улитки. Полукружные каналы и преддверие составляют вестибулярный аппарат. Улитка является звуковым анализатором человека и здесь не рассматривается.

Преддверие вестибулярного аппарата (рис. 168) состоит из двух мешочков 2 и 3, соединенных между собой. Кроме того, один из мешочков соединен с улиткой 1, а другой — с тремя трубочками полукружных каналов 4, которые взаимно перпендикулярны и расположены в плоскостях, примерно параллельных трем главным плоскостям человеческого тела (фронтальной, сагитальной и горизонтальной). В стенках мешочков преддверия заложены окончания вестибулярного нерва, представляющие собой как бы нежнейший войлок, погруженный в эндолимфу. На этом «войлоке» расположены мельчайшие кристаллы извести, так называемые отолиты. Мелкие кристаллы образуют два конгломерата кристаллов — отолиты 5 и 6, по-разному ориентированные в пространстве.

В стенках полукружных каналов и в их расширенной части также заложены нервные окончания. Отолитовые аппараты и полукружные каналы выполняют различные функции. Отолитовые аппараты предназначены для восприятия изменения положения тела и прямолинейного ускорения (преимущественно). Полукружные каналы реагируют главным образом на угловые ускорения тела.

Вестибулярный аппарат действует следующим образом. Если тело человека совершает угловые перемещения, то в том полукружном канале, который расположен в плоскости вращения, жидкость (эндолимфа) вследствие инерции будет вначале несколько отставать от стенок. Сдвиг жидкости по отношению к волоскам нервных окончаний, заложенным в стенках расширенной части полукружных каналов, вызовет их раздражение, которое воспринимается человеком как начало вращения. Расположение каналов в трех взаимно перпендикулярных плоскостях приводит к тому, что человек воспринимает произвольно направленное движение. Если вращение стало равномерным, то жидкость будет смещаться одновременно со стенками полукружных каналов, а вестибулярный аппарат на такое вращение реагировать не будет. При линейных ускорениях меняется давление кристаллов отолита на волоски и нервные окончания, что и вызывает их раздражение. Отолиты реагируют также на наклоны тела, так как при этом меняется составляющая силы тяжести отолита, оказывающая давление на нервные окончания. Каждый из двух отолитов расположен так, что реагирует преимущественно на определенное направление наклона. Так, если пассажир испытывает продольные колебания, то они воспринимаются главным образом отолитом 6, а наклоны кузова в поперечной плоскости — отолитом 5.

Раздражение вестибулярного аппарата, передаваясь головному мозгу, вызывает два вида рефлексов, которые влияют на работоспособность человека: установочные рефлексы, обеспечивающие движения головы, глаз, непроизвольные движения рук, ног, туловища, и так называемые вегетативные рефлексы, проявляющиеся со стороны сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной и других систем организма, в виде покраснения лица, сердцебиения, потоотделения, тошноты, рвоты и других симптомов синдрома укачивания (морской болезни).

Устройство вестибулярного аппарата и механизм его действия побудили В. И. Воячека назвать отолитовые аппараты и полукружные каналы органами «акцелерационного чувства» человека. Жидкостные акселерометры, применяющиеся при динамических испытаниях автомобилей, напоминают по устройству и действию полукружные каналы, а акселерометры с твердой массой — отолитовые аппараты.

Ощущение угловых ускорений продолжается дольше действия раздражителя из-за инерции жидкости (эндолимфы) в полукружных каналах. При равномерном вращении человека его голова, эндолимфа и нервные окончания в полукружных каналах движутся вместе, не давая ощущения движения. Если же вращение прекратится, то эндолимфа по инерции будет некоторое время продолжать движение, нервные рецепторы отклонятся по ходу прекратившегося уже вращения, и вестибулярный аппарат, раздражаясь, создаст ощущение вращения в обратную сторону.

Оценка изменения положения тела в пространстве зависит не только от раздражения в вестибулярном аппарате, но также и от изменения положения глазных яблок, двигательного аппарата, кожных покровов, мышц и связок, которыми удерживаются внутренние органы от смещения. Например, кожная чувствительность человека заставляет его воспринимать наклоны значительно раньше, чем ощущения, идущие от вестибулярного аппарата. На рис. 169 показана схема связей, существующих между вестибулярным аппаратом и другими органами чувств. Их значение различно и изменяется в зависимости от частоты и амплитуды колебаний. Отмечается первостепенное значение вестибулярного аппарата при медленных колебаниях, а поверхности кожи — при ощущении колебаний высокой частоты (15 гц и выше).

При действии колебаний на человека его ощущения (впечатления) формируются очень быстро. Если воздействие колебаний продолжается, то в организме происходят физиологические процессы, приводящие к различным состояниям, среди которых особое значение принадлежит адаптации и утомлению. Адаптация

или приспособительные изменения характеризуются повышением сопротивляемости организма к внешним воздействиям и увеличением работоспособности человека. Тренировки и упражнения в закреплении навыков усиливают адаптацию.

Опыт показывает, например, что вестибулярный аппарат поддается тренировке и приспосабливается к повторным вращениям; при этом чувство противовращения постепенно уменьшается. Свойства вестибулярного аппарата быстро приспосабливаться к колебаниям позволяет пассажирам привыкать к условиям езды в автомобиле. Эта способность, различная у разных людей, несколько сглаживает неприятные ощущения при толчках и колебаниях кузова.

В отличие от адаптации утомление обусловливает временное снижение работоспособности организма, возникающее при длительном или интенсивном воздействии раздражений. При колебаниях, сопровождаемых изменениями положения тела в пространстве, возникают мышечные рефлексы, ускоряющие наступление утомления. По мнению многих физиологов преимущественное значение в появлении и развитии утомления имеют нервно- психические нагрузки, испытываемые организмом.

Утомляемость водителя понижает безопасность движения. Поэтому необходимо уделять должное внимание наиболее удобному устройству и размещению места водителя в автомобилях, особенно в автобусах.

Если ощущения человека при колебаниях оценивать количественно, то показатели, соответствующие начальному состоянию, адаптации и различным степеням утомления, будут разными. Это свидетельствует о том, что состояние организма человека в зависимости от продолжительности воздействия на него колебаний и их интенсивности соответствует разным уровням функционирования, характеризующимся относительно стабильными реакциями организма.

Например, вестибулярный аппарат обладает способностью накоплять раздражения. Слабый толчок вызывает небольшое раздражение вестибулярного аппарата. Следы этого раздражения остаются. Несколько последовательных слабых толчков приводят к кумуляции (накапливанию) остаточных явлений и могут дать более сильное ощущение, чем отдельные изолированные толчки.

Если колебания действуют на человека в течение рабочего дня из года в год, то при определенной их интенсивности в организме могут появляться болезненные и необратимые явления. Это подтверждают наблюдения за профессиональными заболеваниями у водителей автомобилей и трактористов.

Неблагоприятными условиями работы водителя считают следующие:

длительное воздействие колебаний, с учетом действия пиковых нагрузок со значительными ускорениями. Воздействие ко-

лебаний сопровождается длительным напряжением мышц торса, обусловленным противодействием перемещениям тела при колебаниях;

неудобство позы. В положении сидя колебания передаются непосредственно позвоночнику, практически минуя нижние конечности. В положении стоя, действие колебаний смягчается многочисленными суставами нижних конечностей. Кроме того, дугообразная форма позвоночника, в положении сидя, менее благоприятна для смягчения колебаний, чем его естественная форма;

длительное нервно-психическое напряжение во время работы, иногда в сочетании со значительными мышечными нагрузками.

Вредное влияние колебаний автомобиля заключается в появлении пояснично-седалищных болей (в основном ишиаса). Влияние колебаний сказывается и на внутренних органах. Проведенное в 1964 г. 3. Н. Гончаровым обследование свыше 450 водителей (преимущественно грузовых автомобилей) показало, что у половины из них имеются жалобы на пояснично-седалищные боли. По числу дней временной нетрудоспособности ишиас намного превосходит все другие заболевания водителей, а по числу случаев уступает лишь таким распространенным заболеваниям, как катар верхних дыхательных путей и грипп. Решающее влияние колебаний автомобиля на появление ишиаса подтверждается тем, что у водителей грузовых автомобилей, работавших в средних дорожных условиях, ишиас встречается в 3 раза чаще, а у работавших в плохих дорожных условиях в 5 раз чаще, чем у водителей легковых автомобилей. Следует также отметить, что пояснично-седалищные боли появляются и в сравнительно молодом возрасте.

Описанное действие колебаний па позвоночник обусловлено некоторыми его особенностями. Позвоночник состоит из 24 позвонков. Связывающие их межпозвоночные диски, а также мышечный корсет превращают позвоночник в упругую систему, обладающую к тому же значительным затуханием.

Колебания, воспринимаемые человеком, находящимся в вынужденном сидячем положении, травмируют позвоночник, его связочный и суставный аппарат. Наибольшим воздействиям подвержены два-три нижних поясничных межпозвоночных диска. Длительные колебания, испытываемые ежедневно водителем, могут приводить к перерождению (дегенеративным изменениям) позвоночника. На рис. 170 схематически показаны четыре позвонкам 1 — нормальный, а остальные (2—4) с различными степенями перерождения, при котором уменьшаются межпозвоночные диски, появляются изменения поверхности и формы позвонков.

Следует также заметить, что идеальное состояние позвоночника встречается довольно редко. Обычно после 30 лет начинаются дегенеративные его изменения. Это следует учитывать при

отборе испытуемых для оценки плавности хода автомобиля, разработке его сидений и т. д.

Киносъемка брюшной полости вертикально колеблющегося человека, подвергнутого рентгеновскому просвечиванию, позволила наблюдать за поведением внутренних органов при колебаниях. На рис. 171 представлены амплитудно-частотные характеристики перемещений желудка z(v) четырех различных людей. Резонансные перемещения желудка оказались в 2—3 раза больше перемещений вибростола (и соответственно тела). Индивидуальные различия сказались больше на амплитуде перемещений, а резонансные частоты оказались в пределах 4—5 гц [117]. Собственная частота колебаний желудка зависела от его содержимого и степени наполнения. Все это требует дальнейших исследований, так же как и вопрос о влиянии колебаний на возникновение заболеваний внутренних органов. Известно также, что действие колебаний замедляет, если не приостанавливает излечение воспалительных или язвенных процессов слизистой оболочки желудка.

Ротенберг Р.В.
Подвеска автомобиля
1972