VPLIV VIBRACIJ NA ČLOVEKA

1. Uvod

Dandanes je človekovo telo izpostavljeno vibracijam, ki so prisotne med potovanjem (po cestah, železnicah, morju), skratka pri različnih opravilih, ki jih počnemo iz dneva v dan. Zanimanje za vpliv vibracij na človeka pa se je v zadnjem času povečalo. Število mehanizmov, ki povzročajo vibracije, se je dvignilo, število oseb, ki so izpostavljeni tovrstnim vibracijam, se je povečalo, povečala pa se je tudi zavestnost o kvaliteti življenja.

Razumevanje vpliva vibracij na telo je deljena v dve skupini: vibracije celotnega telesa (ang: Whole-body vibration) in vibracije, prenesene preko roke (ang: Hand-transmitted vibration). Študija vplivov vibracij ponuja mnogo izzivov, kajti proučuje se človek, ki je kompleksen, inteligenten, dinamičen naravni sitem, v katerem je zajeto področje fizike, psihologije, matematike, inženirstva, medicine in statistike. Vibracija je lahko vir užitka, kot je stisk roke ali guganje dojenčka, lahko pa je vibracija povzročitelj bolečine. Posledica gibanja je lahko vznemirjenje (nadloga), neugodje, motnja pri delovanju in bolezen gibanja, ki je odvisna od mnogih parametrov, kot so karakteristika gibanja, karakteristike izpostavljenega človeka, gibanje človeka ter drugih vidikov okolice.

Preučevanje vpliva vibracij na človeka je naloga, v kateri moramo zagotoviti ustrezno razmerje med užitkom ter zdravjem. Zaradi kompleksnosti med vzrokom in posledico sta se uveljavili dve metodi laboratorijskih raziskav, od katerih je prva sistematična raziskava posamezne spremenljivke v obliki simulacije realnih pogojev in druga, preučevanje efektov takšnih realnih pogojev. Oba pristopa nudita zadovoljivo znanstveno metodo, vendar pa je bolj verjetno, da bo sistematični pristop prevladal v smislu razložitve zakaj nastane nek efekt in nato predložitve potrebnega znanja za rešitev problema. Vendar pa se moramo zavedati, da sistematični pristop ne bo nikoli pripeljal do najboljše, najbolj idealne rešitve za celotno področje vplivov vibracij na človeka. Za marsikateri sistem je najboljša rešitev, če simuliramo pogoje in z njihovim spreminjanjem najdemo najbolj optimalno rešitev za efekt, ki ga povzročajo.

Narava vibracij je lahko predvidena glede na že poprej znane načine nihanja (deterministično nihanje), ali pa je določena samo s pomočjo statističnih lastnosti (naključna nihanja). Veliko tipov gibanja oziroma vibracij je možnih za dosego gibanja naprave, ki je lahko krmiljena s hidravliko, elektromagneti, pnevmatiko, z mehansko in električno energijo. Raziskave v laboratorijih so močno odvisne od tipa vibracije, ki ga proučujejo. Kot na primer, če je subjekt izpostavljen visokim frekvencam, potrebujemo majhno silo in majhne pomike, kar lahko dosežemo z majhnim vibratorjem. Pri nizkih frekvencah pa potrebujemo večje mehanske komponente.

Bistvo vseh raziskav vpliva vibracij na človeka pa je zdravje le tega. Potreba po vse večji varnosti se veča z večanjem dobe izpostavljenosti človeka vibracijam. Znanstveniki se trudijo vzpostaviti neko razmerje med vibracijami ter efektom, ki ga te vibracije povzročijo človeku.

Opomba: Seminar je izdelan po knjigi Handbook of Human Vibrations, avtor M.J. Griffin. Vse slike, uporabljene v seminarju, so iz navedene knjige.

2. Vibracije celotnega telesa (Whole-body vibrations)

Vibracije celotnega telesa se pojavijo, če je telo postavljeno na površino, ki niha oziroma vibrira. Možni so trije principi nihanja celotnega telesa: če sedimo na nihajočem stolu, stojimo na nihajoči podlagi ter če spimo na nihajoči postelji. Lokalne vibracije pa se pojavijo, ko je ud (ali glava) v kontaktu z nihajočo površino. Oba načina, tako nihanje celotnega telesa, kot lokalno nihanje, povzročita širjenje vibracij skozi celotno telo.

Vibracije, ki vplivajo na celotno telo, se pojavijo pri cestnih in izven-cestnih transportnih vozilih, vodnih plovilih, železniških sistemih, zračnih sistemih, stavbah ter pri industrijskih opremah. Če bi imeli priložnost biti izpostavljeni vibracijam v laboratoriju, bi s simulacijo nihanja, kjer bi prilagajali pospešek, frekvenco in amplitudo nihanja ugotovili, da nas določena kombinacija teh parametrov spominja na nihanje ki ga doživimo v vsakdanjem življenju. Na primer, če bi podlago pospeševali s pospeškom 1ms^-2 r.m.s., frekvenco 0.2 Hz in amplitudo 2 m bi imeli občutek, da plujemo z ladjo. Če bi podlaga nihala z enakim pospeškom ter frekvenco 1Hz in amplitudo 70 mm, pa bi imeli občutek, da potujemo z vlakom.

2.1. Nekaj o koordinatnih sistemih mehanskih nihanj

Pri mednarodni organizaciji za standardizacijo so definirali ortogonalni koordinatni sistem, ki je prikazan na sliki 1. Središče koordinatnega sistema je v srcu in rotira s telesom.

Slika 1: Definiranje koordinatnega sistema

[MO1]

Če si podrobneje ogledamo osebo, ki sedi na stolu (slika 2), vidimo da ima telo kot sistem tri koordinatna središča in ne enega v srcu, ker srce ni dobro definirana začetna točka za anatomski koordinatni sistem ter kot taka primerna za merjenje vibracij. Bolj primerno središče za merjenje vibracij je sedalo, ki ima šest prostorskih stopenj (tri translacije in tri rotacije), hrbtišče oz. hrbet z tremi prostostnimi stopnjami (tri rotacije) ter pri nogah s prav tako tremi prostostnimi stopnjami (tri rotacije).

Osi vibracije so definirane relativno glede na telo, zato se gibljejo s telesom. Kot primer, x-os je horizontalna pri sedečem telesu, vertikalna pri ležečem telesu (z glavo obrnjeno navzgor ali navzdol) ter horizontalna pri ležečem telesu z glavo obrnjeno postrani.

Slika 2: Definiranje koordinatnega sistema sedeče osebe

2.1.2. Odziv na vertikalna nihanja

Pri sinusoidnem vertikalnem nihanju pri frekvencah pod 2 Hz večina delov telesa niha sinhrono v fazi. Oko je pri tovrstnem nihanju sposobno gledati objekte, ki se gibljejo z nihajočim telesom, ali pa mirujoče objekte (telo pa se giblje). Če ima gibanje frekvenco približno 0.5 Hz, lahko sčasoma dobimo simptome ''gibalne bolezni''. Vertikalne oscilacije nihajočega sedeža pri frekvencah nad 2 Hz povzročijo ojačanje vibracij v samem telesu. Lastne frekvence so v vsakem delu telesa (udu) drugačne. Dokazano je, da je prva večja lastna frekvenca približno 5Hz. Pri frekvencah nad 5 Hz silam, ki je potrebna za vertikalni pospešek sedala, naglo pada z večanjem frekvence, medtem ko neugodje zaradi frekvence počasi narašča. Vid je lahko nejasen pri vsaki frekvenci, zatemnitev vida pa je možna pri frekvencah od 15 Hz do 60 Hz. V tem območju frekvenc lahko pride oko tudi v resonanco z vzbujanjem.

Pri vertikalnih nihanjih sedeče osebe so dopustne frekvence lahko v območju od 0.01 – 100 Hz. Iz eksperimentov so ugotovili, da v diagramu (frekvenca v odvisnosti od pospeška) graf pada z večanjem frekvence od 2 ali 3 Hz do 5 oziroma 6 Hz. Z nadaljnjim večanjem frekvence pa začne graf rasti. Nekaj raziskav je bilo narejenih za frekvence pod 2 Hz, vendar pa je bilo ugotovljeno, da se pospešek dosti ne spreminja s spreminjanjem frekvence.

Prisotnost opore, ki niha vertikalno s sedalom lahko pogosto poveča amplitude nihanja glave. Če vertikalno nihanje gornjih delov telesa presega nihanje ramen, bo to povzročilo povečanje nihanja celotnega telesa.

2.1.2. Odziv na horizontalna nihanja

Horizontalno nihanje sedečega telesa lahko povzroči različne občutke. Pri frekvencah pod 1 Hz začne telo nihati, vendar pa je to nihanje lahko zadušeno zaradi vpetja sedeža na podlago ter samega telesa (mišic). Pri frekvencah v območju od 1 – 3 Hz je težko stabilizirati gornje dele telesa, zato je neugodje večje. Za višje frekvence nad 10 Hz pa velja, da se gibanje težko prenaša na gornje dele telesa. Občutek imamo, kot da smo vedno v isti točki sedenja.

Pri sedalu brez hrbtišča, se horizontalna nihanja sedala enostavno prenašajo do gornjih delov telesa v območju frekvenc od 1 – 2 Hz. Pri višanju frekvence se neugodje telesa locira v bližino izvora vibracij. Prisotnost naslonjala učinke nekoliko spremeni. Hrbtišče nudi odpor pri nižjih frekvencah, vendar je zelo verjetno, da se bo prenos povečal pri višjih frekvencah. Zavedati pa se moramo, da se odzivi spreminjajo s spremembo oblike hrbtišča, zato se raziskave najpogosteje izvajajo na stolih brez opore – naslonjala, zato lahko pričakujemo dokaj podobne rezultate, ki pa so med laboratoriji primerljivi.

Udi kot so roke, noge ter glava, so lahko dostikrat v stiku z nihajočo površino. Neugodje roke je v principu v povezavi z ramo, zato gledamo na poškodbe v tem kontekstu. Raziskava je pokazala, da je neugodje odvisno od pospeška do frekvence 6 Hz , od hitrosti od 6 do 60 Hz ter od premika od 60 do 300 Hz.

2.1.3. Rotacijska nihanja

Efekti rotacijskih nihanj na udobje so zelo odvisni od pozicije centra vrtišča. Če je človek v središču rotacije, bo neugodje zelo majhno, če pa bo lociran izven središča rotacije, bo izpostavljen velikemu vertikalnemu premiku. Razdalja od središča, pri kateri postane translacija dominantna, je odvisna od orientacije telesa, osi rotacije ter frekvence nihanja. Pri frekvencah nad 1Hz bo ponavadi amplituda pomika manj kot 1m, včasih samo nekaj centimetrov.

Pri gibanju vozila ne moremo upoštevati samo rotacijska nihanja. Pozicija centra rotacijskega nihanja je težko določljiva, vendar pa je pogosto nekje pod sedežem.

2.2. Frekvence, velikost, trajanje vibracij celotnega telesa

Frekvence nihanja se močno spreminjajo v odvisnosti od okolja, kateremu je telo izpostavljeno. Območje frekvenc je odvisno od efekta, ki ga frekvence povzročijo telesu – zdravje. Ta dopustni razpon je približno od 0.5 Hz do 100 Hz. Nižje ter višje frekvence od omenjenega razpona frekvenc že lahko povzročijo različne efekte ali nelagodne občutke na telo.

Najpogostejša frekvenca sedeža v avtomobilu je 20 Hz, lahko pa se pojavijo tudi značilna nihanja tal v avtomobilu. Telo je dostikrat izpostavljeno frekvencam 100 Hz, če drži v roki kakšno vibracijsko orodje (poznejše poglavje). Stopnja vibracije, ki je prenesena na telo, je predvsem odvisna od frekvence, lahko pa je odvisna tudi od pospeškov ter hitrosti. Trditev, da je telo najbolj občutljivo na eno samo frekvenco, potrebuje razložitev; frekvenca nima pomena, če ne podamo še enote, v kateri je velikost vibracije izmerjena (velikosti pospeška). Pri vrednostih pospeška pod 0.01 ms^-2r.m.s. bo telo le redko začutilo vibracije, za frekvence nad 1 Hz in nad 20 Hz pa so potrebne višje vrednosti pospeška, da bomo zaznali nihanje. Velikost 10 ms^-2 r.m.s. pa je lahko za telo že nevarna. Nevarnost se lahko pojavi že pri 1ms^-2 r.m.s., če imamo ustrezno frekvenco, pravo usmerjenost ter zadostno trajanje vibracije.

Med vožnjo po izbočeno-neravni cesti se večina ljudi strinja, da bi z zmanjšanjem grbin na cestišču pripomogli k udobju vožnje. Vsak neugodni efekt, dejavnost ali bolezen bi bili zmanjšani, če bi uspeli zmanjšati pogostost visokih vrednosti pospeška. Stopnja, pri kateri bi bila redukcija amplitude nihanja učinkovita, je odvisna od relacije med frekvenco in pospeškom vibracije. V osnovi vemo, da nam vibracija, ki se zgodi v nekem trenutnem času, ne more škoditi. Škodi nam lahko trajanje vibracij, ki ga delimo na pomembno in nepomembno trajanje. Kot primer, če nam vibracija v prvi uri ne polije polnega kozarca, lahko sklepamo, da ga ne bo tudi po nekaj urah, zato je trajanje nepomembno. Če pa bi nam neka frekvenca povzročila zlitje tekočine iz kozarca, bi bila potrebna velika redukcija trajanja, trajanje bi bilo pomembno. Frekvenca, velikost in trajanje pa niso vsi najpomembnejši faktorji pri vibracijah celotnega telesa. Pomembno je tudi, kje, na katerem mestu je vibracija v dotiku s telesom.

Razvidno je, da se vsakomur, ki ima možnost biti izpostavljen vibracijam znanih velikostim in frekvenc, neugodje veča z večanjem frekvence vibracije v posameznih območjih. Konstantna velikost vibracije ne povzroča enakega neugodja pri vseh frekvencah nihanja. Pri nizkih frekvencah (pod 1 ali 2 Hz) je aktivna sila na telo približno proporcionalna pospešku nihanja, zato se enako nihanje prenese preko vsega telesa. Nekaj višje frekvence povzročijo, da deli telesa pridejo v resonanco, zato lahko čutimo neugodje po celotnem telesu (trebuh, obraz, prsni koš, rama). Če se frekvenca še povišuje, telo občuti vedno večje zmanjšanje vibracij, tako da se s časoma neugodje zmanjšuje. V splošnem lahko zaključimo, da se telo pri nizkih frekvencah obnaša kot razmeroma tog sistem in neugodje teži k proporcionalnosti s pospeškom. Maksimalni odziv pa je odvisen od ene same večje resonance (kot pri stranskem nihanju sedala), ali pa pri večjem številu resonanc (vertikalno gibanje sedala).

2.3. Trajanje vibracij

Očitno je, da so vibracije, ki trajajo 10 s, bolj neugodne, kot pa vibracije z enakimi parametri, ki trajajo 0.1 s. Takšne ugotovitve poznamo že nekaj časa, večji problem pa je določiti povezavo med neugodjem in trajanjem vibracij. Pri eksperimentih so ugotavljali predvsem, po kolikšnem času neka vibracija na telo postne neugodna in nezaželena. Znanstvenik Miwa je na podlagi eksperimentov (kratke periode sinusnega nihanja ter pulzno sunusoidno nihanje s trajanjem 6 s) prišel do rezultatov, da neugodje narašča z daljšim trajanjem nihanja do neke meje. Trajanje nihanja izpod 2 s v mejah frekvenc od 2 – 60 Hz in pod 0.8 s v mejah 60 – 200 Hz ne povzroči večanja občutka neugodja. V teh mejah je lahko trajanje (čas) konstanta. Pozneje sta Griffin in Whithman prišla do ugotovitve, da neugodje vedno narašča s časom, da čas v nobenem trenutku ne moremo vzeti konstanten, kot je to dokazal Miwa.

Standard ISO 2631 uporablja zelo komleksno odvisnost trajanja vibracij na ugodje in zdravje. Graf, na katerem zmanjšano ugodje za nihanje s 4 Hz pada z večanjem trajanja nihanja je prikazan na sliki 3.

Slika 3: Padanje ugodja z večanjem trajanja vibracij [MO2]

Ugotovimo lahko vidimo, da pri nihanju s parametri 4 min in 0.88 ms^-2 r.m.s. dosežemo enako neugodje, kot pri 24 h in 0.036 ms^-2 r.m.s.. V ISO 2631 standardu je določena minimalna meja trajanja 1min pri ustreznem pospešku. Na zgornji sliki so primerjave splošne oblike odvisnosti časa ( a⁴t = konstanta ), povprečno odvisnostjo časa (a²t = konstanta) in ISO 2631 standardom.

Trajanje vibracij in s tem povezano neugodje je zajeto v formuli a⁴t. To metodo imenujemo tudi metoda potence-štiri (fourth-power method),. Preprosto formulo lahko apliciramo na celotni razpon različnih pogojev od enega samega udarca, pa do zelo dolgih, kontinuiranih vibracij.

2.4. Model cestnega vozila in vibracije

Večina terenskih raziskav vibracij v povezavi s napovedovanjem neugodja je bilo narejenih na cestnih vozilih. Metod in tehnik za merjenje ter vrednotenje vibracij je veliko. Potnika so ponazorili z lutko in jo opremili z ortogonalnimi translacijskimi pospeškomeri. Z meritvami so izračunali vozni indeks K_c, ki je osnovan s seštevkom vektorjev vibracij v vseh oseh. Zavedati pa se moramo, da ni ene pravilne metode za predikcijo vibracij celotnega telesa. Vsesplošno se uporabljajo zelo različne metode za različna okolja.

Križno–modalna metoda za oceno vožnje vozila zahteva od osebe, da uskladi (ujame) glasnost slučajnega zvoka z vibracijam, katerim so bili izpostavljeni v vozilu. Glasnost zvoka so primerjali z meritvami vibracij, ki so bile izmerjene v treh translacijskih oseh, tako na sedežu, kot na glavi lutke. Zaključili so, da je bila ocena osebe proporcionalna z merjenimi vibracijami.

Kar nekaj študij so naredili v Britaniji v MIRA (Motor Industry Research Association). Sedem vozil je ocenilo 12 ljudi na testnih vožnjah, z uporabo metode parne primerjave. Njihove izjave so primerjali z meritvami na osi sedeža ter nihanjem glave. Izkazalo se je, da nihanja glave niso dobra predikcija, ampak je bilo udobje v povezavi z nihanjem sedala. V raziskavo so bili upoštevani tudi oblika sedeža (udobje) ter velikost in teža sedeža. Med vožnjo so spreminjali vzmetenje ter tlak v gumah, vibracije pa so bile merjene na tleh vozila v treh translacijskih koordinatah. Zaključili so, da ima v raziskavah, kjer ljudje ocenjujejo udobje vožnje, velik vpliv velikost sedeža. Nobenih korelacij pa ni bilo med vzmetenjem, tlakom v kolesih, težo avtomobila, ter konstrukcijo sedeža.

Natančnejšo raziskavo sta naredila Parsons in Griffin. Vibracije so bile merjene v 12 oseh. Ravno tako je ugodje ocenjevalo osem ljudi na šestih avtomobilih ter na dvanajstih različnih testnih cestah. Model je imel šest osi (tri rotacije in tri translacije) na sedežu, tri translacijske osi med hrbtom in hrbtiščem in tri translacijske osi pod nogami. Rezultat je pokazal, da ima 12 vibracijskih osi veliko pomembnost in da neugodje vibracij, v splošnem, ne moremo napovedati izključno z velikostjo vibracij pri najbolj neugodni frekvenci, na najbolj neugodni osi. Dve najboljši predikciji sta dobila s korenom seštevka kvadratov (root-sums-of-squares), pri merjenju vrednosti na vseh oseh. Metoda je bila originalno definirana po ISO 2631.

Narejenih je bilo še veliko raziskav na temo napovedovanja neugodja v vozilih. Metode ocene neugodja prispevajo k razumevanju neugodja ter k težnji po izboljšavah le teh metod. Pojavi se vprašanje, koliko denarja je vredno vložiti za izboljšanje udobnosti vožnje v vozilih? Najprej je potrebno vedeti, da zmanjšanje vibracij ni vedno povezano z velikimi vsotami denarja. Na primer, ko se odločamo za sedež v avtomobilu, ni nujno, da najdražji sedež doprinese k največjemu ugodju. Ko se odločamo o ekonomični vrednosti vibracij vozila, morajo izdelovalci upoštevati ne samo udobje vožnje, temveč tudi na efekt, ki jih vibracije povzročijo – zdravje.

2.5. Motnja delovanja zaradi vibracij

Človeško telo, kot zelo čutilen sistem sprejema informacije in njegovo delovanje vsebuje obsežno mero kompleksnih procesov, pri različnih obratovalnih pogojih (različne naloge, različni pogoji nihanja, tipi subjekta, motivacija,.), tako da so si situacije med seboj popolnoma različne. Vibracije lahko zmotijo normalno delovanje funkcij, ki jih opravlja človek. V večini primerov dobi telo informacijo preko oči, odziv pa je opravljen z določenim udom. Vibracija ima pogosto posledico na vhodno in izhodno informacijo.

Gibanje udov je skoraj vedno prisotno pri različnih opravilih, pa naj bo to gibanje prstov, ali pa celotne roke. Za nekatera opravila je stopnja motnje zaradi vibracije zanemarljiva. Pri drugih dejavnostih pa lahko prisotnost vibracij povzroči neuspešno izvedeno opravila.

2.5.1. Vid

Eksperimentalne raziskave so se skoncentrirale na stopnjo, do katere vibracija povzroči gibanje slike. Gibanje očesne mrežnice se lahko pojavi kot rezultat vibracije očesa, ali vibracije vidnega polja, lahko pa tudi kot kombinacija obeh.

Najbolj lahko kontroliramo gibanje, če je telo pri miru in se giblje samo opazovani predmet. Če predmet niha počasi, ga je oko še sposobno slediti in ga v možganih stabilizirati (refleksni odziv). Če se frekvenca nihanja povečuje in doseže približno 1Hz, je zaostajanje zasledovanja očesa preveliko. Oko naredi serijo diskretnih gibanj, da lahko povrne oko v pravilno točko. Slika pade nepredvidoma čez večjo površino na mrežnici, tako da je slika manj ostra. Pri večjih frekvencah (od 2 – 3 Hz) postane slika zamegljena. Zanimivo je, da je naključno nihanje predmeta manj občutljivo na oko, kot pa če predmet niha sinusno.

Če opazovalec vibrira, je potrebno upoštevati tako translacijsko, kot rotacijsko gibanje glave. Če ni relativnega gibanja med očesom in glavo, povzroči rotacija glave za kot f premik mirujočega objekta za enak kot. Sproži se refleks v možganih, ki povzroči rotacijo očesa v nasprotni smeri vrtenja. Ta refleks naj bi deloval v območju frekvenc od 8 Hz do 20 Hz ali tudi pri 30 Hz.

Pri višjih frekvencah se oko obnaša kot pasiven sistem, samo za prenašanje vibracij in lahko pride celo do resonance očesa. Pri skupnem nihanju tako objekta kot očesa , je mejna frekvenca za čisto razpoznavo slike nižja, kot če miruje ali oko ali predmet.

2.5.2. Govor, sluh

Vibracije celotnega telesa lahko vplivajo na karakteristike govora (tresoč glas), kar je lahko odvisno od valovanja zraka skozi grlo. Gibanje pri nizkih frekvencah lahko povzroči neenakomerno dihanje, kar se pozna pri hitrosti branja. Vpliv frekvence pri motnji govora je odvisen od vrednosti, smeri delovanja vibracije, ter položaja telesa. Vertikalna nihanja pri frekvencah od 5 do 20 Hz nam pritegnejo največjo pozornost pri spremembi glasu. Problem se največkrat pojavi pri sistemih, za katere je potrebna identifikacija glasu.

Pri prisotnosti vibracij in zvoka, pa lahko povzroči tudi oglušelost. Pri eksperimentih, kjer so ljudje izpostavljeni različnim vibracijam, lahko pričakujemo, da bo imela oseba, ki je pod vplivom najmočnejših vibracij, največjo izgubo sluha, saj je izpostavljena tudi največji glasnosti zvoka.

Eden od pristopov študije je tudi, kako vibracije vplivajo na sluh, pri katerem smo izpostavljeni konstantnemu zvoki, vibracije pa lahko spreminjamo. Oseba je bila 30 min izpostavljena 17 Hz in belemu šumu, Ugotovili so, da sama vibracija izboljša sluh, kombinacija vibracije in zvoka pa je povzročila večjo trenutno izgubo sluha, kot pa če smo izpostavljeni samo zvoku.

Povečana izguba sluha je lahko povezana z vibracijam notranjega ušesa, ki lahko direktno vpliva na slušne sposobnosti, ali pa lahko samo poveča občutljivost na oglušelost.

2.6. Vibracije celotnega telesa in zdravje

V študiji, ki zajema zdravje, je potrebno razčleniti korelacijo med vzrokom in posledico, kot na primer, če proučujemo efekte vibracij in vida. Posledice na zdravje so v večini primerih okarakterizirane z izrazi ¢¢trenutne¢¢ ali ¢¢dolgotrajne¢¢ poškodbe. Trenutne poškodbe so tiste, pri katerih se maksimalni učinek zgodi v nekem kratkem času, dolgotrajne poškodbe pa se zgodijo v neki časovni periodi in se akumulirajo iz dneva v dan. Razumno je, da bi lahko trenutne poškodbe predvideli oziroma pričakovali, vendar pa lahko tudi takšne poškodbe vodijo do drugačnih simptomov, ki se pozneje izkažejo kot dolgotrajna poškodba.

2.6.1. Psihološki odzivi na vibracije celotnega telesa

Psihologija je znanost ali fenomen, ki proučuje duševnost živih bitij. Psihološki odziv na vibracije se lahko kaže kot sprememba v normalnem psihološkem ritmu zaradi vibracij, ki pa se ponavadi kažejo kot kratkoročne spremembe (sprememba srčnega utripa). Specifični psihološki efekti zaradi izpostavljenosti vibracijam se lahko kažejo kot posledice na srčnem ožilju, dihalih, metabolizmu, motoričnih sposobnostih, senzoričnih sposobnostih, na centralnem živčnem sistemu in skeletu.

· Motorične sposobnosti

Dolgo je že znano, da imajo vibracije mišic ali kit posledice na normalno delovanje človekovih funkcij. Narejene so bile raziskave, kako je refleksna kontrakcija mišice povezana s frekvenco in amplitudo vibracij. Zaključili so, da je fenomen enak refleksu raztezanja.

Pri nizkih frekvencah lahko opazimo sinhronizacijo med valovi vibracije in motoričnim delovanjem mišic. Pri frekvenci 100 Hz nam vibracija bicepsov in tricepsov da občutek, kot da se mišice raztezajo. Vibracije imajo lahko tudi zdravilen pomen kot primer pri fizioterapiji, saj nam zakrčene mišice pomagajo sprostiti.

Pri raziskavah vibracij v vozilu so ugotovili, da frekvence od 10 – 30 Hz zelo slabo vplivajo na refleksne sposobnosti osebe.

· Senzorične sposobnosti

V ruski literaturi je bilo mogoče zaslediti, da se iluzije gibanja ali neravnotežje pojavita zaradi visokih vibracij orodij (pnevmatska kladiva, električne lopate, visoki žerjavi). Glavna naloga vestibularnega aparata je, da zazna rotacijo in translacijo gibanja glave. Pri nižjih frekvencah ima vestibularni aparat to zmožnost, da se gibanja lahko navadi, tako da lahko mornarji še vedno čutijo gibanje, čeprav so na trdih tleh. Pri višjih frekvencah pa izgubimo občutek za translacijo in rotacijo, saj aparat ne more več slediti gibanju.

2.6.2. Patološki odziv na vibracije celotnega telesa

Patologija je znanost ki proučuje bolezni v povezavi z naravo in delovanjem pri nenormalnih pogojih; vključuje tudi strukturne in funkcionalne spremembe, kot posledico obolenja.

Eksperiment je bil narejen na človeku, ki je bil izpostavljen vertikalnim vibracijam s frekvenco 25 Hz in amplitudo pospeška 3g do 10g. Frekvenca 10 Hz je povzročila bolečine v prsnem košu, medtem ko je 15 minutno nihanje s 25 Hz povzročilo notranje želočne krvavitve (notranje krvavitve so v povezavi z vibracijam redke) .

Pri kratkotrajnih vibracijah je bil subjekt izpostavljen frekvenci od 1 – 15 Hz, višina nihanja pa se je povečevala do tolerančne vrednosti. Mejne vrednosti amplitude pospeška so bile 2g pri 4 – 8 Hz, 3.5 g pri 1 Hz in 6.5g pri 20 Hz. V splošnem so se pri frekvencah, manjših od 4 Hz pojavile težave z dihanjem, pri frekvencah med 3 in 10 Hz, pa so se pojavile tudi bolečine v prsnem košu. Pri eksperimentu so bile uporabljene vibracije z višjimi amplitudami, kot pa je to normalno (običajno), vendar pa se lahko pri nižjih vrednostih ter daljšem trajanju zgodijo podobne, ali celo hujše poškodbe. Priporočljivo pa je, da se izogibamo frekvencam, ki se enake lastnim frekvencam notranjih organov.

2.6.3. Preprečitev poškodb zaradi vibracij na celotno telo

Preprečevanje poškodbe se mora najprej začeti z identifikacijo problema. To največkrat zajema merjenje vibracij. Vrednotenje izmerjenih rezultatov bo pokazalo, ali lahko sploh pričakujemo kakršno koli zdravstveno težavo zaradi vibracij. Če so vibracije zdravju škodljive, je najboljši ukrep, da odstranimo, ali pa zmanjšamo intenziteto vira vibracij (posodobljenje opreme). Vendar pa se tak pristop včasih izkaže kot nepraktičen in neučinkovit. Nadaljna rešitev je izoliranje človeka od vibracij. Potrebne so meritve ter ponovna ocena škodljivosti za zdravje.

Dostikrat je za bolečine zaslužna slaba drža telesa. Ko je hrbtenica sključena, vretenca niso več paralelna s hrbtno površino, tako da so sile na vretencih večje (lokalne), kot pri normalni drži. To lahko delno preprečimo z ergonomsko oblikovanimi sedeži, saj naj bi bilo delavcu zagotovljeno, da lahko svoje delo opravlja v sedečem položaju.

Splošno je predlagano, da se vsakemu delavcu, ki je izpostavljen vibracijam, pove tveganja ter možne zdravstvene težave zaradi vibracij. Največkrat pa človek sam vpliva, kako močnim vibracijam bo izpostavljen. Če vozimo vozilo z zmerno in prilagojeno hitrostjo, bomo izpostavljeni manjšim vibracijam in s tem ugodnejši vožnji.

2.7. Bolezen zaradi gibanja (Motion sickness)

Kakor pravi rek ’’vse je v glavi’’, lahko gibanje povzroči pravo zmešnjavo v njej. Zaradi možnost potovanja z različnimi transportnimi sredstvi, so se za bolezni pri potovanju prijela različna imena: morska bolezen, bolezen pri vožnji z avtomobilom ali avionom, potovalna bolezen in podobne. Morska bolezen da osebi občutek nemoči, tako za trenutek onemogoči delovanje nekaterih funkcij.

2.7.1. Simptomi bolezni

Najbolj razpoznaven znak je bljuvanje, ki pa ni nujno da je prvi simptom, ali najbolj pogost. Nekaj ljudi trpi za to boleznijo, vendar pa ne kažejo znakov z bljuvanjem. Bljuvanje je čisto naravna reakcija telesa. Senzorika, ki kontrolira gibanje telesa, lahko poda napačno orientacijo. Bljuvanje je zato najbolj primeren pojav za preživetje, vendar pa je lahko za nekatere to že prepozno.

Simptomi varirajo od vsakega posameznika posebej ter od okolja, v katerem se nahaja. Verjetno je najbolj znan simptom tri – dimenzionalna iluzija. Ko se simptom razvije, lahko pride do zehanja, neenakomernega dihanja, občutka toplote in vrtoglavice ter potenja. Do bolezni lahko pride po nekaj minutah, lahko pa se razvije šele po nekaj urah.

2.7.2. Vzroki bolezni

Zgodovinsko je znano, da lahko morsko bolezen povzroči jadranje po morju. Ko pa se je bolezen pokazala tudi pri drugih načinih transporta ali celo pri gledanju filma, ki vsebuje ustrezno vizualno nihanje, je postala morska bolezen le ena vrsta bolezni zaradi gibanja. Najprej so mislili, da bolezen nastane zaradi nihanja organov ali krvi, ko pa se je pojavila samo pri gledanju objekta ki niha, je bila ta teorija zavržena. Zavedati pa se moramo, da je lahko v nekaterih primerih bolezen samo psihološki problem.

Nekatere osebe lahko ob gledanju ladje dobijo morsko bolezen ravno tako, kot če bi bili na njej. Razvidno je, da gibanje telesa ni edina provokacija za nastanek bolezni. Izkaže se, da je problem verjetnejši, če simuliramo realno gibanje nekega objekta (simulacija vožnje).

Gibanje telesa ne občutimo samo preko vizualnih ali vestibularnih sistemov, ampak tudi preko občutka sil, ki delujejo na telo. Somatološki sistem zaznava sile in premike, ki delujejo na telo in tako daje občutek gibanja telesa. Točno ne moremo napovedati, kateri od sistemov (vizualni, vestibularni ali somatološki) se bo prvi odzval v določeni situaciji in povzročil bolezen. Če imamo oči odprte in gledamo stacionarni objekt, lahko dostikrat začutimo (preko vida) nizke frekvence, ki delujejo na telo, še preden jih zazna vestibularni ali somatološki sistem. Občutljivost na gibanje se razlikuje od vsake osebe ter od okolja, v katerem se oseba nahaja. Vzrok za različno občutljivost je lahko psihološki, lahko je odvisen od izkušenj,..

Bolezen se pojavi pri gibanju z nizkimi frekvencami (1Hz) in položajem telesa, pri katerem trup prenese večino translacij v gornje dele telesa (pomembno je gibanje glave). Na bolezen lahko vpliva tudi orientacija telesa in glave glede na smer nihaja.

Dva večja izvora različnih individualnih občutkov sta starost in spol. Dojenčki ne trpijo za boleznijo gibanja (nekateri avtorji pravijo da do 2. leta). Občutljivost naj bi bila največja od 2. do 12. leta, nato pa naj bi pojemala. Iz eksperimentov so tudi ugotovili, da je žensko telo bolj občutljivo kot moško (razmerje 5:3 v korist moških).

[ Slovarček: Vestibularen – ravnotežni organ; Somatologija - veda o človeškem telesu ]

2.7.3. Bolezen gibanja zaradi vožnje v vozilih

Indikacija bolezni se zelo spreminja od okolja, vendar pa je znano, da je večina ljudi izpostavljena vibracijam v avtomobilu. Raziskave so pokazale, da je 58% ljudi že začutilo slabost pri vožnji, 33% ljudi jih je že celo bljuvalo do dvanajstega leta starosti. Izven cestna vozila, kot so tanki, so lahko zelo neprijetna, kar se tiče slabosti, vendar pa o boleznih ni podatkov.

V kontekstu senzorike je lahko identifikacija bolezni v vozilih odvisna od mnogih parametrov. Lahko se pojavi:

· vizualno–vestibularni efekt, če ne vidimo ven iz avtomobila

· kanalno–otolitni efekt, če premikamo glavo med pospeševanjem

· kanalno–otolitni efekt, ob prisotnosti nizkih frekvenc translacijskega nihanja

Široko razširjena predvidevanja, da nizke frekvence vertikalnega nihanja vozila povzročijo slabost, je osnovana na opazovanjih, da podobno nihanje povzroča slabost na ladjah. Vertikalna nihanja se v območju pod 0.5 Hz ne razlikujejo veliko za različne tipe vozil. Razlika se opazi pri frekvencah od 1 – 2 Hz in višjih. Pospeški pri frekvencah od 0.1 – 0.5 Hz so znatno nižji, kot pa bi jih pričakovali za povzročitev slabosti. V avtomobilu so prisotna še horizontalna nihanja (odvisna od avtomobila, ceste in voznika), ki imajo večje vrednosti pospeškov, kot pa vertikalna nihanja v tem frekvenčnem razredu. Čeprav so horizontalna nihanja prisotna, se pojavi dvom, če lahko povzročijo slabost.

Pri eksperimentu v katerem so ponavljajoče zavirali vozilo, so potnika izpostavili trem različnim pogojem: odprte oči, zaprte oči ter odprte oči vendar pokrite z škatlo na kateri je bil zemljevid, ki ga je sopotnik lahko videl (ustvarili stacionarnost). Najmanjšo občutljivost je potnik pokazal pri odprtih očeh, največjo pa, ko je bil pokrit z škatlo.

V relaciji s senzoriko lahko zaključimo, da lahko gibalno bolezen pri vožnji vozila obravnavamo kot vizualno–kanalni–otolitni konflikt s poudarkom na pogojih, v katerih se nahaja oseba.

[ Slovarček: Otolit - drobci anorganskih snovi v ravnotežnem organu; ravnotežni kamenčki]

2.9 Biodinamika telesa

Razumevanje načina, kako se vibracija prenaša skozi telo, nam lahko pomaga pri razumevanju, kako vibracija vpliva na človekovo neugodje in zdravje. Poznavanje je pomembno tudi zaradi ustreznih ukrepov, ki vključujejo izoliranje telesa ter zmanjšanja vibracij v tistem delu telesa, kjer lahko povzročijo poškodbe ali slabost (zmanjšamo lahko: premik, hitrost, pospešek, sunek, silo v neki točki). Telo je zelo kompleksni sistem, zato ima mnogo lastnih frekvenc, tako da so lahko nekatere frekvence za telo zelo nevarne. Kot primer, za frekvenco 5 Hz so ugotovili, da je to lastna frekvenca hrbtenice.

2.9.1 Meritve dinamičnih odzivov

Meritve dinamičnih odzivov so predstavljene kot prenosne funkcije. Prenosna funkcija je lahko fazna, ali amplitudna [MO3] . Pri fazni funkciji lahko opazujemo časovne zamike med dvema merjenima pozicijama. Ponavadi pa funkcija zajema obe spremenljivki, tako fazo kot amplitudo.

V najenostavnejšem primeru je telo pri merjenju izpostavljeno sinusnem nihanju z eno frekvenco, podana pa so razmerja med fazo in amplitudo dveh signalov.

Drugi način merjenja pa je, ko imamo podan odziv kot X(t) = X₀ sin (at² + bt). Takšna metoda je dosti hitrejša, kot pa če uporabljamo metodo z diskretnim sinusnim nihanjem, vendar pa nam ne poda faznega zamika.

2.9.2. Prenosnost telesa

Večina raziskav, ki proučujejo prenosnost vibracij skozi telo, se ukvarja s povezavo med vertikalnimi vibracijami sedala ter rezultirajočo vertikalno vibracijo glave, saj je to najbolj življenjsko pomemben del telesa. Sprva so hoteli povezati gibanje glave z neugodjem, vendar pa se je izkazalo, da je ta korelacija slaba. Podatek o prenosnosti sedež – glava, je lahko le dobra izhodiščna točka za bolj natančne in uporabne meritve.

Na sliki 5 lahko vidimo grafe dvanajstih meritev prenosa vibracij sedala (z - os) na glavo, kjer merimo vseh šest osi (tri rotacije in tri translacije). Prenos vibracij sedež - glava je največji v z-osi, x-osi in rotaciji glave okoli y-osi (pitch). Največji premik glave je pri nizkih frekvencah.

Slika 5: Prenos vibracij iz sedala na glavo[MO4]

Različice prenosa med sedežem in glavo so v glavnem odvisne od položaja telesa, glave in udov. Ugotavljali so, kako kot glave vpliva na prenosnost do 30 Hz med sedežem in glavo. Rezultati so pokazali, da dviganje in spuščanje glave spreminja nihanja glave okoli y-osi. Za položaj glave pri kotu 20⁰ nad horizontalno lego je povečanje vertikalnih vibracij zelo opazno pri 5 Hz, medtem ko se prenosnost vibracij zniža pri spuščenem položaju glave.

Pri študiji, v kateri so upoštevali položaj glave, medenice in hrbta so ugotovili, da pri vzravnani drži na sedežu brez hrbtišča, pri frekvenci nad 6 Hz ali kasnejši nagib medenice in nagib gornjega dela hrbta, povečuje prenosnost vibracij. Pri frekvencah pod 6 Hz pa smo lahko opazili samodejno zravnanje hrbta. Podobne rezultate so dobili pri sedežu z naslonjalom.

Zaključili so, da anatomično pravilna drža pri sedenju (raven hrbet) povečuje prenosnost vibracij na glavo pri višjih frekvencah, pri nižjih frekvencah pa se prenosnost vibracij zmanjša (nihanja glave so manjša).

· Model za izračun

Za prenosnost vertikalnih vibracij preko sedeža na glavo lahko uporabimo model s štirimi prostostnimi stopnjami. Model je primeren tako za sedečo, kot za stoječo osebo in ga lahko uporabimo do frekvence 31.5 Hz

Slika 7: Model za računanje prenosnosti vibracij preko sedeža na glavo

2.10. Dinamika sedenja – sedeža

Študiranje vibracij na celotno telo in efektov udobja ter zdravja je odvisno od distribucije nihanj na telo. Ta porazdelitev je odvisna od položaja telesa, smeri vibracij in vmesnih ploskev med telesom in okolico. Če oseba sedi na togem stolu, lahko merimo nihanja v katerikoli točki stola. Telo je v stiku s togim stolom samo v nekaj točkah, tako da je pritisk toliko večji. Da bi to preprečili, so stoli podloženi ter imajo ergonomsko obliko.

Sedeži so v večini primerov namenjeni velikemu številu uporabnikov, za opravljanje različnih nalog (različni položaji na stolu), zato je težko narediti optimalen sedež. Raziskave so pokazale, da rebraste prevleke zvečajo obtok krvi v nogah, tako da so zelo primerne za dolgotrajna sedenja. Glavna naloga sedeža je, da zmanjša vibracije, ki bi se prenesle na telo. Trije faktorji zagotavljajo največjo dinamično učinkovitost sedeža: karakteristika vibracij, dinamični odziv sedeža in odziv človeškega telesa. Na primer, stopnja, do katere lahko sedež prenese vertikalne vibracije do okoli 4 Hz, bo velikega pomena za hrbtenico ali za opravljanje dokaj natančnih del med sedenjem. Vibracija lahko povzroči nihanje v katerikoli osi, zato moramo z oblikovanjem stola zmanjšati vibracije v dominantnih smereh nihanja (oseh), zato sedež, ki je optimalno narejen za določeno vozilo, ni nujno optimalen za drugo vozilo.

2.10.1. Merjenje prenosnosti stola

Najbolj direktna metoda merjenja prenosnosti sedeža je, če primerjamo amplitudo pospeška sedeža z amplitudo pospeška na osnovi, na kateri je sedež pritrjen.

Prenosnost vibracij sedeža v vozilih je lahko določena z signali pospeškomerov, ki so nameščeni na pritrdilni steni sedeža – tla (baza sedeža). Meritve lahko izvajamo v vseh oseh ali točkah, vendar pa se večina študij nanaša na vertikalna nihanja, oziroma na prenosnost od baze sedeža do hrbta (križa). Vedeti moramo, da lahko nihanje v eni osi povzroči nihanja v ostalih oseh, ali celo vpliva na prenosnost v ostalih oseh.

Večina vozil povzroča vibracije s frekvenco 4 Hz. Najbolj normalen način za dosego izolacije stola je, da zmanjšamo lastno frekvenco stola pod frekvenco obratovanja. To lahko dosežemo z zmanjšanjem togosti stola, druga rešitev pa je vzmetenje sedežev. Poves stola (pri uporabi vzmetenja) je v večini primerov omejen na 100 mm vertikalnega premika. Normalni sedeži (brez vzmetenja) imajo lastno frekvenco okoli 5 Hz, sedeži z vzmetenjem pa zmanjšajo lastno frekvenco na 3 Hz, če pa je sedež narejen iz umetnih materialov se frekvenca zniža na približno 2 Hz.

2.11. Metode merjenja in ovrednotenja vibracij celotnega telesa

Zmožnost, da lahko izmerimo opazovanja in izkušnje, je privedla do večjega razumevanja problematike. Metode za merjenje in ovrednotenje rezultatov v povezavi s človeškim odzivom morajo biti točno definirane. Obstaja pet principelnih razlogov za merjenje nihanj, katerim je izpostavljen človek:

· Zagotovitev enostavne, standardizirane dokumentacije o pogojih vibracij

· Določitev tistih aspektov vibracij, ki bi bile najbolj koristne za zmanjšanje

· Zagotovitev podatkov, s katerimi lahko primerjamo alternativni okolji med seboj

· Za predikcijo efektov, ki lahko povzročijo neugodje ter škodljivost zdravju

· Za primerjavo situacije z mejnimi limitami nihanj

Pri merjenju vibracij v povezavi stol – telo so pretvorniki nameščeni med telesom in stolom. Pospeškomeri se morajo gibati z vmesno ploskvijo (med stolom in telesom), ker ne smejo spremeniti dinamičnih karakteristik stola ali telesa. Imeti morajo zelo majhno impedanco gibanja. Gibanja stopal sedeče osebe so lahko merjena z namestitvijo pospeškomerov na podlago, ki podpira noge.

Težava pri merjenju na tleh je v tem, da ne poznamo fiksne pozicije osebe (vozilo, stavba). Idealno bi morale biti meritve narejene čim bliže stopalom. Če so tla pokrita s preprogo, ki ni toga, je potrebno namestiti pospeškomere v vmesni ploskvi med stopali in preprogo, vendar pa v praksi dostikrat privzamemo togo preprogo. Rotacijska gibanja povzročijo translatorne premike, ki pa se večajo z večanjem oddaljenosti od središča rotacije.

2.12.1. Cestna vozila

Zadnja tehnologija izvedbe dinamičnih modelov, ki lahko predvidi obnašanje vozila še preden je izdelan, je prisilila izdelovalce, da razvijejo metode za ugotavljanje udobnosti vožnje. Takšni računalniški modeli lahko predvidijo pospeške ter frekvence v vozilu še v stanju izdelave.

Na sliki 8 lahko vidimo meritve, ki so bile opravljene na vozniku majhnega avtobusa za 12 osi vibracij. Voznik je bil izpostavljen vibracijam 60 s. Vrednosti med vožnjo pri nihanju z 10 Hz v z-osi sedeža v posameznih točkah so: translacija sedeža 0.450 ms^-2 r.m.s.; rotacija sedeža 0.261 ms^-2 r.m.s.; translacija stopal 0.197 ms^-2 r.m.s.. Vsesplošna ocena je podana z seštevkom kvadratov vrednosti v vseh 12 koordinatah, pod korenom in znaša 0.665 ms^-2 r.m.s..

Slika 8: Meritve opravljene na vozniku avtobusa [MO5]