书城建筑人体工程学与建筑环境设计
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第10章 肢体的运动出力

2.4.1 人体运动系统

人体运动系统的生理特点关系到人的姿势、人体的功能尺寸和人体活动的空间尺度,从而影响家具、设备、操作装置和支撑物的设计。人体的运动系统由骨骼、关节和肌肉组成。

1.骨骼

骨骼是人体的支架。人体有206块骨头,占人体干重的60%。它们一块一块地连接在一起组成了骨骼支撑人体,也决定了人体的基本形,尤其是脊椎骨。

人骨按形状分为长骨、短骨和扁骨。骨骼的联结方式有两种,一是通过韧带和软骨直接连接,其活动性很小或不能活动,如颅顶骨连接使之形成了完整的头盖骨;另一种是通过关节的间接连接,连接处活动灵活,如上肢骨和肩胛骨的联结等。

人的骨骼也可分为中轴骨和四肢骨两大部分。中轴骨包括颅骨、脊柱、胸骨和肋骨,是人体的支架大梁,保护着重要的脏器和中枢神经系统;四肢骨骼是人体运动系统的重要组成部分,肌肉附着于四肢骨上,根据大脑指令进行收缩、牵动骨骼完成运动功能。

2.肌肉

肌肉是人体运动系统的动力。人的全身有639块肌肉,占体干重的40%。肌肉分骨骼肌、平滑肌和心肌三类。骨骼肌有两种作用,一是静力作用,如维持站立姿势,肌肉通过杠杆作用与地球重力抗衡,保持一种静态平衡;另一种是动力作用,肌肉收缩产生哭、笑、走、跑等动作,反映了人的心理活动和空间状态。

3.关节和韧带

关节是人体杠杆的重要连结方式和连接结构。关节结构主要包括关节面、关节囊和关节腔三部分。在关节的内外还有一些韧带帮助维持关节的稳定性和防止关节异常活动。不同部位的关节功能不同,结构也不同。如提拉重物时,肘关节是向内活动;为使腿后蹬有力,膝关节只能向后屈等。

骨骼、关节和肌肉的共同作用完成了人体的各种动作和活动。如果室内局部设计不合理或不符合人体运动的科学规律,就会对人体造成伤害。

2.4.2 人体力学

1.人体骨骼力学模型

人体运动系统的各个组成部分造就了人的空间形态,也维持了人的内力和重力平衡。它类似一个“钢筋混凝土空间结构”,骨骼好比“钢筋”,肌肉好比“混凝土”,它们共同作用,不仅支撑人体各个器官,还承担外来的负荷。而各种力的传递就是通过关节和韧带来实现的。

人体重力最后主要传至足上,人下肢骨的结构则巧妙地适应了这一点。足弓部像三脚架一样支撑着整个身体,把踝部传来的重力传到三点上,结构非常合理。足弓还可以缓冲行走对人体产生的振荡和冲击。

2.力的传递

由于人体姿势不同,人体内力和重力传递路线也不同。各支撑面的压力线分布不同,压力大小也不同。故在支撑面设计,如家具的椅面、床垫等,应该力求使压力均匀分布,即变“集中荷载”为“均匀荷载”,以满足人体的舒适要求。

不同的人体姿势下的负荷,也导致脊椎骨内力分布的变化。由此可见,适合的工作面高度可减少脊椎不必要的弯曲,以免引起腰肌劳损。

人在工作、生活中要接触和控制很多操纵器具,如拉杆、转盘、钮具、按键、踏板等,这一点,作为一名司机或有开车经验的人会深有体会,因此,工业产品的设计和制造对于人的肢体运动出力的研究就显得非常重要。人的出力特征主要有三点:方向、时间和限度。

相对于人体自身而言,出力方向主要有推力和拉力以及双臂的扭力,其次是手的抓握力和提力,最后是脚的操纵力。如人手在左右移动时推力大于拉力;在前后运动时拉力大于推力。人的出力大小会随着时间的持续而迅速降低,因此,人瞬间发力的数值最大。人肢体的运动出力有极限值,在设计控制装置时,必须考虑人的出力限度,一般应以第5百分位数为设计标准,以免造成操作困难。肢体的出力和空间环境中门的开启和开启方式,各种把手、拉手等设计有很重要的关系。如玻璃地弹门是城市中大部分中、小商场的大门形式、门的开启。

由于构造原因,开门的推力或拉力平均达3kg,最大5kg,以最小值计算,开门做功最小也要达到17.64N,由于施力的原因,人的身体要依靠肩部,肘部和腿部力量才能打开门,门受力的部位除了扶手外,玻璃还要受到肩部或肘部的扛力,所以玻璃容易损坏。对于购物的老年人来说开门极为不便,尤其在他们手中持有商品的情况下。另外,门的扶手设计成抠手,既不方便抓握,人手会因受力大而产生疼痛;又对门玻璃容易造成损坏,发生人身伤残的危险;更何况在冬季,皮肤和金属材料接触会产生冷感,造成心理的不快。这种普遍存在的大门既有损商场形象,又会给消费者带来不便。

3.运动和疲劳

人的室内活动和家务劳动引起的人体运动要消耗大量的体能。据测试,一个家庭主妇每天家务劳动所花费的能量,可超过一般轻工业的工人或邮递员。人的运动是靠肌肉收缩来实现的,收缩就要耗费人的肌力。连续活动到一定限度之后,则会引起人体的疲劳。这也是一种复杂的生理和心理现象。

疲劳的主要特征有:疲劳通过机体的活动产生,通过休息可减轻或消失;人体的耐疲劳能力可以通过疲劳和恢复的重复交替而得到提高;人体能量消耗越多,疲劳的产生和发展越快;疲劳有一定限度,超过限度就会损伤人的肌体。

与室内设计相关的主要是与运动有关的局部尺寸,如楼梯踏步高程和宽度,灶台、洗盆和吊柜的高度,生产流水线各种装配件的位置等等。