36
w w w . e l e k t r o . i n f o . p l
n r 4 / 2 0 0 4
W
pływ specyficznych czynników er-
gonomicznych, występujących
w środowisku pracy, jest ważną przyczy-
ną zwiększającą prawdopodobieństwo
wystąpienia niebezpiecznych skutków
rażenia prądem elektrycznym. Najistot-
niejszym czynnikiem w ochronie prze-
ciwporażeniowej jest wartość prądu ra-
żeniowego, uzależniona od napięcia elek-
trycznego i rzeczywistej impedancji cia-
ła człowieka. Czynniki środowiskowe
mogą powodować zwiększone wydziela-
nie potu, co ma zasadniczy wpływ na ob-
niżenie wartości impedancji elektrycz-
nej ciała człowieka. Istotne staje się do-
kładniejsze poznanie zmian wartości im-
pedancji ciała człowieka, w zależności od
zasadniczych czynników ergonomicz-
nych, do których należy: klimat, hałas
oraz oświetlenie miejsca pracy.
środowisko pracy i jego
wpływ na elektrofi zjologię
Środowisko pracy człowieka często
nie jest stałe i narzuca organizmowi ko-
nieczność przystosowania się do zmian.
Informacje o środowisku zewnętrznym
(klimat, hałas i wrażenia wzrokowe) do-
cierają za pośrednictwem receptorów
czucia do ośrodkowego układu nerwo-
wego człowieka. Potencjał czynnościowy,
pobudzany w receptorach przez środowi-
sko zewnętrzne, jest przekazywany przez
układ włókien nerwowych do kory mó-
zgu człowieka. Główne włókna nerwo-
we łączą ośrodki korowe mózgu z pod-
wzgórzem, bedącym ośrodkiem autono-
micznego układu nerwowego. Podwzgó-
rze to część mózgowia, w której miesz-
czą się ośrodki homeostazy organizmu.
Ośrodki te regulują procesy życiowe czło-
wieka, tak aby różne czynniki nie powo-
dowały przekroczenia fizjologicznie do-
puszczalnych granic.
Organizm człowieka jest wyposażony
w układ termoregulacji utrzymujący sta-
łą temperaturę ciała na poziomie 36,5°C,
bez względu na temperaturę otoczenia.
Warunki mikroklimatu, odbiegające od
granic komfortu stają się dla człowie-
ka uciążliwe i wymagają przeciwdziała-
nia mechanizmów termoregulacyjnych.
Reakcje pobudzane przez ciepło są kon-
trolowane przez podwzgórze, które po-
woduje rozszerzenie naczyń skórnych
i zwiększoną czynność gruczołów po-
towych w skórze człowieka. Intensyw-
ne pocenie się nasączenie zrogowacia-
łej warstwy naskórka elektrolitami za-
wartymi w pocie.
Wrażenia wzrokowe, odebrane przez
człowieka, wpływają na psychikę i na
fizjologię. Przebywanie w warunkach
niedostatecznego oświetlenia, zwłasz-
cza podczas wykonywania pracy, pro-
wadzi do zmęczenia psychicznego.
Odbierane przez narząd wzroku bodź-
ce, związane z oświetleniem, pobudza-
ją receptory znajdujące się w siatkówce
oka. Nerw optyczny przewodzi impulsy
nerwowe od gałki ocznej do ośrodków
wzrokowych kory mózgowej [1]. Ośrodki
wzrokowe kory mózgu, połączone z pod-
wzgórzem, współdziałają z autonomicz-
nym układem nerwowym człowieka.
Wrażenia wzrokowe, związane z uciążli-
wym oświetleniem, pobudzają czynność
podwzgórza, która powodującą zmiany
czynności gruczołów potowych w skó-
rze narażonego człowieka.
W środowisku pracy człowiek często
jest narażony na uciążliwe bodźce aku-
styczne, wytwarzane przez hałas pracu-
jących maszyn. Odbierane przez narząd
słuchu bodźce akustyczne docierają za
pośrednictwem nerwu ślimakowego
do ośrodków słuchowych w korze mó-
zgu. Połączenie ośrodków słuchowych
kory mózgu z pod-
wzgórzem powo-
duje, że odbierane
z środowiska ze-
wnętrznego wra-
żenia akustyczne
wpływają na czyn-
ność gruczołów
potowych skóry.
Istnieją bodźce
akustyczne, które
są uciążliwe nie
tylko ze względu
na swoje natęże-
nie, ale również
z uwagi na swój
charakter. Są to
bodźce o częstotli-
wości przekracza-
jącej 5000 Hz, określane jako zgrzyty, pi-
ski i świsty. Reakcja człowieka na taką
częstotliwość dźwięku wywołuje poja-
wienie się gęsiej skórki, dreszczy oraz
zmianę parametrów fizycznych skóry.
W środowisku człowieka, oprócz nara-
żeń czynnikami ergonomicznymi, wystę-
pują narażenia bodźcami emocjonalny-
mi. Emocje działające na ośrodkowe i ob-
wodowe drogi układu nerwowego czło-
wieka obejmują: postrzeganie, świado-
mość wrażeń i efekt wzruszenia się. Pod-
wzgórze steruje emocjami i ich powsta-
waniem. Stany emocjonalne powodują
w organizmie wzrost ciśnienia tętnicze-
go krwi i pobudzają gruczoły potowe skó-
ry do wydzielania potu. Między fizjologią
Tabela 1 Wartości impedancji standardowej Z
o
ciała człowieka w (kW)
Napi
ęcie
ra
żeniowe
Klimat (
o
K
w
)
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
24 V
18,6
24,4
31,2
38,8
47,4
57,0
68,2
79,2
91,9
105
120
136
153
171
191
42 V
15,5
20,3
25,9
32,2
39,3
47,3
56,6
65,7
76,2
87,7
100
113
127
142
158
127 V
10,7
14,0
17,9
22,3
27,2
32,7
39,1
45,4
52,7
60,6
69,1
78,2
88,0
98,5
109
220 V
8,9
11,7
14,9
18,5
22,6
27,2
32,6
37,8
43,8
50,4
57,5
65,1
73,3
82,0
91,3
500 V
6,7
8,8
11,3
14,0
17,2
20,7
24,8
28,8
33,4
38,4
43,7
49,5
55,7
62,4
69,4
Rys. 1 Schemat oddziaływania bodźców środowiska pracy na im-
pedancję ciała człowieka
o c h r o n a
p r z e c i w p o r a
ż e n i o w a
wp
ływ czynników
ergonomicznych
środowiska
pracy na zmian
ę impedancji ciała
cz
łowieka
dr in
ż. Stefan Gierlotka - Kopalnia „Wujek” Katowice
n r 4 / 2 0 0 4
37
w w w . e l e k t r o . i n f o . p l
skóry a psychiką człowieka istnieją wza-
jemne związki. Pod wpływem warunków
środowiskowych i czynników psychicz-
nych uwidaczniają się zmiany parame-
trów fizycznych ciała człowieka. Impe-
dancja ciała człowieka zależy od czynni-
ków biologicznych i warunkuje ją głów-
nie impedancja skóry. W klimacie cie-
płym i pod wpływem wrażeń zmysło-
wych następuje obfite pocenie się, wy-
wołujące napełnienie potem kanalików
potowych w naskórku. Stopień napełnie-
nia potem przewodzącym kanalików po-
towych w naskórku, wpływa na wartość
impedancji ciała człowieka. Wpływ bodź-
ców środowiska pracy na zmianę warto-
ści impedancji ciała człowieka pokazano
na rysunku 1.
metoda impedancji
standardowej
Większość badań impedancji ciała
człowieka, przeprowadzonych przez
różnych badaczy, była wykonywana
na pomiarowej drodze rażenia: ręka
– ręka lub ręka – noga. Uwzględniając
zwiększone zagrożenie porażenia prą-
dem w uciążliwym środowisku pracy,
zwłaszcza w trudnych warunkach kli-
matycznych, wykonywanie „in vivo”
pomiarów impedancji ciała człowie-
ka na drodze rażenia: ręka-ręka lub
ręka-noga, uważa się za zbyt ryzykow-
ne. Opracowano metodę badań zjawisk
elektropatologicznych, która pozwa-
la w sposób możliwie najbezpieczniej-
szy wykonać pomiary impedancji ciała
człowieka. W metodzie tej, zwanej „me-
todą impedancji standardowej”, za drogę
empirycznego rażenia przyjmuje się od-
cinek od opuszka palca środkowego do
opuszka kciuka tej samej ręki. Metoda
ta została zweryfikowana zgodnie z za-
sadami statystyki matematycznej i zaak-
ceptowana do badań elektrofizjologicz-
nych [2]. W celu wyznaczenia rzeczywi-
stej wartości impedancji ciała, wprowa-
dzono współczynnik transformacji x, po-
zwalający przeliczyć wartość empirycz-
ną impedancji ciała Z
o
, zależnie od drogi
przepływu prądu rażeniowego.
Z =
Z
O
ξ
w której:
Z - wartość rzeczywista impedancji ciała
człowieka (kW),
Z
o
- wartość impedancji standardowej
ciała człowieka zmierzona na odcinku
rażenia od opuszka palca środkowego
do opuszka kciuka (kW),
x - współczynnik transformacji zależny
od drogi rażenia, który wynosi na dro-
dze ręka - ręka x = 6; ręka - nogi x = 10;
ręka - plecy x = 9.
Wykonywanie badań parametrów
elektrofizjologicznych człowieka stano-
wi bardzo złożony problem, ze wzglę-
du na ich dużą zmienność. W związku
z tym, możliwe jest w tylko statystyczne
ujęcie ich, ponieważ mierzone wartości
impedancji są zmiennymi losowymi.
warunki klimatyczne
środowiska i ich wpływ na
impedancję ciała człowieka
Samopoczucie i szybkość występowa-
nia zmęczenia oraz intensywność poce-
nia się człowieka zależą od klimatu, czy-
li od wzajemnego układu m.in. tempe-
ratury, wilgotności i prędkości powie-
trza w pomieszczeniu. Stan warunków
klimatycznych ocenia się katatermome-
trem [3], czyli termometrem alkoholo-
wym o rozszerzonej u góry rurce kapi-
larnej z oznaczonymi na kapilarze tem-
peraturami 35
0
C i 38
0
C. Średnia tempe-
ratura katatermometru wynosi 36,5
0
C,
co odpowiada normalnej temperaturze
ciała człowieka. Umowną jednostką sta-
nu warunków klimatycznych jest „kata-
stopień wilgotny” (
0
K
w
), odpowiadają-
cy ilości ciepła odbieranego z 1 cm
2
po-
wierzchni ciała w jednej sekundzie, przy
temperaturze 36,5
0
C. Normalne warun-
ki klimatyczne istnieją wówczas, gdy ich
stan zawiera się w granicach od 11 do 17
Rys. 2 Wpływ klimatu (K) i napięcia ra-
żenia (U) na wartość impedancji
ciała człowieka na drodze rażenia
ręka - nogi
38
w w w . e l e k t r o . i n f o . p l
n r 4 / 2 0 0 4
x - współczynnik drogi rażenia: ręka -
ręka x = 6; ręka - nogi x = 10; ręka -
plecy x = 9.
Wartość impedancji ciała człowieka
zmienia się w czasie wykonywania pra-
cy w warunkach niewłaściwego oświe-
tlenia. Wyniki badań wpływu czasu na
zmianę wartości impedancji ciała elek-
tromonterów pracujących w podzie-
miach kopalni, podczas prac łączenio-
wych kabli elektroenergetycznych po-
kazano na rys. 6. Stanowisko pracy było
oświetlone światłem o natężeniu mniej-
szym niż zalecane 200 lx do tej pracy. Po-
kazano względną zależność (Z/Z’) warto-
ści średniej impedancji ciała (Z) w czasie
pracy do wartości początkowej impedan-
cji ciała (Z’) przed rozpoczęciem pracy.
wpływ hałasu środowiska
pracy na impedancję ciała
człowieka
Hałas występujący w środowisku
pracy charakteryzuje się różnym od-
działywaniem biologicznym na czło-
wieka, w zależności od jego częstotli-
wości. Uciążliwość hałasu zależy od jego
natężenia i od czasu oddziaływania na
człowieka. Częstotliwość dźwięków sły-
szanych przez człowieka zawarta jest
w przedziale od 16 Hz do 16 kHz [1].
Największa wrażliwość słuchu człowie-
ka odpowiada zakresowi częstotliwości
1000 - 4000 Hz. Dopuszczalny poziom
ekspozycji hałasu na człowieka odnie-
siony do 8-godzinnego dnia pracy, ze
względu na ochronę słuchu, nie powi-
nien przekroczyć 85 dB.
Dla poznania wpływu hałasu na im-
pedancję ciała przeprowadzono bada-
nia w komorze audiometrycznej, wy-
posażonej w generator tonów o za-
kresie częstotliwości od 250 Hz do
katastopni wilgotnych.
Zależności zmian impedancji ciała
człowieka od zmian napięcia rażenio-
wego i zmian klimatu zostały określo-
ne badaniami wykonanymi w wyrobi-
skach dołowych kopalni o różnym kli-
macie. Wartość impedancji ciała czło-
wieka, która jest korelacyjnie zależ-
na od wartości klimatu i napięcia ra-
żeniowego oraz spełnia warunki sto-
chastycznej zależności, została opisa-
na równaniem:
Z =
Z
=
0,45
K
O
2,3
ξ
ξ
×
⋅ U
3
w której:
Z - impedancja ciała człowieka (kW),
Z
o
- wartość impedancji standardowej cia-
ła człowieka (kW),
K - klimat w (
o
K
w
) katastopniach,
U - napięcie rażeniowe (V),
x - współczynnik drogi rażenia: ręka -
ręka x = 6, ręka - nogi x = 10; ręka -
plecy x = 9.
Graficzny przebieg funkcji im-
pedancji ciała, zależnie od klimatu
i napięcia rażeniowego dla dróg ra-
żeniowych ręka – nogi, ręka – ręka,
ręka – tułów, pokazano na rysun-
kach 2, 3, 4.
wpływ natężenia
oświetlenia w miejscu
pracy na impedancję ciała
człowieka
Oświetlenie miejsca pracy, zależne
od wykonywanej czynności, wpływa na
wystąpienie reakcji psychotropowych
i fizjologicznych jego organizmu. Oko
ludzkie ma zdolność przystosowania
się do zmiennych warunków oświetle-
nia. W środowisku, w którym luminan-
cja obserwowanego obiektu nadmiernie
przewyższa luminancję otoczenia, czło-
wiek odczuwa zmęczenie oczu, a do-
kładność percepcji wzrokowej jest upo-
śledzona. Gdy osoba przebywająca w sła-
bo oświetlonym otoczeniu przejdzie do
otoczenia jaskrawo oświetlonego, odbie-
ra światło bardziej intensywne i nieprzy-
jemnie jaskrawe dopóty, dopóki oczy nie
dostosują się do nadmiernego oświetle-
nia. Czas adaptacji do światła trwa około
5 minut [1]. Zachodzące w czasie adapta-
cji procesy w układzie nerwowym czło-
wieka powodują zmiany czynności gru-
czołów w skórze człowieka, co wpływa
na stopień napełnienia kanalików poto-
wych i wartość impedancji ciała.
Oddziaływania bodźców świetlnych
na organizm człowieka poznano, mie-
rząc wartości impedancji jego ciała w cza-
sie trwania adaptacji wzroku do światła
o natężeniu: od 40 do 350 luksów. Po-
miar wartości impedancji ciała wyko-
nywano podczas narażania światłem
o określonym natężeniu wzroku osób,
które wcześniej przebywały w ciemno-
ści. Przebieg zmian wartości impedan-
cji standardowej ciała w czasie ekspo-
zycji bodźcem świetlnym o określonym
natężeniu dla napięcia pomiarowego 27
V pokazano na rysunku 5.
Z badań wynika, że wartość impe-
dancji ciała człowieka o wzroku przywy-
kłym do ciemności po narażeniu bodź-
cem świetlnym maleje w ciągu 120 s.
Najmniejszą wartość impedancja osiąga
po czasie 60 do 120 s, po czym znowu
wzrasta i po czasie 420 s osiąga wartość
maksymalną. Ponieważ funkcja zmian
impedancji ciała od natężenia oświe-
tlenia i czasu adaptacji osiąga wartości
eksperymentalne między 60 a 120 s na-
rażenia, analityczną zależność wyznaczo-
no dla tych warunków. Zależność impe-
dancji ciała od warunków oświetlenio-
wych określa równanie:
Z =
0,45
K
2,3
×
−
⋅
0 05
3
,
E
U
ξ
w której:
Z – wartość impedancji ciała człowie-
ka (kW),
E - natężenie oświetlenia (lx),
K – klimat w (
0
K
w
) katastopniach,
U - napięcie rażenia (V),
Rys. 5 Zmiana wartości impedancji cia-
ła w czasie ekspozycji bodźcem
świetlnym
Rys. 6 Zmiana impedancji ciała człowieka
w czasie pracy przy różnym natęże-
niu oświetlenia stanowiska pracy: Z
- impedancja ciała w czasie badań,
Z’ – początkowa impedancja ciała
przed badaniami, t – czas badań (h)
Tabela 2 Wartości impedancji Z
o
ciała człowieka (kW) w zależności od częstotliwości i poziomu natężenia dźwięku
Cz
ęstotliwość
Poziom nat
ężenia dźwięku
d
źwięku
(Hz)
50 dB
60 dB
70 dB
80 dB
90 dB
100 dB
250
71
64
58
54
49
45
500
67
62
56
52
46
42
1000
64
58
53
48
43
38
2000
63
54
49
44
40
35
3000
59
53
48
43
38
34
4000
58
52
47
42
37
33
6000
56
51
46
41
35
30
8000
56
51
45
40
35
31
10 000
58
52
47
42
37
34
12 000
60
55
49
44
40
35
o c h r o n a
p r z e c i w p o r a
ż e n i o w a
Rys. 3 Wpływ klimatu (K) i napięcia ra-
żenia (U) na wartość impedancji
ciała człowieka na drodze rażenia
ręka - ręka
Rys. 4 Wpływ klimatu (K) i napięcia ra-
żenia (U) na wartość impedancji
ciała człowieka na drodze rażenia
ręka - tułów
n r 4 / 2 0 0 4
39
w w w . e l e k t r o . i n f o . p l
w której:
Z - wartość rzeczywista impedancji cia-
ła (kW),
K - klimat w (
o
K
w
) katastopniach,
L - poziom natężenia dźwięku (dB),
U - napięcie rażeniowe (V),
f - częstotliwość bodźca akustyczne-
go (Hz),
x - współczynnik drogi rażenia: ręka -
ręka x = 6; ręka - nogi x = 10; ręka - ple-
cy x = 9.
Zmiana wartości impedancji ciała
osób narażonych na hałas występu-
je również w czasie narażenia. Bada-
nia wykonane wśród elektromonte-
rów górniczych podczas prac łącze-
niowych wykonywanych w dokuczli-
12 000 Hz, o poziomach natężenia
dźwięku od 50 dB do 100 dB. Pomiar
wartości impedancji ciała osób nara-
żonych zdeterminowanym bodźcem
akustycznym, wykonano po 5-minu-
towej adaptacji na narażenie. Wyni-
ki pomiarów impedancji standardo-
wej ciała (Z
0
), wykonanych w normal-
nych warunkach klimatycznych, wy-
noszących 15 katastopni wilgotnych
i przy rażeniu napięciem 27 V o czę-
stotliwości 50 Hz przedstawiono w ta-
beli 2 oraz na rys. 7. Analityczną za-
leżność impedancji ciała człowieka od
poziomu natężenia dźwięku i często-
tliwości bodźca akustycznego przedsta-
wia zależność:
Z =
0,45
K
2,3
×
−
⋅
−
−
1 3
0 006
7
3
,
,
(
)
Le
U
f
ξ
Rys. 7 Zależność zmian impedancji ciała
człowieka od częstotliwości bodź-
ca akustycznegotorem prądowym
Rys. 8 Zmiana impedancji ciała człowie-
ka podczas wykonywania pracy
w hałasie o natężeniu 85 dB: Z -
impedancja ciała w czasie badań,
Z’ – początkowa impedancja cia-
ła przed badaniami, t – czas ba-
dań (h)
wym hałasie potwierdziły obniżenie
ich wartości impedancji ciała. Zmia-
nę wartości impedancji ciała w cią-
gu 2 godzin pracy w hałasie przedsta-
wia rys. 8. Pokazano zależność warto-
ści względnej impedancji ciała człowie-
ka (Z/Z’) w czasie narażenia hałasem,
w odniesieniu do początkowej warto-
ści impedancji ciała (Z’), przed rozpo-
częciem pracy w narażeniu.
wnioski
Środowisko pracy oraz czynniki zwią-
zane z uciążliwościami ergonomiczny-
mi oraz wysiłkiem pracy wpływają na
czynności gruczołów potowych w skó-
rze człowieka. W klimacie ciepłym na-
stępuje obfite pocenie się, wywołujące
napełnienie potem przewodzącym ka-
nalików potowych w skórze człowieka.
Stopień napełnienia potem kanałów po-
towych w naskórku decyduje o wartości
impedancji ciała człowieka. Niewłaściwe
oświetlenie jest przycztną zmiany warto-
ści impedancji ciała człowieka, w zależ-
ności od rodzaju wykonywanych przez
niego czynności. Działanie hałasu na
organizm człowieka powoduje zmianę
wartości impedancji jego ciała, uzależ-
nonej nie tylko od częstotliwości i po-
ziomu natężenia bodźca akustycznego,
ale również od czasu narażenia.
literatura
1. Ganong W., Fizjologia, PZWL, War-
szawa 1994.
2. Gierlotka S., Electrophysiology of
human`s skin in climatic difficult
condiditions, Polish Jurnal of Medi-
cal Physics and Engineering, Official
Publication of Polish Society of Me-
dical Physics, 2000 nr 4, 251-267 s.
3. Gierlotka S., Wpływ uciążliwości er-
gonomicznych występujących w ko-
palniach węgla kamiennego na im-
pedancję elektryczną ciała człowie-
ka, Zeszyty Naukowe.
4. Politechniki Śl. Górnictwo z. 252,
Gliwice 2002.
5. Gierlotka S., Wpływ wysiłku oraz
dyskomfortu cieplnego środowiska
pracy na zmiany impedancji cia-
ła człowieka, Przegląd Elektrotech-
niczny, nr 2 2003.