1 Zakres badań i zastosowań biomechaniki

Biomechanika, czyli mechanika układów żywych, jest interdyscyplinarną nauką o przyczynach i skutkach działania sił zewnętrznych i wewnętrznych na układy biologiczne, np. na człowieka, zwierzę, roślinę.

W badaniach biomechanicznych korzysta się z metod teoretycznych (modelowanie matematyczne i symulacja komputerowa) i doświadczalnych (miernictwo sił, przemieszczeń i odkształceń) mechaniki oraz z metod — głównie doświadczalnych — typowych dla biologii i medycyny (np. tomografia komputerowa, elektromiografia).

Główne działy biomechaniki to:

• Biomechanika ogólna, która zajmuje się wyznaczaniem sił zewnętrznych i sił wewnętrznych działających na układ biologiczny (np. na ciało człowieka) oraz skutków, jakie te siły wywołują (np. ruch segmentów ciała, ruch płynów biologicznych w organizmie, rozkład obciążeń w układzie mięśniowo-szkieletowym i zmiany w tkankach poddanych działaniu sił).
  
  Typowymi zadaniami biomechaniki ogólnej są np.: wyznaczanie sił rozwijanych przez poszczególne mięśnie w trakcie wykonywania danego ruchu ciała (tzw. zagadnienie współdziałania mięśni), badanie własności materiałów biologicznych (mięśni, ścięgien, kości, chrząstek i innych) lub wyznaczanie przebiegu procesu adaptacji funkcjonalnej tkanek kości poddanej obciążeniu (tzw. remodeling). Zadania te często dotyczą sterowania procesami w organizmie (np. sterowania ruchem ciała, sterowania wzrostem tkanek) i są wtedy wspólne dla biomechaniki i biocybernetyki. 

• Biomechanika medyczna, polegająca na stosowaniu wyników badań biomechaniki ogólnej w profilaktyce, diagnostyce, leczeniu i rehabilitacji narządów (głównie narządu ruchu) człowieka. Typowymi zadaniami biomechaniki medycznej są np.: analiza chodu (norma i patologia) w celu leczenia i rehabilitacji osób niepełnosprawnych ruchowo, analiza przepływu krwi przez naturalne zastawki serca w celu prawidłowego zaprojektowania zastawek sztucznych lub analiza obciążeń działających na układ kość-implant w celu dobrania odpowiedniego dla danego pacjenta implantu (np. sztucznego stawu) i zaprojektowania zabiegu jego wszczepienia. Wiele zagadnień biomechaniki medycznej łączy ją z bioinżynierią, a szczególnie z inżynierią ortopedyczną (projektowanie implantów, protez i aparatów ortopedycznych).

• Biomechanika sportu, której celem jest wykorzystanie zasad biomechaniki ogólnej do doskonalenia techniki ruchu w sporcie (np. skoku wzwyż, w dal, skoku narciarskiego, rzutów, ćwiczeń akrobatycznych), zwiększenie efektywności treningu sportowego oraz projektowanie bezpiecznych i skutecznych przyborów sportowych (np. butów narciarskich, oszczepów, rakiet tenisowych). Biomechanika inżynierska, w której stosuje się zasady biomechaniki ogólnej do analizy i projektowania urządzeń technicznych, np. manipulatorów medycznych, robotów, maszyn kroczących oraz mikrorobotów. W zakresie wykorzystania w technice zasad budowy i działania organizmów żywych biomechanika inżynierska ma obszar wspólny z bioniką.

• Biomechanika pracy, której przedmiotem jest rozpatrywanie przyczyn i skutków obciążeń wynikających z pracy fizycznej dla układu mięśniowo-szkieletowego człowieka. Biomechanika pracy odgrywa istotną rolę przy projektowaniu procesów i stanowisk pracy bezpiecznych dla zdrowia człowieka. Uwzględnia się tu natychmiastowe (np. uderzenie) i skumulowane w czasie (np. działanie drgań) skutki działania sił występujących w procesie pracy. W tym dziale umieścić można także biomechanikę zderzeń. Przedmiotem badań jest w tym wypadku ocena skutków i projektowanie sposobów zapobiegania obrażeniom ciała człowieka w trakcie uderzeń powstałych zarówno w procesie pracy (np. upadek z wysokości), jak i podczas wypadków drogowych. Biomechanika pracy, wraz z fizjologią i psychologią, tworzy fundament współczesnej ergonomii.

Badania biomechaniczne przyczyniły się do lepszego poznania fizjologii w normie i patologii, rozwoju profilaktyki, diagnostyki, terapii i rehabilitacji medycznej oraz protetyki, osiągania lepszych wyników w sporcie, poprawy bezpieczeństwa pracy i komunikacji. Obecnie obszar badań i zastosowań wyników biomechaniki gwałtownie rozszerza się. Świadczy o tym rosnąca liczba ośrodków i publikacji związanych z tą dziedziną. Współczesny poziom nauk ścisłych i technicznych umożliwia bowiem coraz szersze badanie tak złożonych układów, jak organizmy żywe. Korzysta z tego biomechanika.

2 Siły działające na człowieka w procesie pracy

Siły o ciągłym charakterze działania występują w trakcie typowego procesu pracy. Mogą one należeć do zewnętrznych (np. ciężar trzymany w rękach, siła oddziaływania dźwigni na rękę, siła między stopą a podłożem) lub wewnętrznych (np. siły rozwijane przez mięśnie i poprzez ścięgna przykładane do kości, siły reakcji — czyli oddziaływanie kości na kość — w stawach, siły ściskające dyski międzykręgowe) względem ciała człowieka. Ich skutki dla zdrowia pracownika uwidaczniają się niekiedy dopiero po wielu latach pracy.

Choroby narządu ruchu powstają także u pracowników, którzy nie wykonują pracy fizycznej. Można podać tu dwa skrajne przykłady.

• Operatorzy komputerów, spędzający dzień roboczy przy klawiaturze, nie podlegają dużym obciążeniom zewnętrznym. Natomiast długotrwale utrzymywana, wymuszona pozycja ciała, głównie rąk i tułowia, powoduje u nich niewielkie, ale o ciągłym charakterze działania, siły wewnętrzne, wywołujące z czasem typowe objawy chorobowe.

• Z drugiej strony, piloci samolotów myśliwskich poddawani są okazjonalnie dużym, krótkotrwałym przeciążeniom, wywołującym bardzo duże siły wewnętrzne o kumulujących się w czasie, poważnych dla organizmu, skutkach. Przy okazji tego ostatniego przykładu należy wspomnieć o dodatkowej, nie wymienionej jeszcze, kategorii sił, tj. o siłach bezwładności, które są wynikiem przyspieszeń działających na ciało człowieka i na podnoszone lub przenoszone przez niego obiekty. Siły te w mechanice teoretycznej nie są zaliczane do tzw. sił rzeczywistych, ale ich skutki dla organizmu są takie same, jak sił rzeczywistych zewnętrznych. Typowe okoliczności występowania sił bezwładności w procesie pracy to np. drgania siedziska, gwałtowne hamowanie pojazdu (np. przy zderzeniu) lub wymienione już akrobacje lotnicze.

• Na ogół mamy wyobrażenie o wartościach sił zewnętrznych działających na ciało człowieka lub potrafimy je oszacować. W mniejszym stopniu zdajemy sobie sprawę, jakie są wartości sił wewnętrznych działających na elementy układu ruchu człowieka.

3 Geometria stanowisk pracy siedzącej

Typowymi przykładami pracy wykonywanej w pozycji siedzącej są: praca operatorów, montażystów oraz praca biurowa, w tym coraz częściej praca związana z obsługą komputerów. Podczas pracy pozycja siedząca jest często przedkładana nad inne pozycje ciała. Ogranicza ona aktywność ruchową pracownika, zapewnia natomiast stabilne podparcie ciała. Stwarza więc większy komfort oraz zwiększa precyzję manipulacji. Powoduje to, że podczas pracy siedzącej obciążenie wysiłkiem fizycznym dynamicznym jest niewielkie, pojawiają się natomiast uciążliwości typowe dla obciążenia statycznego i monotypowego. I tak, na przykład, podczas obsługi komputerów występują następujące czynniki, które decydują o uciążliwości pracy:

• obciążenie narządu wzroku (zmęczenie wzroku),

• obciążenie układu mięśniowo-szkieletowego,

• stres psychologiczny.

Uciążliwości pracy, związane z nadmiernym obciążeniem wzroku i układu mięśniowo-szkieletowego, mogą być zmniejszone, a nawet wyeliminowane, poprzez zapewnienie ergonomicznego stanowiska pracy, właściwą organizację pracy oraz zapoznanie pracowników z występującymi na tych stanowiskach pracy czynnikami uciążliwymi i skutkami ich oddziaływania, a także sposobami zapobiegania. Wiąże się to z wyposażeniem stanowiska w sprzęt komputerowy o odpowiednich parametrach, w odpowiedni stół i siedzisko oraz, w pewnych przypadkach, w podnóżek, wspornik nadgarstkowy, filtr ochronny i uchwyt na dokument.

Poza rozwiązaniem problemu struktury stanowiska pracy z komputerem i jego wyposażenia niezbędne jest zapewnienie odpowiednich warunków środowiska pracy. Dotyczy to przede wszystkim zapewnienia odpowiedniego oświetlenia i warunków mikroklimatycznych oraz zmniejszenia ekspozycji na promieniowanie i pola elektromagnetyczne. Istotne znaczenie ma również właściwa organizacja pracy. Szczególnie ważnym jej elementem jest odpowiednie zaplanowanie przerw w pracy. Nie powinny się one ograniczać do przerwy śniadaniowej, podczas której pracownicy jedzą posiłek, nadal pozostając w pozycji siedzącej. Zalecane są przerwy, na przykład, co jedną lub dwie godziny, trwające około 10 minut, w zależności od intensywności wykonywanej pracy. Przerwy te powinny być przeznaczone na aktywny odpoczynek, polegający na zmianie pozycji ciała, wykonaniu kilku ćwiczeń rozluźniających, czy spacer. Niezmiernie ważne są tzw. mikropauzy. Są to bardzo krótkie, często niezauważalne przerwy, w czasie których dochodzi do rozluźnienia napiętych mięśni.

W trakcie takich przerw pracownik powinien mieć możliwość oparcia pleców i przedramion na oparciu oraz podłokietniku krzesła.

4 Obciążenie układu mięśniowo-szkieletowego podczas pracy w pozycji siedzącej

Obciążenie układu mięśniowo-szkieletowego podczas pracy w pozycji siedzącej jest związane z równoczesnym występowaniem kilku czynników. Najistotniejsze z nich to:

• obciążenie mięśni utrzymujących ciało w pozycji siedzącej. Jest to zazwyczaj długo utrzymywane obciążenie typu statycznego (wysiłek statyczny), dotyczące mięśni stabilizujących kręgosłup, charakterystyczne dla każdego rodzaju pracy siedzącej, a także wynikające ze specyfiki pracy operatorów monitorów ekranowych obciążenie innych grup mięśni, a mianowicie:

  • obciążenie statyczne mięśni obręczy barkowej i przedramion, niezbędne do utrzymania kończyny górnej w pozycji umożliwiającej obsługę klawiatury,

  • obciążenie statyczne mięśni karku utrzymującego głowę w pozycji umożliwiającej obserwację dokumentu, klawiatury lub ekranu,

  • jednostronne obciążenie mięśni bezpośrednio wykonujących czynność roboczą (mięśni rąk wystukujących tysiące znaków w ciągu zmiany roboczej). Są to obciążenia w wymiarze bezwzględnym nieznacznego stopnia, ale w stosunku do możliwości drobnych mięśni rąk stanowią znaczne obciążenie. Ponadto są to ruchy identyczne i powtarzane z dużą częstotliwością (praca monotypowa),

• nadmierne ciśnienie w dyskach międzykręgowych, wynikające z obciążenia kręgosłupa podczas długo utrzymywanej pozycji siedzącej.

Długotrwałe jednostronne obciążenie mięśni jest przyczyną zmęczenia mięśniowego oraz wielu dolegliwości bólowych. Dolegliwości tego typu, występujące u pracowników wykonujących prace w pozycji siedzącej, są zlokalizowane głównie w okolicy szyi, obręczy barkowej, pleców (odcinka lędźwiowego) i rąk.

Dolegliwości bólowe szyi i barków są związane głównie z obciążeniem mięśni utrzymujących głowę w pozycji, która umożliwia naprzemienną obserwację monitora, dokumentu i klawiatury, oraz mięśni obręczy barkowej, utrzymujących ramię w pozycji umożliwiającej obsługę klawiatury. Potęgowane są one dodatkowo brakiem podłokietnika lub nieprawidłowym, wysokim ustawieniem klawiatury. Istotną przyczyną bólów dolnego odcinka kręgosłupa jest brak podparcia pod plecy.