WIBRACJE

POJĘCIA PODSTAWOWE I JEDNOSTKI POMIAROWE.

Wibracją nazywamy takie drgania, które oddziaływają na człowieka przez bezpośredni kontakt z jego ciałem drgającego elementu maszyny, narzędzia lub urządzenia.

Gdy punkt materialny przesunie się z położenia równowagi najpierw w jedną stronę po czym wróci do położenia równowagi, to odbędzie on jednym pełnym drgnięciem jeden cykl.

Maksymalne wychylenie punktu materialnego od położenia równowagi nazywamy amplitudą drgań, którą mierzymy w centymetrach lub milimetrach. Wielkość określającą liczbę pełnych drgań zachodzących w czasie jednej sekundy nazywamy częstotliwością drgań i wyrażamy ją w cyklach na sekundę [1/s] lub w hercach [Hz].

Dodatkowymi parametrami charakteryzującymi wibrację są: przyśpieszenie i prędkość drgań. Przyśpieszenie wyrażamy w [cm/s²] bądź też w krotnościach przyśpieszenia ziemskiego `'g''.

Prędkość drgań (liczbowo równa jest drodze, jaką przebywa punkt drgający w jednostce czasu) określamy w [cm/s]. Niektóre przyrządy do pomiaru prędkości drgań mogą być wycechowanie w dB. W przyrządach tych za jednostkę porównawczą przyjmuje się prędkość drgań równą 5⋅10^-6 [cm/s]. Dla drgań prostych o przebiegu zbliżonym do sinusoidy wielkości fizyczne: częstotliwość, amplituda, przyśpieszenie i prędkość są związane zależnością matematyczną i znając dwie z nich można wyliczyć pozostałe. Jednak drgania o tym charakterze na ogół w technice nie występują, są najczęściej drganiami o charakterze przypadkowym. Drgania występujące w technice mają zmienną amplitudę i częstotliwość, przebiegają w różnych płaszczyznach i często pochodzą z różnych źródeł - nakładają się na siebie.

Bardzo istotny wpływ na biologiczne oddziaływanie wibracji ma zjawisko rezonansu. Jeżeli będziemy mieli układ drgający, w którym masa przymocowana jest sprężyście za pomocą sprężyny do drgającej płyty, to - zmieniając częstotliwość drgań płyty - zaobserwujemy, że przy pewnej częstotliwości wystąpią maksymalne drgania masy o amplitudzie większej niż amplituda drgań układu wymuszającego. Zjawisko gwałtownego wzrostu amplitudy drgań wskazuje, że układ jest w rezonansie, a częstotliwość przy której ono występuje, nazywamy częstotliwością rezonansową. Częstotliwość rezonansowa jest stała i zależna od wielkości masy zamocowanej sprężyście. Po przekroczeniu częstotliwości rezonansowej, amplituda drgań masy gwałtownie maleje. Jeżeli dany układ drgający nie dysponuje amortyzatorem (tłumikiem drgań), to może nastąpić trwałe odkształcenie połączenia sprężystego lub nawet zerwanie sprężyny.

U człowieka poddanego drganiom o częstotliwościach równym częstotliwościom rezonansowym w poszczególnych narządach lub częściach ciała mogą nastąpić obrażenia mechaniczne (uszkodzenia elastycznych powiązań narządów). Gdy zdolność wytłumienia drgań przez narządy, tkanki, płyn otrzewnowy, powietrze i gazy znajdujące się w narządach (spełniających rolę tłumika drgań) jest niewystarczająca, aby ostatecznie wytłumić rezonansowe drgania narządów wewnętrznych, dochodzi do obrażeń mechanicznych. Różne narządy posiadają różne częstotliwości rezonansowe.

Zestawienie częstotliwości rezonansowych dla człowieka:

Lp.	Narząd, części ciała	Częstotliwość rezonansowa [Hz]
1	Głowa	4 i 25
2	Gałki oczne	60 - 90
3	Szczęka	6 - 8
4	Krtań, tchawica, oskrzela	12 - 16
5	Narządy klatki piersiowej	5 - 9
6	Narządy jamy brzusznej	4,5 - 10
7	Pęcherz moczowy	10 - 18
8	Umięśnienie	13 - 20
9	Jelito grube	10,5 - 16

WPŁYW WIBRACJI NA ORGANIZM CZŁOWIEKA

Drgania ciał sprężystych o częstotliwościach niższych od 20 [Hz] organizm człowieka odczuwa jako wibracje, a drgania o częstotliwościach powyżej 20 [Hz] - jednocześnie jako wibracje i jako dźwięki. Jeżeli na drgania narażone są oddzielne części ciała mamy do czynienia z wibracją lokalną. Przy przenoszeniu drgań od pracujących maszyn i urządzeń na cały organizm, mamy do czynienia z wibracją ogólną (przy drgających siedzeniach, pomostach roboczych itp.). Mechaniczny model organizmu człowieka można przedstawić jako układ elementów o różnych masach połączonych wspólnie ze sobą za pomocą elementów sprężystych i tłumików drgań. Gdy człowiek poddany jest drganiom o częstotliwości charakterystycznej dla pewnych narządów lub częstotliwości ciała, wówczas te narządy wpadają w drgania rezonansowe, powodując przykre doznania subiektywne. Rezonans np. gałek ocznych powoduje zamazanie obrazu obserwowanych przedmiotów, a rezonans szczęki i tchawicy utrudnia porozumiewanie się. Bardzo niebezpieczny jest rezonans głowy, który powoduje bardzo silne podrażnienie narządu przedsionkowego, co łączy się z wystąpieniem wielu nieprzyjemnych doznań subiektywnych.

Przemieszczenie głowy człowieka wywołane działaniem wibracji o niskich częstotliwościach charakteryzują się szczególną cechą. Specyficzna budowa pierwszego i drugiego kręgu szyjnego pozwala tylko na rotacyjne ruchy głowy. Dlatego też, gdy drgania działają wzdłuż dłuższej osi ciała głowa zakreśla ruchy rotacyjne. Te ruchy powodują wystąpienie przyśpieszeń kątowych, które są najbardziej swoistym bodźcem do pobudzenia błędnika, powodując zespół objawów charakterystycznych dla tzw. morskiej choroby.

Ważnym elementem decydującym o przenoszeniu drgań z narzędzi pracy na ciało robotnika jest wkładany w pracę wysiłek fizyczny. Wzrost napięcia mięśniowego w czasie pracy powoduje „ściślejszy” kontakt ciała z narzędziem drgającym, a tym samym przyczynia się do wzrostu przenoszenia drgań na ciało.

Wieloletnia obserwacja fizjologicznej reakcji ustroju na różne parametry wibracji doprowadziły do sformułowania prawa o tzw. energetycznym działaniu wibracji. Wartość przekazanej na ciało energii można określić zależnością:

I ≈ v²

gdzie: v - prędkość drgań.

Najsilniejsze odczucia subiektywne występują przy częstotliwościach do 35 [Hz], a zwłaszcza w zakresie (2 - 20) [Hz]. Rezonans narządów i silne podrażnienie błędnika są przyczyną najsilniejszych doznań subiektywnych człowieka w środowisku wibracyjnym.

Zestawienie subiektywnych doznań ludzi poddanych wibracji wraz z zakresami częstotliwości, w której występują, w formie umiarkowanej lub intensywnej:

Lp.	Doznania subiektywne	Stopień nasilenia objawów
				umiarkowany [Hz]	o dużej intensywności [Hz]
1	Utrudnione oddychanie, bezdech	4 - 8	1 - 3
2	Ból w klatce piersiowej	4 - 11	5 - 7
3	Mimowolne skurcze mięśni	1 - 10	4,5 - 9
4	Drgania szczęki		6 - 8
5	Ból w jamie brzusznej	4 - 14	4,5 - 10
6	Zawroty głowy	9 - 12	13 - 20
7	Utrudnienie mowy	7 - 20	13 - 20
8	Parcie na mocz	9 - 20	10 - 18
9	Wzrost napięcia mięśniowego	10 - 20	13 - 20
10	Ogólne złe samopoczucie	1 - 20	4,5 - 9

Rezonans krtani, tchawicy i oskrzeli, jak również narządów znajdujących się w jamie piersiowo -brzusznej, znacznie utrudnia oddychanie, mogąc doprowadzić aż do bezdechu. Rozciąganie śródpiersia, dużych naczyń krwionośnych w klatce piersiowej i osierdzia wywołuje uczucie silnego bólu. Uczucie bólu jest dla ustroju alarmem, ostrzega przed niebezpieczeństwem mechanicznego uszkodzenia tkanek.

Przebywanie w zasięgu wibracji powoduje powstanie zmęczenia ogólnego. Uczucie zmęczenia ogólnego spełnia zadania obronne organizmu i zmusza do zmiany środowiska na takie, które zapewni konieczny wypoczynek. Najbardziej odczuwalnym skutkiem zmęczenia ogólnego na skutek wibracji jest zmniejszenie natężenia uwagi, częste i długie przerwy w koncentracji uwagi na czynnościach umysłowych i ruchowych. Człowiek zaczyna coraz wolniej reagować na bodziec świetlny i słuchowy. Zmniejszenie ostrości wzroku szczególnie zaznacza się przy częstotliwościach (25 - 40) [Hz]. Występujące tu trudności w odczytywaniu wskazań czujników i zegarów lub błędne ich odczytanie, zwężenie pola widzenia, opóźnienie postrzegania i mylne rozróżnianie barw mogą stać się przyczyną wypadków.

W wyniku długotrwałego oddziaływania drgań mechanicznych dochodzi często do powstania u ludzi nieodwracalnych zmian w różnych narządach i układach. Zespół tych zmian, niezwykle różnorodnych, nazywany jest chorobą wibracyjną.

CHOROBA WIBRACYJNA

Pierwsze objawy choroby wibracyjnej pojawiają się najczęściej po (3 - 4) latach pracy. Objawy chorobowe mają charakter wybitnie indywidualny, związany najczęściej ze specyfiką wykonywanego zawodu. Wyróżnia się cztery okresy chorobowe:

Okres początkowy:

pojawiają się okresowo zaburzenia czucia skórnego na końcach palców (czucie zbyt małe lub zbyt duże). Mogą pojawić się bóle kończyn górnych oraz tendencja do skurczu naczyń włoskowatych palców - najczęściej po nagłym silnym oziębieniu.

Okres średnio zaawansowanych zmian chorobowych:

w okresie tym zaburzenia czucia skórnego palców i dłoni utrwalają się. Pojawiają się częste bóle rąk, obniża się ich temperatura. Zmiany w układzie nerwowym przybierają postać nerwicy, z jednoczesnym osłabieniem ogólnym. Mogą występować bóle mięśni przy ucisku. Powyższe zmiany są jeszcze odwracalne.

Okres pełnego ujawnienia choroby:

cechą charakterystyczną tego okresu są zaburzenia naczyniowe. Pojawiają się napadowe skurcze naczyń włoskowatych i tętniczek przedwłosowych, głównie po nagłym kontakcie rąk z zimnem. Występują zaburzenia czynności wielu narządów i układów anatomicznych. Zmiany chorobowe są już utrwalone.

Okres ogólnych zaburzeń naczyniowych:

jest to najczęściej zaawansowana postać choroby. Chory uskarża się na silne bóle głowy i klatki piersiowej. Występuje nieodkrwienie tak ważnych organów, jak mózg i serce, prowadzące do zaburzenia ich czynności i do powstania w nich zmian morfologicznych. Na ogół nie ma już możliwości pełnego wyleczenia choroby.

Zaburzenia w funkcjonowaniu organizmu związane z objawami choroby wibracyjnej mają przebieg następujący:

Zaburzenia w układzie kostno - stawowym: zmiany w układzie kostno-stawowym powstają zasadniczo w wyniku drgań mechanicznych o częstotliwościach mniejszych niż 30 [Hz]. Zmiany patologiczne w obrębie tego układu stwierdzono w odcinkach znajdujących się blisko źródła wytwarzającego drgania. Do najczęściej wykrywalnych radiologicznie zmian należą zniekształcenia szpar stawowych, zwapnienie torebek stawowych, zmiany w okostnej, kostnienie przyczepów mięśniowych, objawy martwicy kostnej.

Przy obsłudze ręcznych źródeł drgań zmiany występują w kościach i stawach kończyn górnych, aż do stawu barkowego włącznie. Przypuszcza się, że zmiany w układzie kostno-stawowym są wynikiem zaburzeń krążenia krwi w obrębie danego obszaru ciała.

Zaburzenia w układzie krążenia: zmiany w obrębie układu krążenia są następstwem działania wibracji o częstotliwości powyżej 30 [Hz]. Zmiany naczyniowe pojawiają się niekiedy już po paru tygodniach pracy z narzędziami drgającymi. Zasadnicze objawy powstają na przestrzeni ciała stykającego się bezpośrednio ze źródłem drgań. Ponieważ najczęściej kontaktują się ze źródłem drgań kończyny górne, stąd zmiany stwierdza się w koniuszkach palców, a także w dłoniach. Oprócz odczucia bólu pojawiają się napadowe zbielenia skóry palców, spowodowane nagłym niedokrwieniem, najczęściej wzbudzone działaniem wilgoci i zimna. W okresie między kolejnymi napadami stwierdza się zsinienie i ochłodzenie skóry palców rąk. Napady trwają zazwyczaj kilkanaście minut. Zaburzenia te występują najczęściej przy kontakcie ze źródłem drgań o częstotliwości (40 - 200) [Hz] i stosunkowo niewielkiej amplitudzie.

Zaburzenia w układzie nerwowym: występują wcześniej niż zmiany naczyniowo-ruchowe. Stwierdzono zaburzenia czucia, zwłaszcza czucia drgań (próg odczucia ulega podwyższeniu, pojawia się drętwienie i mrowienie palców, występują zaburzenia snu, zawroty głowy, stałe podrażnienie, osłabienie pamięci). Zaburzenia w układzie nerwowym bada się urządzeniem zwanym palestezjometrem, który działa podobnie jak audiometr do badania słuchu. Metoda badania polega na poddaniu naszego organizmu wibracji z równoczesną obserwacją odczuć.

Zaburzenia w innych układach: badania prowadzone w celu wyodrębnienia zaburzeń biochemicznych wywołanych wibracją wskazują na wiele jeszcze niejasności. Rola układu hormonalnego, mimo stwierdzenia odchyleń biochemicznych, nie jest określona jednoznacznie. Raz stwierdza się u osób narażonych na wibrację obniżenie zawartości cukru, a raz jego wzrost. Proces chorobowy pochodzący od wibracji nie może być traktowany wycinkowo, gdyż niewątpliwie drgania mechaniczne powodują zmiany w całym ustroju. Można stąd wyciągnąć wniosek, że zaburzenia dotyczą funkcji komórek.

KRYTERIA OCENY SZKODLIWOŚCI WIBRACJI.

W Polsce nie mamy własnych obowiązujących norm regulujących ocenę wibracji z punktu widzenia higieny pracy. Opracowano projekt normy PN/B-02170 dotyczącej oceny szkodliwości drgań i wstrząsów dla ludzi znajdujących się w budynkach, uwzględniono też szkodliwość drgań mechanicznych o częstotliwościach od 0,5 do 70 [Hz]. Dla tych drgań zaproponowano dziewięciostopniową skalę odczuwalności drgań przez człowieka:

I - nieodczuwalne;

II - ledwo odczuwalne w spokoju;

III - odczuwalne;

IV - wyraźnie odczuwalne;

V - silnie odczuwalne;

VI - bardzo silnie odczuwalne;

VII - bardzo silnie odczuwalne i przeszkadzające;

VIII - trudne do zniesienia;

IX - nie do zniesienia.

Projekt normy zaleca, aby przy częstotliwościach do 5 [Hz] przyjąć do oceny drgań wartość amplitudy przyśpieszeń, a przy częstotliwościach od 5 do 15 [Hz] przyjąć do oceny amplitudę prędkości lub przyśpieszenia, w zależności od cech człowieka; natomiast przy częstotliwościach od 15 [Hz] przyjąć do oceny amplitudę prędkości.

Aby obiektywnie ocenić szkodliwość wibracji występujących na danym stanowisku pracy lub wytwarzanych przez narzędzia pracy należy wyznaczyć wartości fizycznych parametrów wibracji. W tym celu należy przeprowadzić pomiar wibracji za pomocą aparatury zalegalizowanej przez Urząd Miar. Uzyskane w drodze pomiarów wartości należy porównać z wartościami dopuszczalnymi przez normy sanitarne.

ZAPOBIEGANIE I ZWALCZANIE WIBRACJI.

Wibracji lokalnej powinno się zapobiegać przede wszystkim poprzez konstruowanie takich narzędzi, które podczas pracy nie wytwarzają drgań o parametrach nie przekraczających dopuszczalnych norm. Jeżeli skonstruowanie takich maszyn nie jest możliwe, to połączenie uchwytów ręcznych tych maszyn z elementami tych maszyn z elementami drgającymi powinno być poprzez elementy amortyzujące.

Dla pracowników obsługujących narzędzia wibracyjne, czas pracy tymi narzędziami nie powinien przekraczać ²/₃ czasu trwania zmiany roboczej. Zaleca się również dla tych pracowników przerwy w pracy po każdych 60 minutach pracy (10 - 15) minut przerwy.

W zapobieganiu szkodliwym wpływom wibracji lokalnej istotną rolę odgrywają istotne warunki mikroklimatyczne. Temperatura nie powinna być niższa od 16°C, a wilgotność nie wyższa niż 40 - 60% oraz prędkość ruchu powietrza nie powinna przekraczać 0,3 [m/s]. Jako ochrony osobiste przed szkodliwym wpływem wibracji lokalnej stosujemy poduszki, rękawy i klęczniki amortyzujące. Jako ochrony przed wibracją ogólną stosujemy nakładane na obuwie nakładki amortyzujące o dużym stopniu podatności lub buty antywibracyjne o podeszwach wielowarstwowych wytłumiających drgania. Jeżeli wibracja ogólna przenoszona jest na siedzenie i plecy, należy dopasować siedzisko do sylwetki antropologicznej człowieka. Siedzisko należy połączyć z podłogą poprzez amortyzator, a powierzchnię siedziska wyłożyć masą tłumiącą drgania. Stosowane są też jako dodatkowe zabezpieczenia pasy przeciwwstrząsowe. Działanie pasa przeciwwstrząsowego polega na jego współdziałaniu z pracą mięśni brzusznych, a w przypadku występowania drgań o dużym natężeniu - na hamowaniu ruchów narządów znajdujących się w jamie brzusznej.

Przy zwalczaniu wibracji należy dążyć do wyposażenia maszyn w izolatory i tłumiki drgań oraz wprowadzać ich zdalne sterowanie.

---