教室座椅人机工程分析与设计
摘要：
教室桌椅既要保证学生就做的基本舒适、健康，又要保持学生听课中一定的紧张度。本文从人机工程学的角度出发，运用人机工程学原理，通过观察法、文献法、比较法和调查研究法，对中国石油大学（华东）的南教楼的教室桌椅进行了分析、评价，并与讲堂群的桌椅进行比较评价。从人机工程学的角度分析其存在缺陷的原因，并提出了改进方法及改进途径，从而达到能保证我校学生有一个健康良好的坐姿，从而有利于提高学习效率，较少疲劳和不舒适感，保证了青年学生身心的健康发展和学习效果，最终使整个人——机——环境系统达到和谐统一。
关键词：人机工程学、教室桌椅、人体尺寸
正文：
1、 问题描述
教室是学校从事教学活动的一个重要的基地，是教师和学生工作、学习的场所。如何创造一个宜人的教室环境是关系到教师教学和学生学习效果的一个重要因素。由于人体各部位的尺度因人而异，为使各种与人体尺度有关的教室设施（黑板、讲台、课桌、课椅）的设计，能符合人的生理特性，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在教室设施的布置和尺寸设计过程中，运用人机环境之间相互关系的系统理论来进行分析研究和设计。
在人机工程学中，人体尺度的测量数据常以百分位数来表示，最常用的是第5%、第50%、第95%三种百分位数。其中第五百分位是代表‘小’身材，是指有5%的人群身材尺寸小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值;第五十百分位是代表‘中’身材，是指大于和小于此人群身材尺寸的各为50%；第九十五百分位代表‘大’身材，是指有95%的人群身材尺寸均小于此值，而有5%的人群尺寸大于此值。
（1）通过日常的上课自习，我感觉到南教楼虽然比较干净，教室也比较亮堂，但上课、自习时明显感觉到其桌椅坐着很不舒服。如果坐在椅子靠后的部位，由于前部凸起幅度较大较高，会使大腿受到压迫，而且写字时，身体需要大幅度的前倾才能够得着桌面，而且胳膊悬空，保持这样的姿势一会儿腰背、胳膊就感到疲劳、酸痛； 如果坐在椅子外缘，则由于南教的椅子前端是凸起的，而且角度很大，会使臀部与椅子的接触面积减小，从而压强过大，使人产生极度的不舒适感。而讲堂群的座椅坐着则比较舒适。
具体如下图所示：
图1、1 胳膊无法放在课桌上，只能悬空，长时间书写会感到胳膊酸痛（南教）
图1、2 写作业时，身体需要大幅度前倾，长此以往对脊柱伤害很大（南教）
图1、3 座椅前端凸起太高，对大腿处血管、神经造成压迫感（南教）
2、 解决问题使用的人机工程学基本原理
由人机工程学基本原理得知，座椅的设计既要满足坐姿生理学，又要满足坐姿生物学，并且还要与基本的坐姿人体测量尺寸相符。
2.1 坐姿生理学 2.1.1脊柱结构
在坐姿状态下，支持人体的主要结构是脊柱、盆骨、腿、和脚等。腰椎、骶骨和椎间盘及软组织承受坐姿时上身大部分负荷，还要实现弯腰扭转等动作。对设计而言这两部分最为重要。脊柱形状如下图所示。
正常坐姿下，脊柱的腰椎部分前凸，而至骶骨时则后凹，压力适当的分布于各椎间盘上，肌肉组织上承受均匀的静负荷。当处于非自然坐姿时，椎间盘内压力分布不正常，产生腰部酸痛、疲劳等不适感。
2.1.2 腰曲弧线
从图2-1所示的脊柱侧面可弹道有四个生理弯曲，即颈曲、胸曲、腰曲及骶曲，如图2.2，中与坐姿舒适性直接相关的是腰曲。
图2.3为各种不同姿势下产生的腰曲弧线，人体正常腰曲弧线是松弛状态下侧卧的曲线，如图中B所示；躯干挺直坐姿和前弯时的腰弧曲线会使腰椎严重变形，如图中曲线F和C所示；欲使坐姿能形成几乎正常的腰曲弧线，躯干与大腿之间必须有大于90°的角度，且在腰部有所支撑，如图中曲线C所示。可见，保证腰弧曲线的正常形状是获得舒适坐姿的关键。
2.1.3腰椎后突和前突
正常的腰弧曲线是微微前突。为使坐姿下的腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提供所谓两点支撑。由于第5,6胸椎高度相当于肩胛骨的高度，肩胛骨面积大，可承受较大压力，所以第一支承应位于第5,6胸椎之间，称其为肩靠。第二支承设置在第4,5腰椎之间的高度上，称其为腰靠，和肩靠一起组成座椅的靠背。无腰靠或腰靠不明显将会使正常的腰椎呈图2.4（a）中的后突形状。而腰靠过分凸出将使腰椎呈图2.4(b)中的前突形状。腰椎后突和过分前突都是非正常状态，合理的腰靠应该是使腰弧曲线处于正常的生理曲线。
2.2坐姿生物力学 2.2.1肌肉活动度
脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱连接，椎骨的定位正是借助于肌腱的作用力。一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力（拉或压）的作用，使肌肉活动度增加，招致疲劳酸痛。在挺直坐姿下，腰椎部位肌肉活动度高，因为腰椎前向拉直使肌肉组织紧张受力。提供背靠支承腰椎后，活动力则明显减小；当躯干前倾时，背上方和肩部肌肉活动度高，以桌面作为前倾时手臂的支撑并不能降低活动度，这些结果与坐姿生理学是相符的。
2.2.2体压分布
由人体解剖学可知，人体坐骨粗壮，与其周围的肌肉相比，能承受更大的压力。而大腿底部有大量血管和神经系统，压力过大会影响血液循环和神经传导而感到不适。所以座椅上的压力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来设计，即在坐骨处压力最大，向四周逐渐减小，至大腿部位时压力降至最低值，这是坐垫设计的压力分布不均匀原则。
图2.5是较为理想的坐垫体压分布曲线，图中所标数字的压力单位为100Pa。
2.2.3 股骨受力分析
如下图2.6（a）所示，人体结构在骨盆下面有两块圆骨，称为坐骨结节。坐骨结节下面的坐面呈近似水平时，可使两坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置而不受过分的压迫，因而人体感到舒适。
如图2..6（b）所示，当坐面呈斗形时，会使股骨向上转动，这种状态除了使股骨处于受压迫位置而承受载荷外，还造成髋部肌肉承受反常压迫，并使肘部和肩部受力，从而引起不舒适感。所以在座椅设计中，斗行坐面是应该避免的。
2.2.4 椎间盘受力分析
当坐姿腰弧曲线正常时，椎间盘上受的压力均匀而轻微，几乎无推力作用于韧带，韧带不拉伸，腰部无不舒适感。担当人体处于前弯坐姿时，椎骨之间的间距发生改变，相邻两椎骨前端间隙缩小，后端间隙增大。椎间盘在间隙缩小的前端受推挤和摩擦，迫使它向韧带作用一推力，从而引起腰部不适感，长期累积作用，可造成椎间盘病变。
综合来看，从坐姿生理学角度，应保证腰弧曲线正常；从坐姿生物力学角度，应保证肢体免受异常力作用。
3、 解决问题的方法和途径