FORSCH U NGSBE RICHTE DES WIRTSCHAFTS- UNO VERKEHRSMINISTERIUMS NORORH E I N -WESTFALEN Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Leo Brandt Nr. 362 Professor Dr. med. Gunther Lehmann Dipl.-Phys. Dieter Dieckmann Max -Planck -Institut fur Arbeitsphysiologie, Dortmund Die Wirkung mechanischer Schwingungen (0,5 bis 100 Hertz) auf den Menschen Als Manuskript gedruckt WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UNO OPLADEN 1956 ISBN 978-3-663-03204-5 ISBN 978-3-663-04393-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04393-5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e d e run g . . . . . 1. Themastellung · · · · · · · · · · · · · · s. 5 2. Uberblick tiber bisherige Untersuchungen · · • · · s. 5 2. 1 Physiologisch-medizinische Untersuchungen · · · · · · s. 6 2.2 Untersuchungen tiber das subjektive Empfinden · · · · · · s. 9 2.3 Physikalische Untersuchungen · · · · S. 11 2.4 Technische Untersuchungen · · · · · S. 11 • 3. Durchftihrung: Vertikale Schwingungen S. 12 3.1 Idee der Durchftihrung · · · · · · · · · · · · S. 12 • • • • 3. 11 Apparaturen zur Schwingungserregung S. 12 3.2 Experimentelle Untersuchungen · · · · · · · s. 16 • 3.21 Beschleunigungsmessungen · · · · · s. 16 3.211 Apparaturen · · · · · s. 16 3.212 Versuche · · · · · · · · · · S. 18 • 3.213 Deutung · · · · s. 19 • 3.22 Physiologische Untersuchungen · · · · · · s. 23 • 3.221 Apparaturen und Vorversuche · · s. 25 • 3.222 Hauptversuche · · · · · · · · · · s. 30 3.223 Deutung · · · · · · · · · · S. 32 • • 3.23 Messung der Krafttibertragung · · · · · · S. 32 • 3.231 Theoretische Grundlagen S. 32 3.232 Apparaturen · · · · · · · · s. 37 • 3.233 Versuche · · · · · · · · · · · · · s. 39 3.234 Deutung und theoretische Auswertung · · · · · S. 39 3.24 Vergleichende Betrachtung der Untersuchungsergeb- . . nisse · · · · · · · · · · · · · s. 44 3.3 Vorschlag eines BewertungsmaBstabes und Vergleich mit bisherigen Untersuchungen · · · · · · · · · · · · · · • · s. 45 4. Durchfiihrung: Horizontale Schwingungen S. 58 4.1 Idee der Durchfiihrung · · · · · · · · · · · · · · · · S. 58 • • 4.11 Apparatur zur Schwingungserregung S. 58 4.2 Experimentelle Untersuchungen · · · · · · · • · · · · s. 59 4.21 Beschleunigungsmessungen · · · · S. 59 4.22 Zyklographische Aufnahmen · · · · · · s. 73 • • • 4.3 Deutung der Versuchsergebnisse • · · · · · · • · s. 75 Seite 3 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 5. Durchftihrung: Vergleich zwischen vertikaler, schrager und horizontaler Schwingungsbee influs sung · · · · · s. 76 . . . . 5. 1 Idee der Durchftihrung · · · s. 76 • 5. 11 Apparatur zur Schwingungserregung · · · · · · s. 76 • 5.2 Experimentelle Untersuchungen · · · · · s. 76 • • 5.21 Physiologische Untersuchungen und subjektives Urteil s. 76 5.22 Zyklographische Aufnahmen · • · • · · · · · • • • · s. 77 5.3 Deutung der Versuchsergebnisse · · · · · · · s. 77 • 6. Zusammenfassung und SchluBfolgerung · · s. 78 • • • 7. Anhang: Praktische Untersuchungen · · · · · · · · S. 80 • • 7.1 Untersuchungen an Schleppersitzen · · · · S. 81 • • • • • • • • 7.2 Untersuchungen in einer Weberei · · · · · · · · · S. 84 • 7.3 Untersuchungen im Autobus · · S. 85 • • • • . . . . 8. Literaturverzeichnis · · · · · · S. 89 • • Seite 4 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1. Themastellung Die Beeinflussung des Menschen durch Schwingungen als Gegenstand wissen schaftlicher und praktischer Untersuchungen muB zum Ziel haben, Vorstel lungen vom physikalischen, physiologischen und gegebenenfalls psychischen Verhalten des Menschen unter SchwingungseinfluB zu bekommen. Die vorliegenden Untersuchungen stellen mit physikalischen Methoden das mechanische Schwingungsverhalten des menschlichen Kerpers dar und messen mit physiologischen Methoden die Belastung des Menschen, die vom physi kalischen Schwingungsverhalten abhangt. Die Untersuchungsergebnisse phy sikalischer und physiologischer Art werden zur Definition eines Belastungs maBstabes ftihren, mit dessen Hilfe kritische Belastungsfalle erkannt wer den kennen. Die Berticksichtigung der Schwingungseigenschaften des Menschen bei technischen Konstruktionen kann von vornherein solche kritischen FaIle ausschlieBen. Wegen der physikalischen Unterschiede in der Einwirkung von vertikalen und horizontalen Schwingungen auf den Menschen, die auch meBtechnische Unterschiede bedingen, werden die horizontalen Schwingungen gesondert be handelt. Weiterhin wird ein Vergleich zwischen vertikaler, schrager und horizontaler Erregung durchgeftihrt. 1m Anhang werden einige praktische Untersuchungen dargestellt, an denen die Untersuchungsmethoden und der BelastungsmaBstab erprobt worden sind. 2. Uberblick tiber bisherige Untersuchungen Der EinfluB mechanischer Schwingungen auf den Menschen war bereits wieder holt Gegenstand der medizinischen wie auch der technischen Forschung. Die Techniker behandelten dabei im wesentlichen das Problem der Belastbarkeit, vielleicht noch das der Beeinflussung der Sinnesorgane; die Mediziner in teressierten sich in zahlreichen Untersuchungen ftir die Frage des Vibra tionssinnes und verwandter Gebiete, in einzelnen Arbeiten aber auch ftir den Energieverbrauch, den Blutkreislauf, die Abnahme der Reflexe und ahn liche Fragen bei SchwingungseinfluB. Die Diskussion der physiologisch-medizinischen Forschung um die Vibra tionsempfindung einzelner Teile des menschlichen Korpers, etwa der Fin- Seite 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen gerkuppe, die als Vibrationssinn von vielen Autoren als eine besondere Sinnesqualitat angesehen wird, von anderen dagegen als eine schnelle Sukzes sion von Druckempfindungen betrachtet wird, spielt bei der hier vorliegen den Fragestellung keine wesentliche Rolle1). Es sollen daher nur die Ar beiten behandelt werden, die sich mit dem EinfluB von Schwingungen auf den ganzen Menschen befassen. Speziell bei den Untersuchungen medizinischer Art haben wir zu unterschei den zwischen einer physiologischen Fragestellung, also etwa nach dem Ver halten des Kreislaufs, des Stoffwechsels, der Reflexe, und den Fragen der allgemeinen "Belastung" des Menschen, die infolge Fehlens eines quantita tiven MaBstabes ftir den Begriff "Belastung" mit rein medizinischen objek tiven Methoden nur teilweise zuganglich sind. Hier trat bei den bisheri gen Untersuchungen die Methode des subjektiven Urteils in die Lticke, die jedoch nicht unbedingt ein MaB ftir die Schadlichkeit der Belastung lie fert. Die bisherigen medizinischen Arbeiten werden in einem Abschnitt zusammen gefaBt wiedergegeben. Dann folgen die ftir die hier vorliegende Fragestel lung wichtigen bisherigen Untersuchungen mit Hilfe des Empfindens sowie physikalische Untersuchungen. Ebenfalls finden einige Arbeiten technischer Art Erwahnung, die, haufig als Nebenergebnisse nur angedeutet, gewisse Angaben tiber Belastungshohen geben. Diese Angaben sind allerdings mit Vor sicht zu verwenden, da sie oft nur spezielle Gtiltigkeit haben und meist auf einem engen Erfahrungsbereich beruhen. 2.1 Physiologisch-medizinische Untersuchungen Nachdem in den Jahren nach 1930 durch Untersuchungen des subjektiven Emp findens bei SchwingungseinfluB (siehe Seite 9 ) eine besonders auch den Ingenieur interessierende Fragestellung aufgeworfen worden war, erschie nen seit 1937 einige Arbeiten von COERMANN (1 bis 5) tiber medizinische Seiten des Problems, jedoch in Anlehnung an Fragestellungen, die die Luft fahrtforschung aufwarf. In ausgesprochen vielseitigen Versuchsreihen wur den untersucht: 1. Literaturhinweis: KEIDEL, W.D. "Vibrationsrezeption". Monographienreihe "Erlanger Forschungen", Reihe B, Band 2. Verlag Universitatsbund Er langen 1956 Seite 6 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Blutkreislauf Stoffwechsel Patellarsehnenreflex Helligkeitsunterscheidung Sehscharfe, a. Nadelduse b. Punktabstand Getast Handruhe Kinasthesie Reaktionszeit Aufmerksamkeit Konzentration, a. Bourdon b. Kraepelin Karperdampfung, physikalisch Die untersuchten Frequenzen liegen bei 15 bis uber 1000 Hertz sinusfar miger Schwingungen. Als wesentliches Ergebnis wird festgestellt, daB nur bei relativ hohen Belastungen, wie zum Beispiel 50 Hertz 0,5 mm Amplitude, Anderungen dieser GraBen auftreten. Der Patellarsehnenreflex jedoch wird auch bei geringeren Belastungen in starkem MaBe schwacher und kann ganz verschwinden. Bei labilen Personen kann es Stunden dauern, ehe er wieder seine volle Starke erreicht hat. Die Sehscharfe leidet besonders bei ge wissen Frequenzen EinbuBe, so um 25 Hertz sehr stark und auch um 60 Hertz. Es werden Resonanzstellen des Auges vermutet, wahrend physikalische Damp fungsuntersuchungen nach Auffassung COERMANNS keine Resonanzstellen ab 15 Hertz mehr erkennen lassen. Bei ertragbaren Schwingweg-Amplituden (0,05 mm) sind bei Frequenzen uber 140 Hertz keine Schwingungen mehr am Kopf festzustellen. Die Schadigungsgrenzen werden bedeutend haher als die von REIHER und MEISTER (siehe S. 10) angesetzt. Ebenfalls 1939 wurde eine Arbeit von E.A. MULLER (6) veraffentlicht, die eine gute Erganzung zu den Arbeiten von COERMANN darstellt. Sie umfaBt den Frequenzbereich von 2 bis 20 Hertz und schlieBt somit nach niedrigen Frequenzen an die Arbeit von COERMANN an. Die Untersuchungen wurden bei Amplituden von 0,08 bis 1,6 cm durchgefuhrt, bei vertikalen Schwingungen. Die subjektive Ertraglichkeitsgrenze hat nach MULLER ahnlichen Verlauf wie die nach REIHER und MEISTER, liegt aber etwa um eine Zehnerpotenz der erregenden Amplitude haher. Fur die Kopfschwingung im Vergleich zu den Seite 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen erregenden Schwingungen wurden starke Uberhohungen um 100 bis 200 Prozent zwischen 4 und 5 Hertz festgestellt. Diese Ergebnisse sind im Stehen und Sitzen etwa gleich. Ein Anstieg des Energieverbrauchs, besonders im 0te- hen, wurde durch aktive Muskelarbeit der Beine erklart. Uber 4 Hertz stieg die Ventilation starker an als es der durch die erhohte Muskelarbeit be dingten Zunahme des Sauerstoffverbrauchs entsprechen wlirde. Hierfur wer den die durch Tragheitskrafte hervorgerufenen Bewegungen der Eingeweide zwischen Zwerchfell und Bauchdecke verantwortlich gemacht. Die Zunahme des Energieverbrauchs wurde als etwa proportional del' Frequenz und der Amplitude festgestellt. Beim Stehen ist die Zunahme erheblich groBer als im Sitzen, was auf statische Muskelarbeit zur Aufrechterhaltung des Gleich gewichtes und dynamische Muskelarbeit als reflektorische Eigenbewegung gegen die Schwingungen zuruckgefuhrt wird. Kreislaufuntersuchungen erga ben eine Erhohung del' Pulszahl bis zu 14 je Minute und Blutdrucksenkung bis zu 14 Torr. Ebenfalls wurde die Hauttemperatur am Unterschenkel ge messen, die abfallende Tendenz aufweist. SOMMER (7), LOECKLE (8) und GOLDMANN (9) haben besonders die Abnahme und das Verschwinden des Patellar-Sehnenreflexes untersucht. Auf Grund ihrer Experimente werden verschiedenartige Deutungen der Ursache del' Reflexmin derung angegeben. SOMMER untersuchte den Unterarm unter Vibration und maE die Aktionsstrome der durch die Vibration ausgelosten Eigenreflexe. Er stellt nach 90 Minuten keine Ermudung fest. Daher ist SOMMER del' An sicht, daB die Versuche COERMANNS nicht als Ermtidung von Eigenreflexen ge deutet werden konnen sondern als Schockwirkung auf zentrale Ganglien. LOECKLE untersuchte den Patellar-Sehnenreflex, den Achilles-Sehnenreflex und den Vorderarm-Periostreflex. Die Ergebnisse von COERMANN wurden be statigt und durch Beeinflussung des vegetativen Nervensystems erklart, wo bei von einer Tonisierung der Reflexmuskulatur und einer Ermtidung des Re flexbogens gesprochen wird. Der schlagartige Ausfall des Reflexes bei star ken Erschtitterungen laBt sich hierdurch nicht erklaren. Die motorischen und sensiblen Funktionen erwiesen sich als ungestort. GOLDMANN hat Versuche an Katzen unternommen bei Frequenzen von 10 bis 600 Hertz; Amplituden von 1 mm bringen den Patellar-Sehnenreflex zum Verschwin den. GOLDMANN sieht keinen Zusammenhang zwischen Reflexausfall und sympa thischer Innervation. Er meint, daB die Vibration den Reflex dauernd er regt und so eine zusatzliche Einzelerregung sich nicht mehr dUl'chsetzt. Seite 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Ver~3hrsministeriums Nordrhein-Westfalen Einige spezielle Untersuchungen, insbesondere der Luftfahrtforschung ge ben noch einige Hinweise auf Storungen durch Vibration: FINKLE und POPPEN (10) stellten fest, daB bei Flugzeugvibrationen der Blutzuckerspiegel an wachst, Ermtidung festzustellen ist und das Gehor nachlaBt. ROSKE (11) be obachtet bei Vibration eine teilweise Herabsetzung der Sehleistung, RUFF (15, 16) untersuchte hohe stoBformige Beschleunigungen. Selbst bei StoBen geringerer Starke rufen diese oft innere Verletzungen hervor, die durch geeignete, mit Dampfung versehene Gtirtelkonstruktionen abgefangen werden konnen. In dies em Zusammenhang ist die Seekrankheit zu erwahnen, die von GELLER (12) untersucht wurde. Er stellt eine Abhangigkeit der Haufigkeit und Schwere der Seekrankheit von der Beschleunigung der Schiffsschwingun gen fest; es wird eine oft betrachtliche Erhohung der Pulsfrequenz und haufig eine Irregularitat des Pulses gefunden. Parallel damit lauft eine Erniedrigung des Blutdruckes. Durch die Schiffsbewegung wird bei Menschen mit labilem Kreislauf bereits ohne die typischen Anzeichen der Seekrank heit eine Beeintrachtigung der geistigen und korperlichen Leistungsfahig keit festgestellt. Versuche an einem statistischen Material von Ratten und Kaninchen hat SUEDl (13, 14) durchgeftihrt. Er stellt nach 24-sttindiger Vibration geringe Tem peratursteigerungen fest. Bei Kaninchen untersuchte er den Unterschied zwischen horizontaler und vertikaler Vibration. Bei vertikaler Vibration ist eine geringe Abnahme des Korpergewichtes festzustellen, bei horizon taler Vibration ist die Gewichtsabnahme groBer. Die Tiere mit horizontaler Vibration starben frtiher als die vertikal vibrierten, frtihestens nach 9 Tagen, spatestens nach 21 Tagen. Einige Tiere starben an Krankheiten, die durch die Vibration hervorgerufen worden waren. Aus diesen Versuchen wird der SchluB gezogen, daB, etwa in der Eisenbahn, die horizontalen - und Schaukelbewegungen weitaus schadigender sind als die vertikalen Erschtit terungen. Weiter wurden mit horizontalen Schwingungen bei Amplituden bis zu vier Zentimetern hungernde Ratten untersucht, die im Durchschnitt nach etwa 2 Tagen starben, wahrend eine nicht vibrierte Vergleichsgruppe nach im Durchschnitt 6 Tagen starb. Es wird der SchluB gezogen, daB die Vibra tion die Lebenszeit erheblich herabsetzt. 2.2 Untersuchungen tiber das subjektive Empfinden JANEWAY (19), JACKLIN (20), Mc FARLAND (21), ZAND (22, 23), CONSTANT (24, 25), BEST (26), POSTLETHWAITE (27) und andere Autoren, die im folgen- Seite 9