Ergometria y calorimetría 2010
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ErgometriaErgometria yy CalorimetrCalorimetrííaa
Mariana Casas (PhD)22 de Abril 2008
Contenidos
Fuerza, Trabajo y PotenciaDeterminación de estas cantidades durante el ejercicioConsumo de Energía durante el ejercicio Concepto de VO2
Ergometría: Medición del Trabajo
Fuerza
Unidades:
naceleraciomasaF ⋅=
2)(smkgNNewton ⋅=
Si consideramos solo la fuerza peso, mg, se define el kilopeso o kilogramo, como la fuerza correspondiente a una masa de 1 kg.
28,91smkgKilopeso ⋅=
g
Masa= m
Trabajo
M (kg)F (N)
M (kg)F(N)
D (m)
W= F x D
msmkgmetroNewtonJoule ⋅⋅=⋅= 21
caloriaJoule ⋅= 2388,0
Trabajo sólo en la dirección de la fuerza
W = M g h = M g D senα
αM
h
D
F
F=M g
Potencia
tiempoTrabajoP = segundo
JouleWWatt =)(
Por ejemplo, dos personas, A y B realizan un trabajo de igual magnitud.
TA = 5 minutosTB= 20 minutos → PA= 4PB
Energía
Capacidad de realizar trabajoEnergía Cinética (velocidad)Energía potencial (posición, altura)Energía calórica…
caloriaJoule ⋅= 2388,01 caloría = energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de H2O de 14,5 a15,5°C
Midiendo con un ergómetro
Una persona de 70 kg sube el escalón a una velocidad de 30 veces por minuto, durante 10 minutosAltura escalón = 0.35 mTrabajo =?
W= F*D F= m*g = 70*9.8 = 686 N
D= altura escalón*escalones por minuto*tiempo
D= 0.35*30*10= 105 m W= 686*105= 72.03 kJ
P=72030/600= 120 W
Corredora con ángulo
Angulo α = 10°Una persona de 60 kg camina durante 45 minutos a 5 km/hTrabajo =?
W=M g D senα
α
h
D = velocidad * tiempo D = 5 (km/h)* 0.75(h)
D = 3.75 km Sen 10= 0.1736 W= 60 (kg)*9.8(m/s2)*3750(m)*0.1736
W= 382.8 kJ P = 382800(J)/2700(s) = 141.8 W
Ergómetro cíclicoRadio de la rueda = 1 mUna persona pedalea a 60 rpmdurante 2 minutosFricción de la rueda = 2.5 kgTrabajo =?
Distancia recorrida =perímetro de la circunferencia *vueltas por minuto* tiempo
D= 2*π*r*60rpm*2 minutos D= 753.6 m F = 2.5*9.8 = 24.5 N
W= F*D= 24.5*753.6 W= 18.5 kJ P = 18500/120= 154.2 W
Medición de Energía
Calorimetría directa e indirecta Directa: medición directa del calor en un calorímetroIndirecta: medición de la tasa metabólica (consumo de O2)
Energía de nutrientes + O2 → CalorCalor + CO2 + H2O
→ el calor es un producto del metabolismo
→ la tasa de liberación de calor es proporcional al metabolismo
Calorímetro
Calor liberado en la combustión → elevación de la temperatura del agua circundanteElevación de 1°C de 1 gramo de agua = 1caloría liberada en la combustión
Calorímetro humano
Calorímetro Atwater-Rosa
Calorimetría indirecta: medición de VO2
Energía de nutrientes + O2 → Calor + CO2 + H2O
Calor es proporcional al consumo de O2
¿De qué depende la constante de proporcionalidad?
Como relacionar VO2 con energía?
Si la fuente de energía son carbohidratos:1 mol C6H12O6 + 6 mol O2 → 6 mol CO2 + 6 mol H2O
Si la fuente de energía son lípidos:1 mol C16H32O2 + 23 mol O2 → 16 mol CO2 + 16 mol H2O
RER= producción de CO2
consumo de O2
01005.0471
16844.9850.95
32.567.54.9240.9
49.350.74.8620.85
66.633.44.8010.8
84.415.64.7390.75
10004.6860.7
% Grasa% carbohidratoskcal/L O2RER
En qué momento medir?
¿Cómo?
VO2= volumen de O2 inspirado-Volumen de O2 expirado
VCO2= volumen de CO2 inspirado-Volumen de CO2expirado
VO2= (VI*FIO2) - (VE*FEO2)
VCO2= (VE*FECO2) - (VI*FICO2)
FIO2 = 0.2093 FICO2 = 0.0003
Espirometría de circuito cerrado
Estandarización de volúmenes
Ley de CharlesT α V (si T aumenta, V aumenta)
Ley de BoyleVP= cte (si P aumenta, V disminuye)
→ Ley de los gases ideales
2
22
1
11
TVP
TVPctenR
TPV
=⇒==
nRTPV =
Condiciones estándar: T= 0°C P=760 mm Hg
Si las condiciones de medición sonPm=758 mm Hg Tm = 21°CVm = 110 L PH20= 18,61 mm Hg
El volumen en condiciones estándar sería
( )( ) mmst VVV ⋅=⋅
+⋅
−= 903.0
21273273
7606.18758
Vm = 99.33 L
VO2 relativa versus absoluta
Normalización por pesoVO2 medido= VO2 reposo + VO2 ejercicio
Componentes del gasto energético
60%Metabolismo basal
30%Actividad física
8%alimentación
Intensidad del ejercicio
Dificultad de un ejercicio depende de dos factoresDuraciónIntensidad del esfuerzo
Equivalente metabólico (MET)Gasto energético promedio o consumo de O2 basal en un adulto: 250 mL/min, 1 kCal/(kg*h)
Clasificación de la actividad física
8.0-9.930.7-38.310.0-12.4Muy pesado
6.0-7.923.0-30.67.5-9.9pesado
4.0-5.915.3-22.95.0-7.4moderado
1.6-3.96.1-15.22.0-4.9liviano
METsmL O2/kg/minkcal/minnivel
10.28.3Natación8.77.1tenis8.06.5ciclismo4.03.3volleyball
kcal/min(80kg)
kcal/min(65kg)
Actividad
Eficiencia en el uso de energía
Ejemplo:Una persona realiza 15 min de bicicleta estática con un trabajo realizado de 31.2 kcal. El consumo de oxígeno durante esta actividad fue de 25 L, con un RER= 0.88. Eficiencia?
100×⋅⋅
=⋅consumidaEnergíarealizadoTrabajomecánicaEficiencia
RER=0.88 → 4.9 kcal por litro de oxigeno
4.9*25= 122.5 kcalEficiencia=(31.2/122.5)*100
Eficiencia = 25.5 %
ConclusionesLa ergometría permite determinar fácilmente el trabajo realizado durante una actividad física
El gasto energético asociado a una actividad esta directamente relacionado con el calor liberado por el organismo durante la realización de dicha actividad
El calor liberado esta directamente relacionado con el consumo de oxigeno y el RER, los que pueden ser determinados experimentalmente
Como cualquier máquina, la eficiencia del cuerpo humano para producir trabajo mecánico es inferior al 100%
Referencias
Essentials of Exercise physiology. McArdle W., Katch F., Katch V.Exercise Physiology. Brown S.,Miller W., Eason J.Feynman lectures on physics. Feynman R.