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.