César Osorio Fuentealba (MSc) Laboratorio de Biología Celular del Músculo, ICBM, Facultad de Medicina, U. De Chile.

Contenidos

 Fuerza, Trabajo y Potencia  Determinación de estas cantidades

durante el ejercicio  Consumo de Energía durante el ejercicio  Concepto de VO2

Ergometría: Medición del Trabajo

Fuerza

Unidades:

€

Newton(N) = kg ⋅ ms2

Si consideramos solo la fuerza peso, mg, se define el kilopeso o kilogramo, como la fuerza correspondiente a una masa de 1 kg.

g

Masa= m

Trabajo

M (kg) F (N)

M (kg) F (N) D (m)

W= F x D

€

Joule =1Newton ⋅metro = kg ⋅ ms2⋅m

€

Joule = 0,2388 ⋅ caloria

Trabajo sólo en la dirección de la fuerza

W = M g h = M g D senα

α M

h

D

F

F=M g

Potencia

Por ejemplo, dos personas, A y B realizan un trabajo de igual magnitud.

TA = 5 minutos TB= 20 minutos → PA= 4PB

Energía

 Capacidad de realizar trabajo   Energía Cinética (velocidad)   Energía potencial (posición, altura)   Energía calórica…

1 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 minutos Altura escalón = 0.35 m Trabajo =?

W= F x D F= m x g = 70 kg x 9.8 ms-2 = 686 N

D= altura escalón x escalones por minuto x tiempo

D = 0.35 x 30 x 10 = 105 m W = 686 N x 105 m = 72.03 kJ

P = 72030 J/600 s = 120 W

Cinta rodante con pendiente

Ángulo α = 10° Una persona de 60 kg camina durante 45 minutos a 5 km/h Trabajo =? Potencia =?

W = M x g x D x senα

α

h

D = velocidad x tiempo D = 5 (km/h) x 0.75(h)

D = 3750 km Sen 10 = 0.1736 W= 60 (kg) x 9.8(m/s2) x 3.75(km) x 0.1736

W= 382.8 kJ P = 382.8(kJ)/2700(s) = 141.8 W

Cicloergómetro Radio de la rueda = 1 m Una persona pedalea a 60 rpm durante 2 minutos Fricción de la rueda = 2.5 kg Trabajo =? Potencia = ?

Distancia recorrida = perímetro de la circunferencia x vueltas por minuto x tiempo

D= 2π x r x 60 rpm x 2 minutos D= 753.6 m F = 2.5 x 9.8 = 24.5 N

W= F x D= 753.6 x 24.5 W = 18.5 kJ P = 18500 J/120 s = 154.2 W

Medición de Energía

  Calorimetría directa e indirecta  Directa: medición directa del calor en un calorímetro   Indirecta: medición de la tasa metabólica (consumo de O2)

Calorímetro

Calor liberado en la combustión → elevación de la temperatura del agua circundante Elevación 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?

Consumo de oxígeno VO2

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

RER kcal/L O2 % carbohidratos % Grasa

0.7 4.686 0 100

0.75 4.739 15.6 84.4

0.8 4.801 33.4 66.6

0.85 4.862 50.7 49.3

0.9 4.924 67.5 32.5

0.95 4.985 84 16

1 5.047 100 0

En qué momento medir?

¿Cómo?

VO2= volumen de O2 inspirado-Volumen de O2 expirado

VCO2= volumen de CO2 inspirado-Volumen de CO2 expirado

VO2= (VI x FIO2) - (VE x FEO2)

VCO2= (VE x FECO2) - (VI xFICO2)

FIO2 = 0.2093 FICO2 = 0.0003

Espirometría de circuito cerrado

Estandarización de volúmenes

  Ley de Charles   T α V (si T aumenta, V aumenta)

  Ley de Boyle   VP = cte (si P aumenta, V disminuye)

→ Ley de los gases ideales

  Condiciones estándar: T = 0°C P = 760 mm Hg

  Si las condiciones de medición son Pm= 758 mm Hg Tm = 21°C Vm = 110 L PH20= 18,61 mm Hg

El volumen en condiciones estándar sería

Vm = 99.33 L

VO2 relativo versus absoluto

  Normalización por peso   VO2 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 factores  Duración   Intensidad 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 nivel kcal/min mL O2/kg/min METs

liviano 2.0-4.9 6.1-15.2 1.6-3.9

moderado 5.0-7.4 15.3-22.9 4.0-5.9

pesado 7.5-9.9 23.0-30.6 6.0-7.9

Muy pesado 10.0-12.4 30.7-38.3 8.0-9.9

Actividad kcal/min

(65kg) kcal/min

(80kg) volleyball 3.3 4.0 ciclismo 6.5 8.0

tenis 7.1 8.7 Natación 8.3 10.2

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?

€

Eficiencia ⋅mecánica =Trabajo ⋅ realizadoEnergía ⋅ consumida

×100

RER = 0.88 → 4.9 kcal por litro de oxigeno

4.9 x 25 = 122.5 kcal Eficiencia = (31.2/122.5) x100

Eficiencia = 25.5 %

Conclusiones   La 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 está lejos de ser 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.