Clase de Ergometria y Calorimetria
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César Osorio Fuentealba (MSc) Laboratorio de Biología Celular del Músculo, ICBM, Facultad de Medicina, U. De Chile.
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Contenidos
Fuerza, Trabajo y Potencia Determinación de estas cantidades
durante el ejercicio Consumo de Energía durante el ejercicio Concepto de VO2
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Ergometría: Medición del Trabajo
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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
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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
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Trabajo sólo en la dirección de la fuerza
W = M g h = M g D senα
α M
h
D
F
F=M g
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Potencia
Por ejemplo, dos personas, A y B realizan un trabajo de igual magnitud.
TA = 5 minutos TB= 20 minutos → PA= 4PB
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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
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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
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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
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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
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Medición de Energía
Calorimetría directa e indirecta Directa: medición directa del calor en un calorímetro Indirecta: medición de la tasa metabólica (consumo de O2)
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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
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Calorímetro humano
Calorímetro Atwater-Rosa
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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?
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Consumo de oxígeno VO2
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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
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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
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En qué momento medir?
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¿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
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Espirometría de circuito cerrado
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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
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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
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VO2 relativo versus absoluto
Normalización por peso VO2 medido= VO2 reposo + VO2 ejercicio
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Componentes del gasto energético
60% Metabolismo basal
30% Actividad física
8% alimentación
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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)
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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
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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 %
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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%.
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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.