Szkoła Główna Służby Pożarniczej Zakład Ratownictwa Technicznego i Medycznego Laboratorium Bezpieczeństwa Ratownictwa Ćwiczenie nr 4 Temat: Badanie wpływu obciążenia (wysiłku fizycznego) na parametry fizjologiczne organizmu oraz na szybkość zużywania powietrza w aparatach powietrznych Warszawa 2012
1. Wprowadzenie Każdy wysiłek fizyczny związany jest z zapotrzebowaniem organizmu na energię, która dostarczana jest do organizmu z substratów energetycznych (węglowodanów, tłuszczy, białek) w wyniku skomplikowanych przemian biochemicznych nazywanych metabolizmem. Do reakcji tych (zwłaszcza cyklu Krebsa) potrzebny jest również tlen z powietrza atmosferycznego. Wysiłek fizyczny wpływa na pracę nie tylko mięśni szkieletowych, ale również układu krążenia, oddechowego, nerwowego, wewnętrznego wydzielania, funkcję nerek, wątroby i przewodu pokarmowego. W czasie wysiłku zmienia się również przemiana materii. Z tych właśnie powodów wysiłkiem fizycznym określa się pracę mięśni szkieletowych wraz z całym zespołem towarzyszących jej czynnościowych zmian w organizmie. Charakterystyka procesów zachodzących w pracujących mięśniach i innych narządach w czasie wysiłku zależy od: 1. Rodzajów skurczów mięśni, 2. Wielkości grup mięśniowych zaangażowanych w wysiłku, 3. Czasu trwania wysiłku, 4. Intensywności pracy
Obciążenie pracą fizyczną w zależności od rodzajów skurczów mięśni dzielimy na statyczne i dynamiczne. Istotą obciążenia dynamicznego jest wynikająca z czynności roboczych konieczność rozwinięcia określonej siły poprzez zmianę długości mięśni zaangażowanych w wykonanie tych czynności ( przewaga skurczów izotonicznych i krótkotrwałe skurcze izometryczne). Przykładem pracy z przewagą takiego obciążenia jest zmiana pozycji ciała, poruszenie elementów maszyn, chód, bieg, jazda na rowerze itp. Istotą obciążenia statycznego jest wynikająca z czynności roboczych konieczność utrzymania określonej siły przez stabilizację długości mięśni zaangażowanych w wykonanie tych czynności ( długie skurcze izometryczne mięśni). Przykładem pracy z przewagą takiego obciążenia jest utrzymanie stałej pozycji ciała pracownika, utrzymanie stałego położenia ciężaru lub pozycji elementów maszyn i urządzeń. Na obciążenie pracą fizyczną składają się na ogół czynności powodujące zarówno obciążenie dynamiczne jak i statyczne. W zależności od wielkości grup mięśniowych zaangażowanych w wysiłku, wyróżnia się wysiłki lokalne, obejmujące mniej niż 30 % całej masy mięśni (praca wykonywana za pomocą kończyn górnych) i wysiłki ogólne, podczas których zaangażowane jest ponad 30 % masy mięśni ( praca wykonywana za pomocą obu kończyn dolnych). O wysiłkach maksymalnych mówimy wtedy, gdy zapotrzebowanie na tlen podczas wykonywania pracy jest równe indywidualnej wartości VO 2 max (pułapu tlenowego).
Pułap tlenowy jest to sumaryczny wskaźnik charakteryzujący sprawność układu krążenia i układu oddechowego. Jest to zdolność do pobierania tlenu przez organizm, czyli maksymalna jego ilość, jaką może pobrać organizm z powietrza atmosferycznego w czasie wysiłku maksymalnego, zwana także wydolnością aerobową organizmu (VO 2max ). Wysiłki supramaksymalne występują wtedy, gdy zapotrzebowanie na tlen przekracza VO 2 max a wysiłki submaksymalne wtedy, gdy zapotrzebowanie na tlen jest mniejsze, niż VO 2max. Wysiłki submaksymalne mogą trwać krótko, średnio i długo, maksymalne średnio i krótko, a supramaksymalne wyłącznie krótko. Wysiłki submaksymalne mogą być podzielone ze względu na ciężkość (intensywność) na: lekkie do 20% VO 2 max, średnio-ciężkie 20-50% VO 2 max, ciężkie powyżej 50% i bardzo ciężkie powyżej 75% VO 2 max. Poziom pułapu tlenowego wyraża się w następujących jednostkach: - litr O 2 na minutę (l/min) lub mililitr O 2 na minutę (ml/min) - mililitr O 2 na kilogram masy ciała na minutę (ml/kg/min) eliminuje to wpływ masy ciała na całkowitą ilość pobranego tlenu. Maksymalny pobór tlenu jest wartością stałą dla danego osobnika, jednakże może on ulegać odchyleniom pod wpływem np. treningu lub zmian patologicznych w obrębie układu krążenia lub oddechowego. Wartość średnia VO 2max. u osób zdrowych i dorosłych, nietrenujących wynosi ok. 44-55 ml/kg/min, u wytrenowanych sportowców może dochodzić do 85 ml/kg/min, a najniższa wartość umożliwiająca pełną niezależność lokomocyjną człowieka wynosi ok. 15 ml/kg/min. maksymalne wartości poboru tlenu u ludzi w różnym wieku przedstawia tabela nr 1. Tabela 1. Maksymalne pobieranie tlenu u ludzi w różnym wieku. Wiek, lata Kobiety : 20-29 30-39 40-49 50-65 Wydolność, l/min ( ml/min/kg ) b. mała mała przeciętna duża b. duża <1,69 (28) 1,70-1,99 (29-34) 2,0-2,49 (35-43) 2,50-2,79 (44-48) >2,80 (49) <1,59 1,60-1,89 1,90-2,39 2,40-2.69 >2,70 (27) (28-33) (34-41) (42-47) (48) <1,49 1,50-1,79 1,80-2,29 2,30-2,59 >2,60 (25) (26-31) (32-40) (41-45) (46) <1.29 1,30-1,59 1,60-2,09 2,10-2,39 (21) (22-28) (29-36) (37-41)
Mężczyźni : 20-29 30-39 40-49 50-59 60-69 <2,79 (38) <2,49 (34) <2,19 (30) <1,89 (25) <1,59 (22) 2,80-3,09 (39-43) 2,50-2,79 (35-39) 2,20-2,49 (31-35) 1,90-2,19 (26-31) 1,60-1,89 (22-26) 3,10-3,69 (44-51) 2,80-3,39 (40-47) 2,50-3,09 (36-43) 2,20-2,79 (32-39) 1,90-2,49 (27-35) 3,70-3,99 (52-56) 3,40-3,69 (48-51) 3,10-3,39 (44-47) 2,80-3,09 (40-43) 2,50-2,79 (36-39) >4,00 (57) >3,70 (52) >3,40 (48) >3,10 (44) >2.80 (40) Wysiłki krótkotrwałe wiążą się z procesami anaerobowymi (beztlenowymi) zachodzącymi w organizmie i zaliczyć do nich możemy skoki, rzuty, biegi trwające poniżej 30 sekund odbywające się kosztem rozpadu związków wysokoenergetycznych zawartych w mięśniach. Do wysiłków długotrwałych związanych z angażowaniem potencjału tlenowego organizmu człowieka zaliczamy biegi maratońskie oraz biegi na 10 km i 5 km. Maksymalny pobór tlenu (pułap tlenowy) jest istotnym czynnikiem determinującym zdolność do wykonywania wysiłków długotrwałych z przewagą tlenowych procesów metabolicznych. Często mamy również do czynienia z wysiłkami mieszanymi trwającymi od 30 s do ok. 1 godziny, do których można np. zaliczyć gry zespołowe. Oprócz rodzaju obciążenia fizycznego ważny dla jego oceny jest rytm obciążeń w ciągu zmiany roboczej (szybki narzucony rytm czynności roboczych znacznie zwiększa obciążenie organizmu). Także monotypowość czynności roboczych zwiększa możliwość ujemnych następstw dla organizmu pracownika, zarówno przy pracy statycznej jak i dynamicznej, gdyż obciążone są stale te same grupy mięśni, niemające czasu na niezbędną odnowę. Na kompleksową ocenę obciążenia organizmu pracującego człowieka składają się więc następujące elementy: - wielkość wydatku energetycznego; - udział wysiłków o charakterze statycznym; - stopień monotypowości ruchów.
Miarą obciążenia organizmu pracą fizyczną jest wydatek energetyczny (WE) oraz związana z nim wentylacja minutowa określająca ilość powietrza zużytego przez organizm na wykonanie pracy. Wydatek energetyczny (WE) definiowany jako ilość energii wydatkowanej poprzez organizm podczas wykonywanych czynności roboczych jest często stosowaną miarą ciężkości pracy. Na ilość energii zużywanej przez organizm w czasie wykonywania pracy składa się wydatek energetyczny spoczynkowej przemiany materii (RMR) oraz energia zużytkowana na wykonanie danej czynności, czyli tzw. wydatek energetyczny pracy efektywnej ( lub netto). Zgodnie z układem jednostek SI, wydatek energetyczny określany jest w jednostkach pracy, czyli w dżulach (J) na jednostkę czasu lub w watach (W). W związku z długoletnim funkcjonowaniem jednostek kalorymetrycznych kalorii (cal) lub kilokalorii (kcal) w określaniu wydatku energetycznego, wciąż spotyka się dane liczbowe dotyczące wydatku energetycznego podawane w tych właśnie jednostkach. Przeliczanie wydatku energetycznego mierzonego w kcal na kj odbywa się zgodnie z zależnością: Waty kcal/min kj/min 1 Wat 1,0 0,014335 0,0599995 1 kcal/min 69,759 1,0 4,1855 1 kj/min 16,667 0,23892 1,0 Pomiaru wydatku energetycznego można dokonać przy pomocy różnego rodzaju metod: - kalorymetrii bezpośredniej, - kalorymetrii pośredniej, - metody chronometrażowo tabelarycznej wg. Lehmanna, - metody oceny na podstawie mechanicznego efektu pracy, - oceny wydatku energetycznego na podstawie zachodzących w czasie pracy zmian fizjologicznych Metoda kalorymetrii bezpośredniej pozwala na jednoczesny pomiar wymiany gazowej i wytworzonego ciepła aparatem Atwatera Rosa Benedicta i jest możliwa do przeprowadzenia wyłącznie w warunkach laboratoryjnych. Metoda kalorymetrii pośredniej opiera się na pomiarze ilości wykorzystywanego tlenu i wyprodukowanego w tym samym czasie dwutlenku węgla. Pomiary metodami kalorymetrii wymagają niestety odpowiedniej aparatury i specjalnie wyszkolonego personelu, są też pracochłonne i dlatego wykonuje się je tylko w wyspecjalizowanych laboratoriach.
Metody chronometrażowo tabelaryczne opierają się na wykorzystaniu tablic przedstawiających wartości wydatku energetycznego przy różnych czynnościach. Szczególną formą szacowania wielkości wydatku energetycznego na stanowiskach pracy metodą chronometrażowo-tabelaryczną jest metoda Lehmanna. Metoda ta uwzględnia pozycję i rodzaj grup mięśniowych zaangażowanych przy wykonywaniu pracy. Metoda Lehmanna jest dwuetapowa. W etapie pierwszym dokonuje się oceny pozycji podczas pracy i stosując tabelę 2, szacuje się wydatek energetyczny, wynikający z utrzymania tej pozycji. W etapie drugim, na podstawie analizy czynności roboczych, ocenia się główne grupy mięśni wykonujących te czynności i stosując tabelę 3, szacuje się wydatek energetyczny, wynikający z wykonywania tej czynności. Koszt energetyczny pracy określa się poprzez zsumowanie wyników uzyskanych w obu etapach i pomnożenie ich przez wyznaczony czas wykonywania danej czynności. Otrzymujemy w ten sposób efektywny wydatek energetyczny (netto). Metoda ta jest prosta w zastosowaniu ale niezbyt dokładna. Tabela 2 Wydatek energetyczny Pozycja ciała w kcal/min w kj/min Siedząca 0,3 1,2 Na kolanach 0,5 2,1 Na kucki 0,5 2,1 Stojąca 0,6 2,5 Stojąca pochylona 0,8 3,3 Chodzenie 1,7-3,5 7,1-14,6 Wchodzenie po pochyłości bez obciążenia 0,75 na l m wzniesienia 3,1 na l m wzniesienia
Tabela 3 Wydatek energetyczny Rodzaj pracy w kcal/min w kj/min Praca palców, dłoni i przedramienia lekka średnia ciężka 0,3-0,6 0,6-0,9 0,9-1,2 1,2-2,5 2,5-3,8 3,8-5,0 Praca jednego ramienia lekka średnia ciężka 0,7-1,2 1,2-1,7 1,7-2,2 2,9-5,0 5,0-7,1 7,1-9,2 Praca obu ramion lekka średnia ciężka 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 6,3-8,4 8,4-10,5 10,5-12,6 Praca mięśni kończyn i tułowia 2,5-4,0 10,5-16,7 lekka 4,0-6,0 16,7-25,1 średnia 6,0-8,5 25,1-35,5 ciężka 8,5-11,5 35,5-48,1 Stosunkowo prostymi w wykonaniu a równocześnie dość dokładnymi są metody badania wysiłku oparte na pomiarach parametrów fizjologicznych. Jedną z fizjologicznych metod analizy obciążenia pracą (kosztu energetycznego pracy) jest pomiar częstości skurczów serca podczas pracy. Metoda ta jest mniej złożona niż pomiar np. zużycia tlenu, ale też jest ona mniej dokładna. Wynika to m.in. z faktu zależności skurczów serca od wielu egzo- i endogennych czynników takich jak: praca dynamiczna, stres cieplny ale też wysiłek statyczny, obciążenie psychiczne, hałas, stan zdrowia człowieka. Dlatego też metoda ta ma zastosowanie wyłącznie w przypadku pracy dynamicznej, z zaangażowaniem dużych grup mięśniowych, przy małym obciążeniu statycznym mięśni i przy braku stresu cieplnego i obciążenia psychicznego człowieka podczas pracy. Zależność między kosztem energetycznym a częstością skurczów serca może być opisana wzorem (wg. ISO 8996:1990): M = 4 x HR 255 gdzie: M koszt energetyczny pracy w W/m 2, HR częstość skurczów serca podczas pracy
W praktyce przemysłowej często stosuje się do pomiaru wydatku energetycznego, metodę opartą na wentylacji minutowej płuc. Pomiędzy wielkością zużycia tlenu podczas wysiłku i wentylacją minutową istnieje bowiem wysoki współczynnik korelacji i prawie liniowa zależność. Na tej podstawie można obliczyć przybliżoną wartość wydatku energetycznego na podstawie wzoru Datta Ramanathana: E = 0,21 x V E(STPD) gdzie: E wydatek energetyczny w kj/min V E(STPD) wentylacja płuc w l/min, w warunkach STPD (objętość gazu suchego w temperaturze 0 0 C i ciśnieniu 101,3 kpa) Metoda pomiaru parametrów fizjologicznych takich jak wentylacja minutowa płuc, częstość tętna i temperatura ciała umożliwia również określenie wydatku energetycznego zgodnie z tabelą 4. Liczby dżuli podane w tabeli ujmują zarówno efektywny wydatek energetyczny jak i spoczynkową przemianę materii RMR, czyli są to tzw. dżule brutto. W celu wyliczenia dżuli efektywnych, bez uwzględnienia RMR, odejmujemy od wskazanych wartości 4,2 kj. Podstawowa przemiana materii (Basal Metabolic Rate)- jest to najniższy poziom przemian energetycznych dostarczający energii niezbędnej do podtrzymywania podstawowych funkcji fizjologicznych (praca układu krążenia, oddechowego, trawienia itp.). Jej pomiar powinien być wykonywany w warunkach spokoju fizycznego, psychicznego oraz komfortu cieplnego czyli wczesnym rankiem, w pozycji leżącej, na czczo, przed rozpoczęciem jakiejkolwiek aktywności fizycznej, bez spożywania posiłków oraz używek na co najmniej 12 godzin przed pomiarem. Jeżeli któryś z wymienionych warunków nie zostanie spełniony np. przed pomiarem spożyjemy już posiłek to mówimy wtedy o spoczynkowej przemianie materii (Resting Metabolic Rate). Na wartość BMR wpływają takie parametry jak np. płeć (mniejsza u kobiet), wiek (wraz z wiekiem zmniejsza się BMR), rozmiary ciała, stan fizjologiczny, stan zdrowia (np. nadczynność tarczycy to wzrost BMR o 100%) i odżywienia, czynniki genetyczne. Średnia wartość podstawowej przemiany materii (BMR) u zdrowego człowieka wynosi około 1kcal/1kg masy ciała/1h.
Pierwszą metodą teoretycznego obliczania BMR był wzór Harrisa Benedicta opublikowany w 1919 r: 9,56w 1,8496h 4.6756a kobiety BMR [kcal/dobę] = 665,09 + + 1kg 1cm 1lata 13,7516w 5,0033h 6,7550a mężczyźni BMR[kcal/dobę] = 66,473 + + 1kg 1cm 1lata gdzie: w masa ciała (w kg); h wzrost (w cm); a wiek (w latach) Równanie to uważano za najlepsze do obliczania BMR aż do roku 1990 kiedy to MD Mifflin oraz ST Jeor opublikowali swoje równanie: 10,0w 6,25h 5,0a BMR[kcal/dobę] = s + + 1kg 1cm 1lata gdzie za s podstawiamy +5 w przypadku mężczyzn oraz -161 w przypadku kobiet U osób dorosłych wartość BMR kształtuje się w zakresie 1400 1700 kcal /dobę i maleje wraz z wiekiem. Podczas pracy umysłowej nie stwierdzono przyrostu BMR. Przemiana materii w czasie pracy wzrasta odpowiednio do wielkości obciążenia wysiłkiem fizycznym. Wysiłek ten wymaga od organizmu zwiększenia pracy poszczególnych układów, zwłaszcza układu krążenia krwi dla dostarczenia mięśniom zwiększonej ilości substytutów energetycznych i usunięcia z nich produktów przemiany materii. Dlatego też miernikiem obciążenia pracą fizyczną jest wzrost podstawowych wskaźników fizjologicznych układu krążenia ( np. częstości skurczów serca) i oddychania (np. wentylacja płuc, zużycie tlenu). Obciążenie pracą fizyczną można określić również poprzez temperaturę wewnętrzną. Sprawność organizmu człowieka mierzona wielkością wykonanej pracy w stosunku do wydatkowanej energii jest niewielka i wynosi max. 25%. Oznacza to że na każde 4 kcal energii wytworzonej w organizmie w czasie pracy tylko 1 kcal zmienia się w użyteczną pracę a pozostałe 3 kcal zmieniają się w ciepło, powodując dodatkowe obciążenie organizmu, który musi uruchomić mechanizmy termoregulacji dla usunięcia nadmiaru ciepła.
Tabela 4 Zmiany parametrów fizjologicznych w zależności od stopnia ciężkości pracy fizycznej ( wg. E.H. Christensena) Stopień ciężkości pracy fizycznej Wydatek energetyczny brutto [kcal/min] Wydatek energetyczny brutto [kj/min] Zużycie tlenu [l/min] Parametry fizjologiczne Wentylacja minutowa płuc [l/min] Częstość skurczów serca [razy/min] Temperatura wewnętrzna ciała [ 0 C] spoczynek 0,26-0,24 1,1-1,0 0,25 0,3 6-8 60-70 36,6 b.lekka < 2,5 < 10,5 0,3-0,5 8-10 < 75 36,6-37 lekka 2,5 5,0 10,5 21,0 0,5 1,0 10 20 75 100 37,1 37,5 średnia 5,1-7,5 21,1 31,6 1,1 1,5 21 35 101 120 37,6 38,0 ciężka 7,6 10,0 31,7 41,9 1,6 2,0 36 50 121 140 38,1 38,5 b.ciężka 10,1 12,5 42,0 52,6 2,1 2,5 51-65 141-160 38,6 39,0 niezm. ciężka 12,6 15,0 52,7 62,7 2,6 3,0 66-85 161-180 39,1 39,5 wyczerpująca >15,0 > 62,7 > 3,0 > 85 > 180 > 39,5. Analizy efektywnego wydatku energetycznego (netto) pracowników podczas pracy mogą okazać się przydatne na przykład w następujących zakresach: 1. Normowanie pracy; 2. Ocena ryzyka zawodowego; 3. Kwalifikowanie niektórych rodzajów pracy, jako pracy w szczególnych warunkach, o których mowa w ustawie o emeryturach pomostowych; 4. Kontroli warunków pracy w kontekście konieczności wydawania pracownikom napojów i/lub posiłków profilaktycznych. Klasyfikacja ciężkości pracy na podstawie wartości efektywnego wydatku energetycznego (netto) w ciągu zmiany roboczej (8h) wygląda następująco:
Wraz z rozpoczęciem wysiłku rośnie pobór tlenu. W wysiłkach podprogowych o stałej mocy (poniżej LT progu mleczanowego) pobór tlenu stabilizuje się po około 2 minutach. Stan stabilnego poboru tlenu nazywa się steady state. W wysiłkach ponadprogowych (powyżej LT progu mleczanowego) po zakończeniu szybkiej fazy wzrostu poboru tlenu (tj. po około 3 minutach wysiłku) steady state nie występuje, lecz pobór tlenu ciągle wzrasta co obrazuje wykres poniżej: Próg mleczanowy (LT), zwany progiem przemian beztlenowych lub progiem anaerobowym, to taka intensywność wysiłku (wielkość generowanej mocy, prędkość biegu itp.), po przekroczeniu której stężenie mleczanu we krwi przekracza poziom spoczynkowy i systematycznie wzrasta. Związane jest to z faktem że po przekroczeniu tego progu energia dostarczana jest w wyniku procesów beztlenowych. Deficyt tlenowy to różnica pomiędzy spodziewanym poborem tlenu, szacowanym na podstawie równowagi funkcjonalnej (steady state), a wielkością poboru tlenu (VO 2 ) w pierwszych minutach wysiłku. W wysiłkach podprogowych, tam gdzie stan równowagi funkcjonalnej jest osiągany, różnica ta jest łatwa do wyliczenia. Natomiast w wysiłkach ponadprogowych z powodu braku steady state w poborze tlenu wyliczenie deficytu tlenowego tym sposobem jest niemożliwe. Długiem tlenowym nazywamy nadwyżkę w poborze tlenu ponad wartość spoczynkową, jaka występuje po zakończeniu wysiłku. Wielkość długu tlenowego możemy określić zarówno po wysiłkach podprogowych, jak i ponadprogowych. W przebiegu długu tlenowego wyróżniamy trzy fazy:
fazę szybką, trwającą kilka minut, fazę wolną, trwającą do kilkudziesięciu minut, fazę ultrawolną, trwającą do kilku godzin. Po wysiłkach krótkotrwałych o intensywności podprogowej występuje jedynie faza szybka. Pozostałe dwie fazy długu tlenowego są obecne jedynie po wysiłkach intensywnych (ponadprogowych) oraz o przedłużonym czasie trwania. 2. Cel i przebieg ćwiczenia Zgodnie z załączoną instrukcją wykonania ćwiczenia. 3. Bibliografia: 1) Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. Nauk. D.Koradecka, Warszawa CIOP 1997 2) Ocena wielkości obciążenia pracą fizyczną na stanowiskach roboczych. Koradecka D., Bugajska J., CIOP 1998 Warszawa 3) Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. red. Jan Górski, wyd. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2006 4) Wprowadzenie do fizjologii klinicznej. Wyd.II. Warszawa, PZWL 1995 5) Podstawy fizjologii wysiłku fizycznego. A.Jaskólski, A. Jaskólska, Wydawnictwo AWF, Wrocław 2005
6) Wskazówki do ćwiczeń z fizjologii dla studentów wychowania fizycznego. Halina D.Halicka-Ambroziak, Roman Jusiak, Adam Martyn, Benedykt Opaszowski, Irena Szarska, Maria Tyszkiewicz, Bożena Witt, Wydawnictwa AWF, Warszawa 2007 7) Ergonomia. Maria Wykowska, Wydawnictwa AGH, Kraków 1994, 8) Podstawy fizjologii pracy materiały do ćwiczeń, Piotr Rybak, Politechnika Warszawska, 2005