SPEKTRUM HALSE WÜRTZ FYSIK C. Fysiks optakt til et AST-forløb om kroppen af Niels Henrik Würtz. Energiomsætninger i kroppen

Transkript

1 HALSE WÜRTZ SPEKTRUM FYSIK C Fysiks optakt til et AST-forløb om kroppen af Niels Henrik Würtz Energiomsætninger i kroppen Kondital Glukoseforbrænding Fedtforbrænding Artiklen her knytter sig til kapitel 3, Energi, projekter s. 18 GYLDENDAL 005 1

2 Kroppen som AST-forløb Fysik og Det naturvidenskabelige grundforløb arbejder med temaet kroppen, som munder ud i et AST-forløb om kroppen sammen med samfundsfag og dansk. Fysik tager sig af målingen af kondital ved en direkte måling af iltoptagelsen fra luften for en person på en kondicykel. Artiklen er tænkt som en - introduktion til begrebet kondital - omtale af glukose- og fedtforbrænding i kroppens celler - omtale af måleapparater til måling af luftmængde, oxygen% og puls - introduktion til grafer og talbehandling Kroppen som kraftværk Konstant omsætter kroppen energi. Det sker i form af forbrænding af de kulbrinter, vi indtager med maden. Selv når vi sover, og dermed forholder os helt i hvile omsætter kroppen typisk en energi på 100 J /sekund. Vi siger at hvileeffekten er 100 W, hvor enheden watt netop betyder joule omsat pr. sekund. Hvilke forbrændinger? Det mest almindelige er forbrænding af glukose C 6 H 1 O 6 (druesukker), hvor et glukosemolekyle forbrændes ved omsætning af oxygen O (ilt) til carbondioxid CO og vand. Kemisk opskriver vi reaktionen: C 6 + CO 6H1O6 + O 6H O 6 glukose + oxygen vand + carbondioxid Reaktionen er afstemt så antallet af atomer går op på begge sider. Mere præcist betyder det, at antallet af atomer af hver slags er ens før og efter afbrændingen. Der bliver således ikke overskud af nogle af atomerne ved reaktionen. De store tal til venstre for molekylerne angiver antallet af molekyler. Reaktionen skal derfor læses således, at 1 glukosemolekyle går sammen med 6 oxygenmolekyler og det giver tilsammen 6 vandmolekyler og 6 carbondioxidmolekyler. Alle levende væsner er sammensat af celler lige fra de enkeltcellede bakterier til fx voksne mennesker med omkring celler. Energiomsætningen sker i cellerne, og blodet sørger for at transportere stofferne til cellerne ligesom blodet fjerner affaldsstofferne fra cellerne igen. Blodet pumpes af hjertet, som slår med et antal pulsslag pr. minut, og dette pulsslag afhænger af, hvor hårdt kroppen belastes. Hvordan kommer de enkelte dele hen til cellerne? - glukosen dannes ud fra maden og transporteres via blodet - oxygenet kommer fra indåndingsluften, og overføres til blodet i lungerne

3 Hvordan bringes affaldsstofferne væk fra cellerne? - vandet føres tilbage til blodet og udskilles som urin eller sved - carbondioxidet føres tilbage til blodet og overføres til udåndingsluften i lungerne Når glukosedepoterne i kroppen er brugt efter fx længere tids løb starter kroppen med at forbrænde fedt. Det sker efter en lidt anden formel. Fedt har en anden grundstofsammensætning, og typisk er forholdet mellem Oxygen og Carbon lavere i fedt. Som eksempel kan vi se på forbrændingen af oliesyre - cis-9-octadecensyre, der er en væsentlig bestanddel - 46% vægt - af human fedt (Kemi med temaer, Kongegaard Holmboe, Dal Jensen, Gjellerup & Gad 87) C H COOH + 5½O 18CO + 17H O Kondital For at have et mål for, hvor effektiv kroppen udfører forbrændingen omtalt ovenfor, har man indført et kondital. Ved definition af konditallet fokuserer man på den oxygen, der bruges ved forbrændingen. Man kunne også have valgt at se på produktionen af carbondioxid, da antallet af carbondioxidmolekyler er nøjagtigt liges så stort som antallet af oxygenmolekyler i forbrændingen af glukose. Men da der findes flere forskellige forbrændinger i kroppen med andre molekyler end glukose, hvor der ikke gælder samme simple regel mellem antallet af oxygenmolekyler og carbondioxidmolekyler, har man valgt at måle oxygenindtagelsen. For at konditallet ikke kommer til at afhænge af personens størrelse (hvor meget personen vejer), men udelukkende er et spørgsmål om hvor effektivt kroppens celler udnyttes til forbrænding, har man valgt at se på 1 kg af kroppen. Det gør man ved i første omgang at se på hele kroppens oxygenoptagelse og derefter omregne det til et gennemsnitskilogram. Oxygenet findes i luften, som normalt indeholder 1% ren O. Det skal forstås på den måde, at ud af 100 molekyler i luften er der i gennemsnit 1 oxygenmolekyler. Dette tal varierer lidt, så for at kompensere for dette, omregnes oxygenoptagelsen til ren oxygen. Det vil sige man måler oxygenprocenten i både indåndingsluften og udåndingsluften og ud fra det samlede luftvolumen beregner man sig til, hvor meget ren oxygen, der optages. Forbrændingen foregår hele tiden, så for at få et tal ud af det, beregner man det pr. tidsenhed. Det vil her sige pr. minut. Kondital = antal ml ren oxygen, som maximalt optages pr. minut pr. kg. 3

4 En person, der vejer 78 kg og har et kondital på 45 kan max optage 78 kg 45 ml O /(kg min) = 3510 ml O / min = 3,51 L O altså godt 3,5 liter ren oxygen i minuttet ved max belastning. / min Max belastning Når man laver professionelle kondimålinger, foregår det ved på en kondicykel, et løbebånd eller en romaskine, og så er kunsten at sørge for at personen yder det absolut maximale, og derfor kommer op på den absolut maksimale oxygenoptagelse. Det er tit meget vanskeligt at opnå disse betingelser i laboratoriet, så vi vil lave det, vi kalder en sub-maksimal test. Det vil sige, at vi vil måle flere gange efter hinanden ved forsøg hvor vi er under (sub) den maksimale oxygenoptagelse. Vi registrerer pulsen og måler oxygenoptagelsen pr min. Vores forventning er, at den maximale oxygenoptagelse kan vi sjusse os frem til ved at tagene en graf over oxygenoptagelsen som funktion af pulsen. Så vil vi aflæse grafen ud for personens maxpuls på førsteaksen. Graf over oxygentoptagelsen i ml ren O pr. minut som funktion af pulsen. Den blå kurve er den rette linie, der bedst tilpasser målingerne. Maxpuls Ligesom det er vanskeligt at lave målinger ved max-belastning over længere tid, er det vanskeligt at komme op på maxpulsen. Vi snyder og bruger en formel, som man har målt sig frem til på et stort antal forsøgspersoner, og det passer ret nøjagtigt. En sådan statistisk formel kaldes en empirisk formel. maxpuls = 0 slag pr. min alder Har vi en forsøgsperson på 18 år er maxpulsen 0-18 = 0 slag pr. minut. Nu er det bare at forlænge grafen fra før og aflæse iltoptagelsen pr minut ud for maxpulsen 0 slag pr. min. 4

5 Målingerne Luftmængden måles med et gasur, som man bruger ved bygas. Det er et viserinstrument, hvor viseren drejer i takt med luftgennemstrømningen. For at få det omsat til elektriske signaler, skiftes viseren ud med fx et løbehjul til mus. Så kan man med en fotocelle registrere hvor stor luftmængde, der er udåndet ved i stedet at måle hvor mange afbrydelser, der har været på fotocellen, og hver afbrydelse svarer til et bestemt antal liter luft. Grafisk tegnes den udåndede luft som funktion af tiden: ml luft tid / sek Ved mundstykket er der en ventil, der sørger for at det er frisk luft, der trækkes ind, og udåndingsluften dirigeres gennem slangen til gasuret. De vandrette streger er de perioder, hvor luften indåndes. Gasuret monteret med løbehjul. Fotocelle og oxygencensor Temperaturen måles med et elektronisk termometer, der kobles til opsamlingen af data.. Temperaturen skal bruges til at kompensere for udvidelsen af luften med opvarmning. I konditallet skal temperaturen regnes tilbage til 0 C, og det sker ved hjælp af den målte temperatur. Oxygenmængden måles med en elektrisk oxygencensor, der registrerer %-delen af oxygen i luften. Oxygenprocenten er normalt 1% i indåndingsluften og for at udregne hvor meget oxygen, personen har optaget er det vigtigt at måle oxygen-%-satsen af udåndingsluften. Grafisk tegnes oxygen-%-satsen som funktion af tiden. Det bliver noget i den retning: % oxygen tid / sek 5

6 Resultatbehandling Hvad vil vi udregne? Der laves 3 serier af målinger med hver sin belastning, og hver serie strækker sig over 5 minutter. En med lav belastning, en med middelbelastning og endelig en med høj belastning, dog uden at forsøge at ramme max-pulsen. For hver serie måles - pulsen - luftmængden af udåndingen som funktion af tiden - temperaturen af udåndingen som funktion af tiden - oxygenprocenten som funktion af tiden Udåndingen Find ud af på graferne hvor mange gange forsøgspersonen trækker vejret pr. minut og se hvordan dette tal afhænger af belastningen. Find ud af hvor mange liter luft, som pustes ud pr. indånding (lungevolumen) og se hvordan det afhænger af belastningen. Kondital For hver af de tre målinger udregnes antallet af liter udåndingsluft, der udåndes i minuttet. Omregn dette tal til hvis udåndingsluften var 0 C. Dette sker ved at 0 C + 73 C gange luftmængden med brøken hvor t er temperaturen t + 73 C målt af udåndingsluften. Brøken tager hensyn til udvidelsen, og vil nok være lidt under 1. Udregn mængden af oxygen fjernet fra indåndingsluften pr. minut ud fra oxygen-%-satsen aflæst af udåndingsluften, når indåndingsluftens oxygen-%-sats er 1%. Dette gøres for hver af de 3 serier for sig. Når dette er gjort laves en figur med pulsen på x-aksen fra 0 til ca. 0 pulsslag pr. minut. Op ad y-aksen afsættes den optagne mængde oxygen i ml pr. minut udregnet fra før. Tilpas de tre målepunkter med en ret linie og aflæs hvad oxygenoptagelsen ville have været hvis vi havde udført målingerne ved maxpulsen. Omregn det til et kondital ved at dividere med personens masse i kg. 6