Når den nederste hylde er slået ned vil det hvide lysnetstik være til den indbyggede lampe der

Transkript

1 Vejledning i brug af den mobile termokasse og datafangst af temperatur og fugtighed i forbindelse med måling af kroppens hvilestofskifte (BMR=basic metabolic rate). Ved hjælp af termokassen er det muligt at bestemme den varmeeffekt, der afgives fra person i hvile eller under let fysisk aktivitet. Det er muligt at opnå rimeligt troværdige resultater med en forsøgstid på 10 min. I selve forsøgsvejledningen til undersøgelse af kroppens basale stofskifte er der en kalibreringskurve, der kan anvendes efter et sådant 10 min's forsøg. Termokassens indre dimentioner: Højde: 130 cm, Dybde: 82 cm, Bredde: 55 cm Volumen: 585,2 L når paneler, sæde, sensorer, ventilationsrør og andre installationer er fratrukket. Som det ses på figurerne er termokassen forsynet med drejelige hjul, hvoraf det forreste par kan låses. Det gør ind- og udstigning lettere. Ved åbning af frontlågen skal man være opmærksom på, ikke at åbne den mere end 90 o. Billedet herover viser låsesystemet. Det består af en stålwire der går fra klemlåsen ud over hjørnebøjlen og med en løkke rundt om splitten på fronten. Ved lukning skal man være opmærksom på, at lågen yder en modstand grundet de skumgummi-tætningslister, der gør termokassen velisoleret. Det betyder at men er nødt til at presse lågen ind mod termokassen, før stålwiren kan nå rundt om metalbøjlen i hjørnet og splitten. Først nu skal klemlåsen lukkes. Tætningslisterne isolerer det indre luftrum selvom lågen ikke ser ud til at være helt lukket. Selv om termokassen er forsynet med en 4-lags termoglasrude, kan det ikke udelukkes, at en forsøgsperson kan føle en form for klaustrofobi inden forsøgstiden er afsluttet. Dette skulle gerne modvirkes af den paniksplit, der sidder i øverste højre hjørne på lågens inderside. Hvis denne split trækkes ud kan forsøgspersonen åbne lågen på et øjeblik. 10 min. før forsøget starter skal termokassen åbnes og aklimatiseres til lokalets temperatur og fugtughed. I mellemtiden kan man opstille en bærbar PC og dataopsamlingsinterfacet på hylderne på bagsiden. Disse kan slås ned fra transportstillingen ved at dreje de to metalbøjler øverst på hver hylde. Ingen af hylderne er dog beregnet til mere end 10kg. Når den nederste hylde er slået ned vil det hvide lysnetstik være til den indbyggede lampe der 1

2 anvendes til kalibrering. Det er dog ikke nødvendigt at kalibrere før hvert forsøg. I vejledningen Kroppens basalstofskifte findes allerede en kalibreringskurve. temperatursensor LabPro interface Sensor til relativ fugtighed På de tre billeder oven over ses til venstre det interface, der skal forbinde sensorerne med den bærbare PC. De to øvrige viser selve sensorerne, der skal registrere forsøgspersonens påvirkning af henholdsvis temperatur og relativ fugtighed i termokassen. Forsøget kan udviddes med endnu to sensorer en iltsensor og en kuldioxidsensor, hvis man ønsker at måle forsøgspersonens respiratoriske kvotient. På billedet til venstre ses det indre af termokassen. Bagest er ventilationsrøret der ved hjælp af en lille lydsvag blæser sikrer en ensartet opblanding af luften. Blæseren er placeret neders i røret og giver en jævn opadgående luftcirkulation forbi sensorerne på 60-80L/min. Holderen til kalibreringslampen vil normalt være placeret på gulvet bagest i termokassen, men passer i øvrigt i det forborede hul i siddebrædet. På figuren har lampen samme placering som en persons centrale varmeafgivelse fra krop, arme og hoved. Før forsøgstart skal man sikre sig at den bærbare PC har installeret programmet LoggerPro3. Når begge sensorerne er tilsluttet interfacet og strømmen er tilsluttet en evt. omformer til PC'en, interfacet samt blæseren i ventilationsrøret kan forsøget startes ved at dobbeltklikke på programikonet. Programmet Loggerpro3 starter selv op og vil under opstarten automatisk registrere både interface og de tilsluttede sensorer. På næste side ses opstartbilledet. I programmet aktiveres startknappen og man lader dataopsamlingen foregå i et passende tidsrum fx 10 min (600 sek). Under kørslen kan den nøjagtige sensorværdi følges på de to cifferrammer i skærmbilledet. Programmet tilpasser selv tidsaksen og Y-aksen til den løbende forsøgstid og dataværdierne. Når man aktiverer stopknappen skal man huske at gemme forsøget under et passende navn, så en evt. originalfil ikke overskrives!! Skærmilledet kan herefter udprintes. Under alle omstændigheder bør brugeren have et lille grundkursus i programmets muligheder omkring kurvetilpasning, grafvisning og lagring af resultater før forsøget starter. 2

3 Tidsrummet mellem test af de enkelte forsøgspersoner bør være omkring 5-10 min, hvor luften og materialerne inde i termokassen akklimatiseres til forsøgslokalets temperatur- og fugtighedsforhold. På en dobbelttime skulle det således være muligt at teste fire forsøgspersoner incl. transport af termokassen. Når programmet er startet op og interfacet har registreret de tilsluttede sensorer vil skærmbilledet ligne dette: På værktøjslinien ses en række ikoner. Flere af ikonerne er selvforklarende men dog skal nævnes som en service der automatisk tilpasser akserne til de målte værdier fra sensorene. vil omdanne markøren til et +, og ved at bevæge markøren langs kurverne vil der fremkomme præcise aflæsninger af data. anvendes hvis man ønsker målinger over et bestemt tidsinterval. Det vigtigste ikon er det grønne som betyder start på opsamling af data. Så snart der er trykket på ikonet vil det ændre sig til en rød stopknap, som aktiveres når man ønsker at afslutte dataopsamlingen. På de følgende sider beskrives selve teorien bag forsøget og resultatbehandlingen. 3

4 Kroppens hvilestofskifte Kroppen bruger energi Der skal energi til, for at holde jeres kroppe i gang også selvom I ikke bevæger jer. I skal stadig trække vejret, hjertet skal slå og besked til og fra hjernen, via nerverne, kræver også energi. Disse aktiviteter kaldes kroppens basalfunktioner. Desuden skal jeres kroppe holdes varme, og de afgiver også energi til omgivelserne. Alt sammen er det funktioner som kræver energi. I biologi taler man samlet om disse processer som kroppens hvilestofskifte. Kroppens energi Ved at placere en stillesiddende (letpåklædt eller (helst) helt nøgen!) person i en isoleret kasse kan personens basaleffekt bestemmes idet den varme, som personen afgiver til omgivelserne (luften i kassen), er udtryk for energiomsætningen i den hvilende krop. Personen afgiver energi ved varmeledning, varmestrømning, varmestråling og ved fordampning, og jeres opgave er nu at undersøge, hvor megen energi vores forsøgspersons krop omsætter. I hviletilstanden er kroppen normalt i en såkaldt dynamisk ligevægt, hvad energien angår: hvis kroppen hvert sekund omsætter f.eks. 80 Joule for at opretholde hvilefunktionerne, vil disse 80 Joule pr. sekund = 80W (minus den oplagrede energi) hele tiden afgives fra kroppen til omgivelserne. I har alle nogle oplevelser af denne varmeafgivelse fra den menneskelige krop. Man kan f.eks. godt holde varmen, når man sover i omgivelser, som er væsentligt under 20 C, hvis man ligger under en dyne eller lignende. Grunden til dette er jo ikke, at dynen indeholder varme, selvom vi bruger talemåden "en varm dyne"! I ved formodentlig, at man kan varme hinanden ved kropskontakt! Det er også en almindelig erfaring, at et lille lokale med mange mennesker i kan blive særdeles varmt. Standard-hvile-tilstand hviletilstanden hos et menneske er ikke umiddelbart en præcist fastlagt tilstand. Man har derfor, for at kunne lave mere ensartede forsøg, indført en såkaldt standard-hvile-tilstand, som en forsøgsperson skal befinde sig i under en måling: Målingen skal foretages om morgenen. Personen skal have været helt afslappet og vandret liggende i mindst 1 time. Målingen foretages også i vandret hviletilstand. Personen skal have fastet i mindst 3 timer. Personen skal befinde sig i "behagelig rumtemperatur" eller med et andet udtryk være i termisk komfort-tilstand. For en nøgen person vil dette være ved ca. 29 C og selvfølgelig lavere for en påklædt person. Den energiomsætning, som finder sted i denne tilstand, vil vi i det følgende kalde hvileenergiomsætningen. (BMR=basic metabolic rate) Hvorfor mon der er en udbredt tradition for at kalde en energiomsætning i kroppen for et stofskifte? I kan i jeres målinger ikke arbejde i standard-hvile-tilstand, men I kan tilnærme jeres forsøgsbetingelser til disse. 4

5 Termokassens kalibreringskurve En pære anbragt i en lukket kasse vil få temperaturen i kassen til at stige til et vist niveau på grund af pærens varmeproduktion. På samme måde vil en person anbragt i den samme kasse få temperaturen op på et (andet) niveau svarende til personens varmeproduktion. Temperaturstigningen i kassen vil selvfølgelig afhænge af den effekt, som tilføres kassen. Hvis man f.eks. fordobler effekten, vil man også fordoble temperaturstigningen. Der er med andre ord proportionalitet mellem effekten og den største temperaturforskel mellem start - og sluttemperatur. Når vi tegner grafen med effekten på x-aksen og temperaturforskellen mellem kassens indre og rumtemperaturen på y-aksen, siger vi at vi har lavet en kalibreringskurve. Fremover vil denne kurve nemlig kunne bruges til at bestemme effekten ved en vilkårlig temperaturforskel. Prøv at give en begrundelse for at temperaturen i kassen ikke blot vedbliver med at stige, men når et konstant niveau efter et stykke tid. På figuren neden under findes en kalibreringskurve for kassen I skal arbejde med. Tænk jer nu at I skulle lave denne kalibreringskurve. Hvordan ville I undersøge, sammenhængen mellem temperaturstigningen i kassen og tiden, når en pære placeres i kassen? Tegn en skitse af jeres forslag til forsøget og beskriv i ord, hvordan I ville udføre det. Hvilke variable ville I måle på? Hvordan skal temperaturkurven i kassen være, før I vil stoppe jeres målinger? Se nu på kalibreringskurven. Hvilke pærer er anvendt? Hvordan ses det? 5

6 Måling: Kroppens hvilestofskifte - varmeafgivelse I skal måle, hvor meget varme en forsøgsperson (vælg ét gruppemedlem) producerer i en tilstand tæt ved hvile. Det vil sige I skal bestemme temperaturstigningen i kassen, med en person deri. Overvej først følgende: Hvor længe kan personen være i kassen før de første bivirkninger starter? Vi udånder alle kuldioxid CO 2 og personen sidder i et lille lukket rum. I et normalt ventileret rum er koncentrationen af CO 2 lig med 0,0367% eller 367 ppm (parts pr million). Først når koncentrationen af CO 2 er i nærheden af 1,5% eller ppm, begynder de første milde bivirkninger som fx manglende koncentration og en dybere vejrtrækning. En normal person bruger 0,25L O 2 /min og udskiller 0,25L CO 2 /min. Kassens rumfang er 585,2L minus personens rumfang (1 kg kropsvægt fylder 1L) Hvor i kassen skal temperaturen måles? Når sluttemperaturen T max er aflæst, skal I bestemme hvilken varmeeffekt, personen har leveret ved at bruge kalibreringskurven. Måling: Kroppens hvilestofskifte fordampning For at kunne bestemme fordampningsenergien skal den relative fugtighed i kassen måles ved start og slut af forsøget. Ved brug af tabel 2 kan massen af fordampet vand m bestemmes. Man skal dog lige huske på, at termokassen ikke rummer 1 m 3 = 1000 L som vises i tabellen til højre, men kun 585,2 L minus personens volumen (Her tages udgangspunkt i at 1kg kropsvæv fylder 1L) Hvilke målinger skal foretages, ud over målinger af den relative fugtighed (Rf)? Hvordan kan så massen af fordampet vand bestemmes i en termokasse, hvor der sidder en person? Lav beregningen. Find først forskellen mellem Rf slut Rf start i % og aflæs sluttemperaturen i kassen. Fx i en kasse på 300L med en fugtighedsstigning på 17% ved 34 o C er der tilført: (37,6 * 17/100) * (300/1000)=1,92 g vand. Brug tabel 2 til at finde den maksimale mængde vanddamp i kassen ved forsøgets slutning. Temp i o C Når I har beregnet hvor meget vand personen har tilført kassens indre ved fordampning, skal I ved hjælp af tabel 1 med vands fordampningsvarme bestemme den energi personens krop har mistet ved at fordampe dette vand fra sin overflade og til slut bestemme personens fordampningseffekt. Endelig kan I så beregne personens totale hvilestofskifte ved at sammenlægge fordampningseffekten: (den energi kroppen mister ved at forøge luftfugtigheden i termokassen) og varmeeffekten:(den energi kroppen mister ved at forøge rumtemperaturen i termokassen) Max. vanddamp indhold i g/m , , , , , , , , , , , , , , ,6 Tabel 2 Maksimalt indhold af vanddamp i luften 6

7 Forsøgstiden = 10 min. = 600 sek. Pause før næste forsøg = mindst 5 min 22 o C 25 o C 28 o C 31 o C 34 o C Tabel 1 Fordampningsvarme i J/g af vand ved forskellige temperaturer af hudoverfladen. Regneopgave: Hvad viser resultaterne? Jeres fundne hvilestofskifte kan sammenlignes med flere forskellige måder at udregne den på: A) Hvilestofskiftet er 1.16 W pr. kg legemsvægt. Denne sammenhæng bruges ofte af fagfolk i idræt, og den siger altså, at hvilestofskiftet er proportional med massen. Udregn hvilestofskiftet for forsøgspersonen med denne sammenhæng og sammenlign med jeres målte værdi. B) Hvilestofskiftet er 58 W pr. m 2 overfladeareal. (Sovende 46 W/m 2 ). Her siger man altså, at hvilestofskiftet er proportional med legemets overflade. Jeres overflade kan I finde ud fra jeres højde og masse efter følgende formel: personens overfladeareal = * m 0,425 * h 0,725 hvor m er massen i kg, og h er højden i cm. Arealet vil så komme ud målt i m 2. Udregn hvilestofskiftet for forsøgspersonen ved først at regne overfladearealet. Sammenlign med jeres målte værdi. C) Hvilestofskiftet kan findes fra en tabel, som bruger alder, køn og masse som kriterier. Her er et udpluk af en sådan tabel. Resultatet kommer ud i W, hvis m måles i kg. Udregn hvilestofskiftet for forsøgspersonen med denne sammenhæng og sammenlign med jeres målte værdi. Mænd Kvinder år BMR = 0,847*m+31,5 BMR = 0,588*m + 36,1 Det er vigtigt at pointere, at alle disse "formler" er blevet til ved at måle på mange mennesker, og så danne et gennemsnit. Desuden er der i andre forsøg anvendt andre formler. Baggrunden for denne uenighed er, at forskellige variabler har en betydning for resultaterne - fx køn og vægt som de vigtigste, men også det klima man er tilpasset og også kosten og tidspunktet man tidligere har indtaget den på har indflydelse. 1) Hvorfor er det smart hvis kroppens hvilestofskifte kan tilpasse sig henholdsvis et koldt og et varmt klima? 2) Hvordan kan det være at en person der netop har spist et måltid, har et højere hvilestofskifte? 3) Prøv at anføre årsager til at den målte værdi eventuelt afviger fra den teoretisk beregnede. 4) Hvilke fejlkilder i forsøget kan medvirke til at delresultater og dermed slutresultatet (personens BMR) kan variere fra forsøg til forsøg? 7

8 vægt i kg BMR i kj/døgn (drenge) BMR i kj/døgn (piger) Tabellen ovenover viser hvilestofskiftets afhængighed af vægten og til højre er der en graf over tabelværdierne. (Hvordan skal man omregne fra kj/døgn i tabellen til enheden W, som ses på grafen?) 8

9 Tabel over organer med højt stofskifte og deres andel af BMR Organ Vægt (kg) % af BMR Lever 1,6 27 Centralnervesystem 1,6 19 Hjerte 0,32 7 Nyrer 0,31 10 Muskelceller 32,0 18 Tyndtarmsceller (I forbindelse med hovedmåltid) Øvrige celler (fx fedt-, hud- og blodceller) 0, ,17 9 Total 70,