Forsøgsvejledning - Iltoptagelse

Forsøgsvejledning - Iltoptagelse Lidt om iltoptagelse: Når vi bevæger os, kræves der energi. Denne er lagret i vores krop i form af forskellige næringsstoffer (hovedsagelig kulhydrat og fedt) som kan forbrændes ved tilførsel af ilt (aerobt arbejde). Kulhydrater (glycogen) kan også spaltes uden brug af ilt (anaerobt arbejde). Langt det meste af det arbejde vi udfører, er aerobt arbejde og man kan måle kroppens evne til at udføre aerobt arbejde ved at måle på omsætningen af ilt ved maksimal arbejdsintensitet. Hvis dette skal gøres helt præcist kræver det, at man kender mængden af ilt i både indåndings- og udåndingsluften. Desuden kræves at man ved hvor mange liter luft, der er blevet respireret pr. min. da så kan finde iltforbruget pr. min (iltoptagelseshastigheden). Iltoptagelseshastigheden (Vo 2 målt som l O 2 /min) er et udtryk for den mængde ilt, som vores krop har brug for at udføre et givent stykke arbejde. Indåndingsluften består af 20.94% O 2, 0.03% CO 2 og 79.03% Kvælstof (N). Når vi arbejder aerobt omdannes O 2 til CO 2 i kroppen, mens N forbliver upåvirket. Jo mere veltrænet vores krop er til aerobt arbejde, jo større mængder blod kan vores hjerte sende rundt i kroppen pr. hjerteslag (slagvolumen) og kroppen bliver bedre til at udnytte den ilt, som transporteres rundt med blodet. Dvs. at ved et givent stykke arbejde, som kræver en vis mængde energi og ilt, vil en veltrænet person have en lavere puls end en utrænet, da mere blod og dermed ilt sendes ud i musklerne pr. hjerteslag. Da vores maksimale puls er afhængig af vores alder og ikke vores træningstilstand, vil en veltrænet person (ift. en utrænet på samme alder) også kunne tilføre kroppen mere ilt, når der arbejdes tæt på max. puls og dermed arbejde ved højere intensitet end en utrænet person. 1

Således er slagvolumen sammen med den maksimale puls afgørende for den maksimale intensitet, hvormed vi kan arbejde. Dvs. at en veltrænet person har mulighed for at skabe et større iltforbrug pr. min. ift. mindre veltrænet person. Måling af iltoptagelse: Når vi skal måle Vo 2, drejer det sig rent praktisk om at man trække iltmængden i udåndingsluften fra iltmængden i indåndingsluften. Hvis vi så også måler hvor hurtigt vi trækker vejret (liter luft/min) kan vi beregne iltforbruget. Fx: Ilt i indåndingsluft: 20.94% Ilt i udåndingsluft: 16.34% Mængde udåndet luft/min.: 19 liter/min. (Vi antager, at volumen af indåndings og udåndingsluften er den samme.) Således har kroppen optaget 20.94% - 16.34% = 4.6% af 19 liter luft/min. 19 l 4.6% = 0.87 l O 2 /min. Estimering af maksimal iltoptagelse (Vo 2 -max) og kondital For at finde den maksimale Vo 2, kan man lave en test, hvor man måler under en maksimal intensitet, som kan holdes i 1 min. Fx cykles på en ergometercykel og man finder den intensitet, hvor pulsen ligger på ca. 160 slag/min. Derefter øges intensiteten med 10% for hvert 3. min., hver 2. min og til sidst hver minut. Det kræver, at der opsamles luft de sidste 2-3 min. i tilfælde af at forsøgspersonen må stoppe. Dette er en relativ præcis metode til at måle Vo 2 -max. Hvis man skal bestemme en persons kondital, skal man tage højde for personens vægt, da en stor person naturligvis kan omsætte mere ilt end en lille, da den store person har en større mængde muskler til at forbrænde ilten. Konditallet er således: ml O 2 /min/kg legemsvægt. NB: Kondital er i ml O 2 og ikke l O 2. Dvs. vejer man 70kg og har en Vo 2 -max på 3.5 l O 2 /min har man et kondital på: 3.5 lo 2 /min / 70 kg 1000 ml = 50 ml O 2 /min/kg To-punkts testen. En anden metode er at lave en test ved lavere intensiteter også bruge en målt eller beregnet maks. puls til at estimere Vo 2 -max. Maks. pulsen kan beregnes ud fra formlen: 208 (alder 0.7) Kilde: Age-predicted maximal heart rate revisited. Tanaka H, Monahan KD, Seals DR J Am Coll Cardiol 2001 Jan;37(1):153-6 Fx: Mand 33 år, vægt 70 kg. Beregnet maks. puls ud fra alder: 208 (alder 0.7) = 185 slag/min Arb. 1: puls 110 og Vo 2 = 1.2 l O 2 /min Arb. 2: puls 150 og Vo 2 = 2.0 l O 2 /min Følgende formel bruges: ( Vo2 (2) Vo2 (1) ( maks. puls puls(2)) + Vo2 (2) = Vo puls(2) puls(1) 2 max 2

Puls maxpuls 185 150 * * : arb. 1 og arb. 2 110 * 1.2 2.0 2.7 Vo 2 Kondital: 2.7 l O 2 /min 1000 /70 kg = 38.6 ml O 2 /min/kg Man kan evt. sammenligne med nedenstående liste. Normalbefolkning -mænd Alder Meget Lavt Lavt Middel Højt Meget Højt 20-29 < 38 39-43 44-51 52-56 > 57 30-39 < 34 35-39 40-47 48-51 > 52 40-49 < 30 31-35 36-43 44-47 > 48 50-59 < 25 26-31 32-39 40-43 > 44 60-69 < 21 22-26 27-35 36-39 > 40 70- <19 20-24 25-32 33-37 >38 Normalbefolkning - kvinder Alder Meget Lavt Lavt Middel Højt Meget Højt 20-29 < 28 29-34 35-43 44-48 > 49 30-39 < 27 28-33 34-41 42-47 > 48 40-49 < 25 26-31 32-40 41-45 > 46 50-64 < 21 22-28 29-36 37-41 > 42 65- <19 20-26 27-34 35-39 >40 Verdensklasseatleter (løb, cykling, roning, langrend etc.) Meget Lavt Lavt Middel Højt Meget Højt Mænd < 60 60-70 70-80 80-90 > 90 Kvinde < 50 50-58 58-64 64-72 > 72 Indirekte tests: Ofte bruger man i skolesammenhæng indirekte tests til at måle konditallet. Ved hjælp af et stort personer, hvor man har målt deres kondital direkte og samtidig målt deres tidsforbrug ifm. udførelsen af fx en løbetest (fx bip-test, coopertest) har man kunnet udarbejde skemaer, som estimerer konditallet ud fra tiden, det tager at gennemfører testen. 3

Metode Vi skal i denne øvelse benytte to-punktsmetoden. Dvs. måle iltoptagelsen ved 2 såkaldte submaksimale arbejdsintensiteter. Derefter ekstrapolerer vi til en estimeret maksimal puls og finder den maksimale iltoptagelse og dividerer den med forsøgspersonens vægt. Vo 2 kan også bruges til at beregne energiforbruget i kroppen tilnærmelsesvis, da vi ved, at forbrænding af en liter O 2 i kroppen frigiver ca. 20.5 kj/l O 2. Samtidig kan vi på ergometercyklen se, hvor meget energi (Watt eller J/s), der bruges for at drive pedalerne rundt med den pågældende frekvens og modstand. Når vi har kroppens energiforbrug og det energibehov, som arbejdet kræver, kan vi beregne nettonyttevirkningen. Dette begreb er et udtryk for hvor stor del af den mængde energi, som kroppen producerer, egentlig går til at drive pedalerne rundt. Kort sagt hvor effektiv er kroppens forbrændingsmotor. Normalt bruges avanceret og kostbart udstyr til at udføre direkte målinger af iltoptagelsen, men vi håber, at det hermed er muligt at få nogle rimelig pålidelige målinger for en rimelig penge. Den største udgift går til iltmåleren og evt. respirationsventilen. Samtidig er det meningen at øvelsen kan give eleverne forståelse for energiomsætning og for hvad der sker inde i kroppen, når man forbruger ilt. Dette motiverer forhåbentlig til eleverne søger, at blive en veltrænede frem for utrænede Apparatur - 1 Forsøgsperson - Ergometercykel - Iltmåler (Vernier ca. 2100 kr.) passer til LoggerPro - LoggerPro software og PC - 1-2 mundstykker og en næseklemme - Respirationsventil - Et stopur - En pulsmåler - Evt. et termometer, et barometer og luftfugtighedsmåler Til opsamlingssække: - Solide plastiksække (skraldesække 110 l) - Respirationsslanger (fx til regntønder kan købes i Silvan) - Lukkehane (1 ) kan købes i Silvan - Gaffatape (Silvan) - Nippelrør (lille stykke rør med gevind i begge ender) (1 ) Jeps, kan købes i Silvan Til volumenbestemmelse: - Et spirometer (kan købes elektronisk hos Vernier ca. 2200 kr.) eller - En kasse eller cylinderformet rør, som en skraldesæk kan udfylde i omfang. Dimensionerne på kassen skal kendes. Lav evt. et låg, som er lidt mindre en kassen, så det kan glide ned i kassen. eller - En stor balje med vand med volumenmål på siden. En skraldesæk skal kunne passe ned i den og dækkes af vandet. 4

Procedure: 1. Ergometercyklen indstilles, så den passer til forsøgspersonen (fp). 2. Vedkommende sadler op og varmer op i 5-10 min med en kadence 80 pedalomdrejninger pr. min. Belastningen skal blot være ganske let. 3. Imens foretages en registrering af iltprocenten i luften i ca. 30 sek. vha. iltmåleren og LoggerPro. 4. Efter opvarmningen indstilles belastningen (der lægges vægte på, så friktionen mellem lærredsbåndet og svinghjulet øges), så pulsen stabiliserer sig på ca. 130 slag pr. min. Effekten i Watt aflæses på cyklen og skrives ned. Vejrtrækningen må gerne foregå gennem mundstykke og respirationsventil, når belastningen indstilles, så fp vænner sig til dette. 5. Når pulsen er stabil, påsættes en opsamlingssæk på respirationsventilen og stopuret startes i det øjeblik sækken tilsluttes. NB: Sækken skal trykkes helt tom for luft inden den monteres. 6. Pulsen registreres hver 30. sek. mens sækken fyldes. Evt. tælles antal respirationer. 7. Når sækken er ca. ¾ fuld lukkes der for hanen og stopuret stoppes og sækken afmonteres. 8. Fp stopper 9. Opsamlingssækken sættes nu forsigtigt ned i volumenkassen og låget lægges på, så sækken er vandret i toppen og fylder kassen ud. Det aflæses, hvor langt sækken/låget når op langs siden. 10. Sækken åbnes og iltmåleren sættes ned i toppen, mens der trykkes lidt luft ud af sækken. Stop, når iltmåleren slutter tæt. Start registreringen af iltprocenten i LoggerPro og lad den køre i min. 30 sek. Iltprocenten skulle gerne stabiliserer sig efter 10-20 sek. 11. Punkt 1-7 gentages blot med en belastning, som medfører en puls på ca. 160. (Hvis fp er over 40 år kan man arbejde ved hhv. 110 og 150 slag/min.) 12. Hvis fp er frisk kan vedkommende cykle videre, mens belastningen gradvist øges hvert minut indtil pulsen ikke stiger mere. Denne aflæses og skrives ned. Hvis man ønsker at se lineariteten i Vo 2 sammen med pulsen, kan man lave 3 målinger, fx ved puls 110, 140, 170 afhængig af alder. NB: Hvis man gerne vil sammenligne Vo 2 -målingerne fra samme person men på forskellige dage, bør man tage højde for at faktorer som barometertryk, temperatur og luftfugtighed kan påvirke luftens volumen og dermed målingen af sækkens volumen. Man kan dog gange sækkens volumen med en faktor, som standardiserer volumen til en standard temperatur, tryk og tør luft. Faktoren hedder STPD (standard temperature, pressure, dry). 1 p e STPD = ( T / 273) + 1 760 hvor T er temperaturen i rummet, p er barometertrykket i mmhg og e er luftfugtigheden. Den bliver ofte omkring 0.9. 5

Databehandling. Navn, Vægt, Estimeret maks. puls. Evt. STPD-faktor: Målinger Sæk 1 Sæk 2 Evt. sæk 3 Tid (fyldning af sæk) Puls 1: 2: 3: 4: Middel: 1: 2: 3: 4: Middel: 1: 2: 3: 4: Middel: Antal respirationer Sækvolumen Iltprocent i sækken Belastning på cyklen (Watt) Evt. kadence Beregninger Respiration (l/min) Sækvolumen/tid Iltoptagelse (l O 2 /min) Respiration (ilt% luft ilt% sæk) STPD: STPD: STPD: Kondital: ( Vo2 (2) Vo2(1) ( maks. puls puls(2)) + Vo2 (2) = Vo2 max puls(2) puls(1) Resultat: ml O 2 /min/kg Nettonyttevirkning (N): N = Energi brugt på at drive pedalerne (Watt eller J/s) (Vo 2 (arbejde) Vo 2 (hvile)) 20.5 Kj/l O 2 (iltens energetiske værdi) Vo 2 (hvile) kan bestemmes ved at fylde en sæk, mens man ligger ned inden forsøget. Man kan også sætte værdien til 0.25 l O 2 /min, som gælder for de fleste. (J/s kan omregnes til Kj/min ved at dividere med 1000 og gange med 60) Resultat: Sæk 1: % Sæk 2: % 6

Diskussion Denne direkte måling af iltoptagelsen har desværre lidt usikkerheder, som der skal redegøres for. - Dels, så er mængden af indåndingsluften og udåndingsluften ikke helt konstant, men svinger lidt mellem respirationerne. Dette medfører dog ikke større udsving end et par %, men følsomheden over for denne faktor er størst ved lave belastninger. - Desuden er iltens energetiske værdi afhængig af fp s kostsammensætning og arbejdsintensiteten, da glycogenforbrænding giver ilten en højere energetisk energi end fedtforbrænding. Ved normal blandet kost og med de benyttede intensiteter vil den dog være tæt på den benævnte. - Sluttelig er der diverse måleusikkerheder, som I selv kan opridse, da de sikkert er blevet eksponeret under forsøget. Spørgsmål man kan diskutere: - Er resultatet af denne semi-direkte måling af iltoptagelsen mere præcis og anvendelig end en indirekte test? - Er målet at få et resultat (Vo 2 ) til eleverne eller er det at introducere principperne og fysiologien/fysikken til eleverne. - Fordele og ulemper ved testen praktisk, pædagogisk og ift. mål? - Hvordan kan denne opgave videreudvikles/ændres og yderligere tilpasses a, b, c niveau? Kan relevansen øges for hhv. idræt, htx, fysik? P.S. Hvis man på skolen har en ældre Monark ergometercykel med modstanden angivet i Kilopond kan man blot gange dette med tyngdeacceleration (9.82 m/s 2 ) og gange videre med det antal meter svinghjulet kører pr. min (Dvs. kadence gearing hjulets omkreds). Så får man J/min. 7