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5.A Energia metabolica
Questa appendice riassume le normative CEE riguardanti la stima della
energia metabolica richiesta per sostenere un dato lavoro,
UNI EN 28996, Ergonomia. Determinazione della produzione
di energia termica metabolica, 1996.
L'energia metabolica viene misurata in Watt (W).
Nelle tabelle e` riportato il coefficiente di energia metabolica
per unita` di area corporea (W/m2).
La produzione di energia metabolica, ovvero la potenza metabolica,
e` una misura della attivita` del corpo umano.
L'energia metabolica deriva dalla conversione di energia chimica potenziale
in energia meccanica (lavoro e movimento) e termica.
Poiche` la maggior parte dell'energia metabolica prodotta viene convertita
in energia termica (la frazione di energia meccanica essendo normalmente
trascurabile) l'energia termica metabolica puo` essere assunta uguale
alla energia metabolica ed utilizzata come misura.
La misura dell'energia termica metabolica puo` essere fatta in vari modi
piu` o meno approssimati o accurati: da una classificazione
grossolana basata sul
tipo di attivita`, ad una stima basata su una analisi dettagliata della
attivita`, fino ad una misurazione vera e propria basata sul consumo di
ossigeno.
5.A.1 Classificazione dell'energia metabolica
Si considerano cinque classi, schematizzate nella tabella sotto.
Classe
|
Energia Metabolica
|
Esempi
|
(W/m2)
|
(W)
|
riposo
|
65
|
115
|
riposo
|
leggera
|
100
|
180
|
Lavoro leggero (seduto o in piedi), guida auto, passeggiare (3.5 Km/h)
|
moderata
|
165
|
295
|
Lavoro sostenuto (martellare), camminare (5.5 Km/h)
|
elevata
|
230
|
415
|
Lavoro intenso (scavare, portare carichi), camminare veloce (7 Km/h)
|
molto elevata
|
290
|
520
|
Attivita` molto intensa, salire scale, correre (>7 Km/h)
|
5.A.2 Stima dell'energia metabolica
La stima viene ottenuta sommando vari contributi:
- energia metabilica basale;
- energia metabolica di postura;
- energia metabolica di attivita`;
- energia metabolica di movimento.
Si utilizzano prospetti che riportano i valori medi, e quindi la stima
e` affetta da un alto grado di incertezza. Questo e` influenzato da molti
fattori: condizioni ambientali (temperatura), allenamento del soggetto,
velocita` di esecuzione della attivita`, attrezzature, tecniche.
Le variazioni da individuo ad individuo variano di circa +/- 5Le variazioni causate dai vari fattori possono arrivare al 20
In condizioni di caldo si ha un aumento di 5-10 W/m2 a causa
dell'aumento della frequenza cardiaca e della sudorazione.
Il freddo causa un aumento fino a 200 W/m2 (in condizioni
di brivido).
Il vestiario (soprattutto se troppo pesante) influenza l'energia metabolica.
Da ricordare hce i dati delle tabelle si riferiscono solo ai valori medi
durante l'attivita`, e non contemplano le lunghe pause di riposo.
Con brevi intervalli di attivita` e lunghe pause si ha aumento della
energia metabolica (effetto Simonson).
In pratica le tabelle che seguono sono applicabili
solo se la durata delle pause soddisfa
Dpausa <5.6 Dattivita`0.5
L'
energia metabolica basale e` funzione del peso, dell'eta`, della
statura, del sesso. Con buona approssimazione si possono usare i valori
riportati nella tebella sottostante (assieme ai dati dell'uomo "tipo",
secondo la Comunita` Europea).
|
Energia metabolica basale (W/m2)
|
Altezza (cm)
|
Peso (Kg)
|
Superficie corporea (m2)
|
Eta` (anni)
|
maschi
|
44
|
170
|
70
|
1.8
|
35
|
femmine
|
41
|
160
|
60
|
1.6
|
35
|
La seguente tabella riporta l'equazione per il calcolo della energia
basale a cura dell'Istituto Italiano della Nutrizione.
Il metabolismo basale risulta espresso in Kcal/die.
Il peso e` in Kg.
Una attivita` leggera richiede circa 1.6 volte l'energia basale; una
attivita` media circa 2.5 volte, e una pesante 4-6 volte.
Eta`
|
Maschi
|
Femmine
|
10-17
|
651 + (17.5 * Peso)
|
746 + (12.2 * Peso)
|
18-29
|
679 + (15.3 * Peso)
|
496 + (14.7 * Peso)
|
30-59
|
879 + (11.6 * Peso)
|
829 + ( 8.7 * Peso)
|
>59
|
609 + (12.3 * Peso)
|
688 + ( 9.0 * Peso)
|
L'energia metabolica di postura e` un contributo alla stima dell'energia
metabolica, dovuto alla posizione del corpo:
Postura |
En. metab. (W/m2)
|
seduto |
10
|
inginocchiato |
20
|
accucciato |
20
|
in piedi |
25
|
in piedi chinato |
30
|
L'energia metabolica di attivita`
dipende dall'intensita` della
attivita` e dagli organi coinvolti (mani, braccia, tronco):
|
mani
|
un braccio
|
due braccia
|
tronco
|
leggera
|
10-20
|
25-45
|
55-75
|
100-155
|
media
|
20-35
|
45-65
|
75-95
|
155-230
|
intensa
|
35-50
|
65-85
|
95-115
|
230-330
|
L'energia metabolica di movimento puo` essere stimata moltiplicando
i valori per attivita` per la velocita` del movimento. Nella tabella
sono riportati quindi i coefficienti (in W/m
2 m/s).
Camminare (2-5 Km/h)
|
|
110
|
Camminare in salita (2-5 Km/h)
|
Pendenza 5% |
210
|
Pendenza 10% |
360
|
Camminare in discesa (5 Km/h)
|
Pendenza 5% |
60
|
Pendenza 10% |
50
|
Trasportare un carico in spalla (4 Km/h)
|
Carico 10 Kg
|
125
|
Carico 30 Kg
|
185
|
Scendere una scala
|
|
480
|
Salire una scala
|
|
1725
|
Salire una scala inclinata
|
Senza carico
|
1660
|
Carico 10 Kg
|
1870
|
Salire una scala verticale
|
Senza carico
|
2030
|
Carico 10 Kg
|
2335
|
5.A.3 Misura dell'energia metabolica
La misura dell'energia metabolica si basa sulla misura dell'ossigeno
consumato dal corpo umano durante l'attivita`.
Ci sono due metodi di misura:
- misura parziale, per attivita` leggera o moderata;
- misura integrale, per attivita` intensa.
Nella attivita` leggera o moderata, dopo un breve periodo iniziale
di 3-5 minuti, il consumo di ossigeno si stabilizza al regime di
fabbisogno.
Nell'attivita` pesante il corpo rimane sempre in debito di ossigeno, cioe`
non riesce a ricevere ossigeno sufficiente a coprire il fabbisogno.
Pertanto l'attivita` intensa deve essere intervallata da pause di
recupero, e la misura dell'energia metabolica deve comprendere
anche il debito di ossigeno pagato durante la pausa successiva alla
attivita`.
Nella misura parziale si raccolgono i gas espirati a partire da 5 minuti
dopo l'inizio della attivita`, e si continua per la durata del lavoro.
Nel metodo integrale la raccolta dei gas espirati inizia contemporaneamente
al lavoro e continua fino alla fine del periodo di recupero che segue.
In questo caso al valore misurato bisogna sottrarre l'energia metabolica
(misurata) relativa alla attivita` di riposo per il tempo di recupero.
Il consumo di ossigeno
viene convertito in energia metabolica usando l'equivalente energetico.
Questo dipende dal tipo di metabolismo, caratterizzato dal
quoziente respiratorio, cioe` dal rapporto fra la produzione di
anidride carbonica e il consumo di ossigeno (entrambi misurati in litri/ora):
EE = ( 0.23 QR + 0.77 ) 5.88
Si puo` usare un valore medio Q
R=0.85 che da`
E
E=5.68 W h/l(O
2).
In tal caso non e` necessario misurare la produzione di CO
2.
Questo da` un errore +/- 3.5% (solitamente +/- 1
L'energia metabolica (in W/m
2) e`
M = EE C(O2) A
dove C(O
2) e` il consumo di ossigeno, ad
A
e` l'area corporea (in funzione del peso
W in Kg, e della
altezza
H in metri: formula di Du Bois):
A = 0.202 W0.425 H0.725
Per determinare il consumo di ossigeno bisogna misurare, oltre ai dati
dell'individuo,
- la temperature e pressione atmosferica;
- la temperatura dell'aria espirata;
- il volume di aria espirata;
- la frazione di ossigeno nell'aria espirata;
- la frazione di anidride carbonica nell'aria espirata.
Per il calcolo dei flussi si riportano i volumi dei gas raccolti (l'aria
espirata e` satura di vapor acqueo) a condizioni standard (T=273°K
e P=101.3 kPa, usando la legge delle pressioni parziali e la legge dei gas)
e si divide per il tempo della prova:
V(STPD) = V(ATPS) 273 / (273 + T) ( P - PH2O ) / 101.3
La pressione di vapore dell'acqua dipende dalla temperatura.
Il consumo di ossigeno e` dato dal flusso d'aria per la differenza fra
la frazione di ossigeno nell'aria inspirata (0.209) e quella misurata
nell'aria espirata. Similmente per la produzione di anidride carbonica.
C(O2) = F(aria) [ 0.209 - f(O2) ]
P(CO2) = F(aria) [ f(CO2) - 0.0003 ]
In genere i volumi d'aria inspirato ed espirato non sono uguali: si ha
una contrazione del volume espirato di cui si puo` tener conto utilizzando
le formule
C(O2) = F(aria) [ 0.265 (1 - f(O2 - f(CO2)) - f(O2) ]
P(CO2) = F(aria) [ f(CO2) - ((1 - f(O2) - f(CO2)) 0.00038 ]
Nel metodo integrale la formula dell'energia metabolica, deve sottrarre a
M il contributo dell'energia basale del recupero. Si usa la formula
(dove t
a e` il tempo di attivita` e t
r
quello di recupero; M
r l'energia metabolica dell'individuo seduto)
M' = M (ta + tr)/ta -
Mr tr/ta
5.A.4 Valutazione tramite frequenza cardiaca
Il metodo di stima mediante la misurazione della frequenza cardiaca
e` meno complesso della misura tramite il consumo di ossigeno e
meno accurato, ma e` migliore della stime basate sui dati medi.
Questo metodo di stima e` adeguato quando
- l'attivita` e` dinamica con impiego dei principali gruppi muscolari
(movimento, attivita` che non coinvolge muscoli piccoli);
- il lavoro muscolare "statico" (sostegno pesi) e` limitato;
- non ci sono sollecitazioni termiche;
- non ci sono carichi mentali.
La frequenza cardiaca puo` essere misurata accuratamente con una
apparecchiatura telemetrica, o approssimativamente contando il battito
arterioso. La frequenza cardiaca e` la somma di varie componenti:
- la frequenza a riposo in ambiente neutro Fo;
- la frequenza dovuta al carico muscolare dinamico in ambiente termico
neutro Fd;
- l'aumento di frequenza per il lavoro statico in ambiente termico
neutro Fs. questa dipende dal rapporto fra forza
utilizzata e la forza massima volontaria dei muscoli coinvolti;
- l'aumento di frequenza dovuto alla temperatura Ft;
- l'aumento di frequenza dovuto al carico mentale Fm;
- la frequenza dovuto agli effetti respiratori Fr;
La frequenza cardiaca puo` essere misurata su intervalli piu` o meno
lunghi (dal minuto a parecchie ore).
Se l'attivita` e` puramente
dinamica e l'ambiente termicamente neutro, c'e` una relazione lineare
fra l'energia metabolica e la frequenza cardiaca. Quando queste condizioni
non sono rispettate, la relazione e` piu` complicata.
In generale la linearita` vale sopra i 120 battiti/min
(in cui la componente mentale puo` essere trascurata),
e sotto (F
max - 20) battiti/min
oltre il quale limite
la frequenza cardiaca si avvicina troppo al valore massimo
F
max. In tale intervallo
F = Fo + ( DF/DM ) ( M - Mb )
dove M
b e` l'energia metabolica basale, e
DF/DM rappresenta la variazione di frequenza cardiaca per unita`
di energia metabolica. Da questa formula si ricava (it{F} in battiti/min,
M in W/m
2)
M = (DM/DF) (F - Fo) + Mb
= 4.0 F - 255.
marco corvi - Mon Nov 19 11:34:13 2007
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