Warmtevermogensbalans in een warm klimaat

Warmtevermogensbalans, vingervaardigheid en
vingergevoel in een warm klimaat
Prof. Dr. H.A.M. Daanen1,2
E.M van Es1,2
1
TNO Defensie en Veiligheid
Business Unit Human Factors
Soesterberg
2
Faculteit Bewegingswetenschappen
Vrije Universiteit Amsterdam
21 Maart 2006
1
Inleiding
In het kader van de opleiding Bewegingswetenschappen van de Vrije Universiteit te
Amsterdam wordt jaarlijks door doctoraalstudenten een practicum thermofysiologie gevolgd.
In het practicum van 2006 wordt de warmtebalans opgesteld tijdens fietsbelasting (1.5 W/kg
lichaamsgewicht) in de warmte (35°C, 35 - 50% relatieve luchtvochtigheid).
Daarnaast wordt onderzocht of de hitte een effect heeft op de vingervaardigheid en/of
vingersensibiliteit. Er is veel bekend over de afname in de koude, maar (vrijwel) niets van
veranderingen in de hitte.
Warmte kan op verschillende manieren worden afgegeven. Door straling, stroming, geleiding
en verdamping. Of er warmte wordt afgeven of opgenomen door straling, stroming en
geleiding ligt aan het temperatuurverschil tussen huid en omgeving. Ook de luchtvochtigheid
speelt een rol. Bij hoge luchtvochtigheid wordt verdamping van zweet lastiger. Als de warmte
die geproduceerd wordt, niet allemaal afgeven kan worden, stijgt de kerntemperatuur van de
sporter, dit wordt de warmteopslag genoemd.
Winslow et al. (1939) schreven voor warmteproductie, warmteafgifte en warmteopslag de
volgende vergelijking:
M±S±K±R±C–E=0
Waarin
M
de warmteproductie is,
S
de warmteopslag in het lichaam
K
de warmteuitwisseling door geleiding/conductie (positief als de omgeving warmer is
dan de huid en negatief als de huid warmer is dan de omgeving),
R
de warmteuitwisseling door radiatie (positief als de omgeving warmer is dan de huid
en negatief als de huid warmer is dan de omgeving),
C
de warmteuitwisseling door convectie/stroming (positief als de omgeving warmer is
dan de huid en negatief als de huid warmer is dan de omgeving),
E
de warmteuitwisseling door verdamping/evaporatie
Omdat alle componenten uitgerekend kunnen worden is het mogelijk een
warmtevermogensbalans op te stellen. Dit is een belangrijk didactisch doel van het practicum.
Daarnaast is het van belang dat de studenten de in de thermofysiologie gebruikelijke
apparatuur kennen en kunnen bedienen.
Daarnaast wordt gepoogd een indruk te krijgen van:
a) Het prestatieverlies op een fijnmotorische taak in de hitte.
b) Het verlies aan sensoriek tijdens en na inspanning in de hitte.
2
Materiaal en methode
Proefpersonen
21 Doctoraalstudenten van de Faculteit Bewegingswetenschappen van de VU te Amsterdam
namen deel aan het onderzoek. In tabel 1 staan de gegevens.
Tabel 1 – Gegevens van de proefpersonen
De VO2-max (l/min) en VO2-relatief (ml/min/kg lichaamsgewicht) en maximale
hartslagfrequentie zijn eigen schattingen van de proefpersoon.
pp
leeftijd sex sport
lengte gewicht VO2 hfmax
jaren
uren/week cm
kg
l/min /min
1
24 m
3.5
187
79
3.9
193
2
25 m
6
188
68 4.03
189
3
21
v
4
178
63
2.2
194
4
21
v
0
169
83
2.5
198
5
47 m
2
188
81
3
170
6
21
v
2
177
75
2.7
195
7
23
v
5
184
69
2.8
187
8
21
v
4.5
172
69
2.8
188
9
21
v
10
174
67
3
174
10
23
v
6
175
67
2.7
197
11
20 m
6
175
70
3.5
194
12
20
v
7
175
61
3.2
184
13
22 m
0
181
61
3.4
205
14
24 m
12
190
68
4.8
195
15
21
v
18
167
63 3.07
193
16
23
v
10
172
72
3.2
190
17
25 m
8
181
63
3.7
198
18
24 m
5
176
74
198
19
21 m
4
180
74
4.1
203
20
22 m
2
180
81
3.8
206
21
20
v
8
181
64
3.5
188
Gem
23.2
5.9
179
70
3.3
192
SD
5.7
4.2
6
7
0.6
9
Protocol
De heren kleedden zich in een zwembroek en de dames in een bikini. Ze brachten een
rectaalsensor in en betraden vervolgens een klimaatkamer die op 35°C / 35- 50% RH was
ingesteld. De temperatuurmarge is ongeveer 1°C.
In de klimaatkamer werd 20 minuten doorgebracht voordat werd begonnen met de
inspanning.
Daarna werd 20 minuten inspanning verricht (1.5 W / kg lichaamsgewicht op een
fietsergometer). Na 20 minuten rust werd weer 20 minuten inspanning werd verricht.
De warmtevermogensbalans is opgesteld over de gehele periode van het verblijf in de
klimaatkamer.
3
Tijdens de inspanning werd elke tien minuten de hartslagfrequentie, kerntemperatuur en (bij
een deel van de proefpersonen) zuurstofopname geregistreerd (bijlage 1). De temperatuur van
de huid werd elke 10 minuten op drie plaatsen gemeten, borst, arm en been, met behulp van
thermistors (YSI, 700 series, Yellow Springs, USA). De kerntemperatuur werd bepaald met
een rectaalsensor die door de proefpersonen zelf tenminste acht cm werd ingebracht (YSI
701, Yellow Springs, USA). Bij twee personen werd met een thermische pil gemeten, die net
voor het experiment werd ingenomen (HQ Incorporated, USA).
De zuurstofopname (VO2) en het respiratoir quotiënt (RQ) werden met behulp van de Oxycon
Sigma en Pro (Oxycon, Lode, Groningen) bepaald voor de fietsergometer in de warme kamer
en de zware belasting in de koude kamer. De hartslagfrequentie werd afgelezen van een Polar
sporttester (800 serie). De proefpersonen werden tevens bevraagd op discomfort, waarbij
temperatuursensatie en algemeen comfort gescoord werden met een schaal conform ISO
10551 en de rate of perceived exertion (RPE) conform de Borgschaal.
Voor en na de inspanning stapten de proefpersonen van de fiets en werd het gewicht van de
proefpersoon bepaald met behulp van een weegschaal (Sartorius F300S, Duitsland) met een
afleesnauwkeurigheid van 1 gram.
Een badstof handdoek werd gebruikt om het zweet regelmatig af te deppen en werd daarna
telkens in een plastic zak gestopt. Deze zak werd telkens apart gewogen.
De vingervaardigheid werd bepaald met de Purdue Pegboard test en de vingervaardigheid met
Semmes – Weinstein filamenten.
Tijdens de Purdue Pegboard test moest in een minuut zoveel mogelijk pinnen worden gezet in
een gatenbord. Er waren 49 pinnen. Voor elke pin werd een punt geteld. Degene die sneller
waren dan een minuut kregen een punt er bij voor elke seconde die ze sneller waren.
De Semmes – Weinstein filamenten werden op de middelvingertop van de dominante hand
aangebracht. De waarde werd genoteerd van het filament dat nog juist voelbaar was.
Warmteproductie
Uit de VO2 en het RQ is de energieinput (Pi) berekend (Toussaint et al., 1990).
Pi
=
(4940 * RQ+ 16040) * VO2
60
[1]
De warmteproductie werd berekend door het uitwendig geleverde vermogen van de energie
input af te halen.
Wprod = Pi –Pext
[2]
Voor de mensen waarbij de zuurstofopname niet werd gemeten, werd de gross efficiency op
20 procent gesteld; ofwel: de warmteproductie werd op vier maal het extern vermogen
gesteld.
Warmteopslag
De gemiddelde huidtemperatuur (Thuid) werd bepaald uit de bovenbeentemperatuur (Tbeen),
borsttemperatuur (Tborst) en bovenarmtemperatuur (Tarm) (Lund en Gisolfi, 1974):
Thuid = 0.36 * Tarm + 0.25 * Tborst + 0.34 *Tbeen + 1.19
[3]
De lichaamstemperatuur werd bepaald door een gewogen gemiddelde van de huid en de
rectaal temperatuur te nemen (Blatteis, 1998)
Tlichaam= (a * Trect) + ((1-a) * Thuid)
[4]
4
De waarde a is gesteld op 0.9. De gewogen gemiddelde temperatuur van het lichaam werd
vermenigvuldigd met de soortelijke warmte van het lichaam om de opslag in W te verkrijgen:
Wopsl = (0.9 * Trect + 0.1 * Thuid) * Gl * 3.5 / dT
[5]
Waarin
 Wopsl de warmteopslag in Watt is,
 Trect de gemiddelde rectaaltemperatuurstijging in °C is over het tijdinterval dT,
 Thuid de gemiddelde huidtemperatuurstijging in °C is over het tijdinterval dT,
 Gl het lichaamsgewicht is in gram,
 3.5 de soortelijke warmte van het lichaam is in J/g/°C en
 dT het aantal seconden over welke de stijging is gemeten.
Natte warmteafgifte
De natte warmteafgifte bestaat uit transpiratie door de huid en koeling via de ademhaling. De
natte warmteafgifte door transpiratie werd bepaald door weging van het lichaam.
Wtrans = Gl *2428 / 1200 - Gh *2428 / dT
[6]
Waarin
 Wtrans het warmteverlies door transpiratie in Watt is,
 Gl de afname van het lichaamsgewicht over tijdinterval dT,
 2428 de verdampingswarmte van 1 liter water is,
 dT het aantal seconden is waarover de gewichtsverandering van het lichaam en handdoek
is gemeten,
 Gh de toename van het gewicht is van de handdoek over tijdinterval dT.
Droge warmteafgifte
De droge warmteafgifte is berekend als het verschil tussen warmteproductie enerzijds en
warmteopslag en nattewarmteafgifte anderzijds.
Statistiek
De resultaten zijn niet getoetst, maar alleen grafisch weergegeven. De gebruikte software is
Statistica 6.0 (Statsoft, 2001).
5
Resultaten en discussie
Proefpersonen
Bij twee van de 21 proefpersonen werd de test voortijdig beëindigd wegens een te hoge
rectaaltemperatuur: pp 1 en pp12.
Bij pp3 is het lichaamsgewicht na de 2e inspanning niet bepaald.
Bij pp4 is de belasting teruggeschroefd van 124 W (1.5 W/kg) naar 83 W (1 W/kg) wegens
overbelasting na 34 minuten in het eerste inspanningsblok.
Proefpersoon 10 werd onwel in de periode tussen de inspanningsblokken, heeft 135 ml water
gedronken en is toen weer verder gegaan. Voor de hoeveelheid gedronken water is
gecorrigeerd.
Bij proefpersonen 5 werd met de pil gemeten en bij proefpersoon 13 werd rectaal en met de
pil gemeten. De pil werd geslikt omdat het vermoeden bestond dat de rectaalsensor onredelijk
hoge waarden aangaf. Dit bleek te kloppen: de rectaalsensor gaf ongeveer 1°C te veel aan.
Het vermoeden bestaat dat deze sensor ook voor pp1 en pp12 tot te hoge waarden heeft
geleid.
Alle waarnemingen zijn in de analyse verwerkt.
Temperatuur
Fig. 1 toont de rectaaltemperatuur en huidtemperatuur tijdens het experiment. In Fig. 2 is de
uitsplitsing gemaakt voor borst-, arm en beentemperatuur.
40
38
36
34
32
Temperatuur in °C
30
Rectaal
Huid
28
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Tijd in minuten
Fig. 1 Rectaal- en gemiddelde huidtemperatuur tijdens de experimenten.
De rectaaltemperatuur stijgt geleidelijk. De huidtemperatuur stijgt sterk na binnenkomst in de
klimaatkamer en daalt wat tussen de inspanningsperioden in.
6
37
36
35
34
33
32
31
Huidtemperaturen (°C)
30
tborst
tarm
tbeen
29
28
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Tijd in minuten
Fig. 2 Borst-, arm en beentemperatuurverloop in tijd.
De borsttemperatuur daalt in de warme kamer meer dan de bovenarmtemperatuur,
waarschijnlijk omdat van dit lichaamsdeel meer wordt getranspireerd. De beentemperatuur
blijft wat lager tijdens inspanning, waarschijnlijk door stroming van lucht door de beweging.
Warmtevermogensbalans
In Fig. 3 staat de warmtevermogensbalans weergegeven. Hierbij is uitgegaan van een
efficientie van 20%.
600
Totale w armteproductie
Natte w armteafgifte
Opslag in lichaam
Verschil (droge w armteafgifte)
500
400
300
Vermogen (W)
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Proefpersoon
Fig. 3 Warmtevermogensbalans voor elke deelnemer. De totale warmteproductie is gesteld op
4x het fietsvermogen. De natte warmteafgifte is bepaald door weging; de warmteopslag door
de kern- en huidtemperatuurbepaling. Het verschil in de warmtebalans is paars weergegeven.
7
Gemiddeld is het ingesteld vermogen op de fiets 106 W geweest. Dit betekent dat er,
uitgaande van 20% efficiëntie, 425 W aan warmte is geproduceerd. Hiervan is gemiddeld 290
W door verdamping van vocht verloren (68%), 72 W in het lichaam opgeslagen (17%) en 65
W (15%) rest (waarschijnlijk droge warmteafgifte).
Hartslagfrequentie
In Fig. 4 wordt de hartslagfrequentie getoond.
Bij rust in de hitte is de hartslagfrequentie hoger dan gemeten in de relatief koude ruimte er
buiten. Dit komt omdat de huid nu een groter deel van de circulatie opeist en het hart dat moet
compenseren door sneller te gaan kloppen. Tijdens de inspanningsperioden is de
hartslagfrequentie gemiddeld tussen de 140 en 155 slagen per minuut. In de tweede
inspanningsperiode ligt de frequentie iets hoger.
170
160
150
140
130
120
110
100
hartslagfrequentie (/min)
90
80
Mean
Mean±0.95 Conf. Interval
70
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Tijd in minuten
Fig. 4 Hartslagfrequentie tijdens het experiment
Subjectieve schalen
In Fig. 5 staan de subjectieve scores weergegeven.
8
14
12
10
8
Score
6
Thermisch comfort
Algeheel comfort
RPE
4
2
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Tijd in minuten
Fig. 5 Thermisch comfort (gemiddelde met 95% betrouwbaarheidsinterval; de score loopt van
4 (zeer heet) tot –4 (zeer koud), Rate of Perceived Exertion (RPE) en algeheel comfort.
Opvallend is de grote mate van overeenkomst tussen thermisch comfort en algemeen comfort.
Men kan stellen dat het comfortgevoel vooral door thermische prikkels wordt gevormd. De
RPE is vrij constant tijdens het belastingblok en groter voor het tweede dan voor het eerste
blok.
Vingervaardigheid
Fig. 6 vat de resultaten van de vingervaardigheidstest samen.
56
54
52
50
48
46
PurdueTotaal Score
44
42
Mean
Mean±0.95 Conf. Interval
40
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tijd in minuten
Fig. 6 Score op de Purdue Pegboard test in tijd.
Duidelijk zichtbaar is het leereffect waardoor de prestatie telkens beter wordt. Het zou
wellicht kunnen dat de minder getrainden meer vermoeid raakten en daardoor een geringere
stijging van het leereffect hadden dan de goed getrainden.
Om deze hypothese te toetsen is voor elke deelnemer de mate van getraindheid uitgedrukt als
percentage Heart Rate Reserve (%HRR) tijdens de eerste inspanningsperiode. Mensen met
9
een lage %HRR hebben het relatief gemakkelijk en zijn waarschijnlijk goed getraind. In Fig.
7 is de relatie tussen %HRR en de richtingscoefficient van de leercurve weergegeven.
Uit Fig. 7 wordt in een oogopslag duidelijk dat er geen relatie is tussen getraindheid en
vingervaardigheidsleercurve.
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
Verhouding laatste 2: eerste 2 Purdue testen
0.8
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Percentage Heart Rate Reserve
Fig. 7 Relatie tussen Percentage Heart Rate Reserve (aangenomen als inverse van de
getraindheid) en de richtingscoefficient van de leercurve voor de vingervaardigheidstest
(berekend als de verhouding tussen de eerste en de laatste twee testen).
Vingergevoeligheid
Fig. 8 geeft de vingergevoeligheid weer. Er waren grote verschillen tussen proefpersonen,
maar geen enkele verandering in de tijd.
2.65
2.60
2.55
2.50
2.45
2.40
2.35
Semms Weinstein test score
2.30
Mean
2.25
-10
0
10
20
30
40
Mean±0.95 Conf. Interval
50
60
70
80
90 100
Tijd in minuten
Fig. 8 Gemiddelde score op de Semmes Weinstein test tegen de tijd.
10
Conclusies
Samenvattend zien we dat tijdens inspanning in de hitte het merendeel van de geproduceerde
warmte wordt verloren door natte warmteafgifte (68%). De huidtemperatuur is vrijwel gelijk
aan de omgevingstemperatuur van 35ºC. De rectaaltemperatuur stijgt gestaag naar waarden
boven de 38ºC. De hitte heeft geen invloed op de vingervaardigheid en vingergevoel.
11
Referenties
Blatteis, C.M. (1998).
Physiology and pathophysiology of temperature regulation.
World Scientific, Singapore. ISBN 981-02-3172-5
Daanen, H.A.M., Van Es, E., De Graaf, J. Heat strain and gross efficiency during endurance
exercise after lower, upper or whole body precooling in the heat. Int. J. Sport Sciences. In
Press.
Lund, D.D. & C.V. Gisolfi (1974).
Estimation of mean skin temperature during exercise.
J. Appl. Physiol., 36 (5), 625-628.
StatSoft, Inc. (2001). STATISTICA (data analysis software system), version 6.
www.statsoft.com.
Toussaint, H.M., W. Knops, G. de Groot & A.P. Hollander (1990).
The mechanical efficiency of front crawl swimming.
Med. Sci. Sports Exerc., 22(3), 402-408.
Winslow, C.E.A., A.P. Gagge & L.P. Herrington (1939).
Influence of air movement upon heat losses from clothed human body.
Am. J. Physiol., 127, 505
12
Bijlage 1 – Scoreformulier
Proefpersoonnummer:
Minuut
Gewicht
pp
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Datum: .. / 03 / 2006
Gewicht
handdoek
Trect
Tborst
Voormiddag / Namiddag
Tarm
Tbeen
Activiteit
Rust
Rust
Meten
Insp
Insp
Meten
Insp
Insp
Meten
Insp
Insp
Meten
Rust
HF
Th.
comfort
comf
RPE
Purdue
Semmes
Opm
Opmerkingen:
13