SUISM Fisiologia Modulo di Fisica. Lezione 6

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1 SUISM Fisiologia Modulo di Fisica a.a Lezione 6 Suism Fluidi AA 1

2 Metabolismo corporeo DEFINIZIONE: Complesso di reazioni biochimiche di sintesi e di degradazione che si svolgono in ogni vivente che ne determinano l accrescimento, il rinnovamento, il mantenimento Caloria: Unità di misura della quantità di calore, simbolo cal, pari a quella necessaria per innalzare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14,5 a 15,5 C Grande c. o chilocaloria, simbolo kcal, unità di misura del potere calorico degli alimenti, pari a 1000 calorie 1 kcal = 4186 J Sostanza Rate metabolico (Kcal) Carboidrati 3,8 Lipidi 9 Proteine 4

3 Metabolismo corporeo L energia interna U nel corpo umano è accumulata sotto forma di energia chimica attraverso gli alimenti. U p Q prod L Rate metabolico MR = - ΔU p /Δt = E consumata /Δt (energia prodotta per unita di tempo) Parte dell energia prodotta viene utilizzata per compiere lavoro, parte viene dissipata verso l esterno sotto forma di calore. ATTIVITA Rate metabolico (W) A riposo 75 Attività di ufficio Rate metabolico di base Camminata lenta (L=0) detto metabolismo basale Jogging Funzionamento organi interni. Salire le scale rapidamente Dissipazione di calore Corsa Energia minima consumata in una giornata: E = 75 W s = W s = J = = /4186 kcal = 1550 kcal 1 kcal = 4186 J

4 Misura del metabolismo basale In stato di riposo: l gran parte dell energia e dissipata in calore l Il resto, in lavoro all interno del corpo Questa energia (calore) viene prodotta tramite il combustibile alimentare (ossidazione di proteine, zuccheri e grassi) Nei processi di ossidazione è consumato O 2 e prodotta CO 2 CARBOIDRATI GRASSI PROTEINE Calore di combustione (kcal/g) (contenuto calorico) CO 2 in l/g O 2 in l/g (equivalente calorico dell O 2 ) Dalla misura di O 2 consumato è possibile risalire alla quantità di energia prodotta (SPIROMETRIA)

5 Esercizio Un uomo ha un fabbisogno medio giornaliero di 2800 kcal. Se decide di perdere 4 kg di grasso in 1 mese, a quante kcal dovrà ridurre la sua dieta giornaliera? Poichè il contenuto energetico di 1 g di grasso vale 9.3 kcal, occorrerà bruciare: kcal Q = 4000 g 9.3 = kcal g Se il calo è suddiviso in 30 giorni, occorre ridurre di 37200/30 = 1240 kcal/giorno La dieta quotidiana dovrà essere pari a: = 1560 kcal

6 Esercizio Se si riduce l apporto calorico giornaliero da 2500 kcal a 2000 kcal, di quanto diminuisce la massa corporea in 30 giorni, assumento che l energia mancante sia presa consumando le riserve di grasso? Se il fabbisogno energetico dell organismo rimane costante a 2500 kcal/giorno e solo 2000 kcal sono fornite dal consumo quotidiano di alimenti, le restanti 500 kcal al giorno sono ottenute consumando i grassi. In 30 giorni questo corrisponde ad ottenere dai grassi corporei una quantita di energia pari a: La massa di grasso consumata e Q = 500 kcal/giorno*30 giorni = kcal. m = kcal / (9 kcal/g) = 1670 g = 1,67 kg

7 Rate metabolico in un attività fisica U p L Le sostanze alimentari sono trasformate in sostante utilizzabili dai tesssuti (esempio, il trifosfato di adenosina o ATP) Q prod L = lavoro eseguito Lavoro meccanico esercitato dai muscoli (contrazione isotonica implica lavoro meccanico, contrazione isometrica no). Si tratta di lavoro a basso rendimento. Rendimento η = L E consumata Il rendimento è sempre < 1!!!! L energia consumata non disponibile come sotto forma di lavoro e dissipata in calore (Q prod ) Lavoro per sollevare 20 buste della spesa (m=8 kg ciascuna) di 1 m. L = 20 mgh = 20 8 kg 9.8 m/s 2 1 m = 1568 J Se il rendimento muscolare è η=20 %, qual è l energia consumata? E = L/η = 1568 J/0.20 = 7840 J = 7840/4186 cal = 1,875 kcal

8 Esercizio Calcolare il lavoro di una persona di massa pari a 70 kg che sale per una scala verticale alta 30 metri. Se il rendimento muscolare e' del 10%, quanta energia ha consumato in kcal? Quante volte deve salire la scala per perdere 1,67 kg, assumendo che tutta l energia sia ottenuta consumando le riserve di grasso?

9 Esercizio Calcolare il lavoro di una persona di massa pari a 70 kg che sale per una scala verticale alta 30 metri. Se il rendimento muscolare e' del 10%, quanta energia ha consumato in kcal? Quante volte deve salire la scala per perdere 1,67 kg, assumendo che tutta l energia sia ottenuta consumando le riserve di grasso? La forza verticale che la persona deve applicare durante la salita è pari al suo peso: F = mg = (70 kg) (9,8 m/s 2 ) = 686 N e quindi il lavoro è pari al prodotto della forza per lo spostamente (= all altezza h): L = F Δs = F h = (686 N) (30 m) = J Per definizione di rendimento (η=l/e), l energia consumata è E= L/η = J/0,1 = J= /4186 kcal=49 kcal

10 Esercizio Calcolare il lavoro di una persona di massa pari a 70 kg che sale per una scala verticale alta 30 metri. Se il rendimento muscolare e' del 10%, quanta energia ha consumato in kcal? Quante volte deve salire la scala per perdere 1,67 kg, assumendo che tutta l energia sia ottenuta consumando le riserve di grasso? Energia consumata nel salire la scala una volta: E=49 kcal Considerando il contenuto calorico del grasso pari a 9 kcal/g, nella salita si perdono m= 49 kcal/9 kcal/g =5,4 g di grasso Per perdere 1,67 kg la scala va salita un numero di volte pari a: n= 1670 g/5,4 g =310

11 Termoregolazione corporea All interno del corpo umano viene continuamente prodotto calore. In condizioni di riposo il calore prodotto nell unità di tempo è uguale al metabolismo basale. La quantità di calore prodotta nell unità di tempo aumenta con l attività fisica (solo una piccola parte dell energia interna è utilizzata per compiere lavoro, il resto è calore) Le reazioni biochimiche su cui si basa l organismo hanno un funzionamento ottimale a t = 37 o C IPERTERMIA (t > 41 o C) IPOTERMIA (t < 30 o C) sono situazioni in cui l organismo subisce gravi danni L organismo deve mantenere una temperatura costante!! Il calore prodotto all interno del corpo umano deve essere dissipato verso l esterno Quali sono i meccanismi di trasmissione del calore?

12 Trasmissione di calore I meccanismi attraverso i quali il calore si trasferisce da un corpo ad un altro sono: CONVEZIONE (propagazione del calore attraverso il trasporto di un fluido) CONDUZIONE (propagazione del calore senza trasporto di materia) IRRAGGIAMENTO (emissione di onde elettromagnetiche RADIAZIONE TERMICA) Nei sistemi biologici si ha anche l EVAPORAZIONE

13 Conduzione Meccanismo di propagazione del calore nei solidi S T 1 T 2 Q Q Δt = K S d ( T T1) 2 = K S d ΔT d dipende dalla differenza di temperatura ΔT K = conducibilità termica Sostanza rame ghiaccio acqua amianto lana aria Conducibilita termica (W/ (m. K))

14 Convezione Meccanismo di propagazione tipico dei fluidi, in cui il trasporto di calore è associato al trasporto di materia. Esempi: Radiatore in una stanza; Acqua in una pentola; Nei sistemi biologici: sangue e linfa. fornello In generale, la quantità di calore Q scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza di temperatura ΔT tra radiatore e stanza: Q S ΔT dipende dalla differenza di temperatura ΔT

15 Irraggiamento Trasmissione di calore per emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo a temperatura T. Avviene anche nel vuoto! Esempi: Energia solare; Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse; Corpi arroventati emettono luce. Ogni corpo irradia ed assorbe calore dall ambiente circostante. Si ha: Q = Q K ( T irradiato a Q T b ) assorbito = KΔT dipende dalla differenza di temperatura ΔT

16 Alla temperatura corporea (37 o C) vengono emesse onde infrarosse Termografia

17 Evaporazione Meccanismo adottato nei sistemi biologici Calore latente di evaporazione H 2 O (t = 37 C) 580 kcal kg 1 Processo endotermico passaggio di calore dal corpo al liquido che evapora; Non dipende dalla differenza di temperatura ΔT. Esempio evaporazione di 100 g H 2 O 58 kcal = kj

18 Trasmissione del calore nel corpo umano conduzione irraggiamento trasmissione interna ed esterna contatto tra organi interni contatto superficie cutanea con vestiti emissione termica trasmissione esterna convezione trasmissione interna ed esterna Diffusione del calore interno tramite il sangue Contatto della superficie cutanea con l aria Inefficaci se ΔT=0 esempio: inefficaci se la temperatura ambiente è maggiore della temperatura corporea evaporazione trasmissione esterna sudorazione e respirazione H 2 O (t = 37 C) 580 kcal kg 1 Efficace anche se ΔT=0 più efficace se l ambiente esterno è secco

19 Termoregolazione corporea Bassa temperatura ambiente (T<< 37 o C): vasocostrizione Brividi (aumento produzione interna di calore) pelle d oca (riduzione conducibilita della pelle) Alta temperatura (T 37 o C) o sforzo fisico: vasodilatazione sudorazione Processi regolati dall ipotalamo

20 Esercizio: Durante un attivita fisica si producono 25 g di sudore al minuto. Calcolare la quantita di calore dissipata in un ora. Massa di sudore prodotta in un ora: m = 25 g/min 60 min = 1500 g = 1,5 kg Calore assorbito nell evaporazione del sudore: Q = k e m = (580 kcal/kg) (1,5 kg) = 870 kcal