Mensuração de Trabalho, Potência e Energia

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MENSURAÇÃO DO TRABALHO, POTÊNCIA E GASTO ENERGÉTICO
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Objetivos da aula
 Definir trabalho, potência, energia e eficiência;
 Realizar os procedimentos básicos para calcular o trabalho e potência em exercícios no cicloergômetro e na esteira;
-Descrever os fundamentos de medição do dispêndio energético através da calorimetria direta e indireta;
-Discutir os procedimentos para cálculo do dispêndio energético durante o deslocamento horizontal na caminhada e corrida;
-Definir: a) Quilograma-metro, b) VO2 relativo, c) MET e d) expirometria de circuito aberto;
- Descrever os procedimentos usados para calcular a eficiência bruta no exercício em estado estável.
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Introdução
Aplicações de medidas de trabalho, potência e dispêndio energético:
 Necessidades energéticas para prescrição 
de dietas;
 Avaliar aptidão física.
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UNIDADES SI
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Balanço energético no organismo
Energia no alimento
= Energia liberada (calor) + Energia liberada (trabalho) ± Energia armazenada (gordura)
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Energia no exercício
Energia Química
Trabalho Interno
Trabalho Externo Útil
Calor
Trabalho não aproveitado
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Energia no exercício
Energia Química
Trabalho Interno
Trabalho Externo Útil
Calor
Trabalho não aproveitado
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Mensuração do Trabalho e da Potência
Ergometria: Mensuração do trabalho externo realizado
Ergômetro: Aparelho ou dispositivo utilizados para mensurar um tipo especifico de trabalho
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Trabalho e potência
Trabalho
T = F x D
onde T: trabalho
F: Força
D: distância
Unidade de medida
J: joule
cal: caloria
kgm ou kpm: kilograma metro ou kilopound metro
Potência
P= F x D / t
onde t = tempo
Unidade de medida
W: watt=J/s
kcal/min 
kgm/min ou kp/min
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Cálculo de trabalho e potência
Bicicleta Ergométrica
Duração do exercício = 10 min
Resistência = 2,0 kp
Distância por volta = 6 m
Velocidade da pedalagem = 50 rpm
Qual o trabalho ?
Qual a potência ?
Trabalho
T = F x d
T = 2,0 kp x 10 min x 6 m x 50/min = 6.000 kpm
T = 6.000 x 10 m/s2 = 60 KJ
Potência
P = 6.000 kpm/10 min = 600 kpm/min
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Cálculo de trabalho e potência
Esteira
Não existe trabalho horizontal, somente vertical
Peso = 70 kg
Velocidade = 12 km/h
Inclinação = 7,5 %
Tempo de exercício = 10 min
Distância vertical (Dv)
 * Dv= D x grau de inclinação
Dv = 10 min x 12000m/60min x 0,075 
Dv = 150 m
Trabalho
T=70 kg x 150 m = 10.500 kpm
T=10.500 kpm x 10 m/s2=105 KJ
Potência
P = 10.500 kpm/10 min = 1.050 kpm/min
P = 105.000 J/600 s = 175 w
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Energia no exercício
Energia Química
Trabalho Interno
Trabalho Externo Útil
Calor
Trabalho não aproveitado
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Princípios de calorimetria	
Calorimetria direta:
Mede a taxa metabólica através do calor produzido pelo corpo
Energia produzida pela combustão de alimentos é igual ao calor liberado
Calorímetro
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Calorimetria indireta de circuito aberto
Princípio:
Calorias (taxa metabólica) fornecidas por combustão de oxigênio que depende do nutriente
Alimento + O2
Espirometria de circuito aberto
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Equivalente calórico de carboidratos e gorduras
Carboidratos
C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O 
QR = VCO2/VO2 = 6/6 = 1 
1 g CHO produz 4 Kcal
1 l O2 produz 5,05 Kcal
Gorduras
C16H32O2 + 23 O2  16 CO2 + 23 H2O 
 -1 g Gordura produz 9 Kcal
- l l O2 produz 4,7 Kcal
 QR =VCO2/VO2 = 16/23 = 0,70
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Relação QR e energia produzida por litro de O2
Quantas Kcal de energia são produzidos quando:
QR=0,7
QR=1,0
Qual o combustível que utilizamos nas condições acima ?
Quantas Kcal são produzidas quando utilizamos 1 l de O2 para oxidar:
Gordura ?
Carboidratos ?
Qual combustível produz mais energia por litro de O2 ?
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Exercício: Qual o dispêndio energético ?
Dados
Duração 4 min
Espirometria em estado estável
VO2=2 l/min
VCO2=1,92 l/min
Calcule o QR
Quantas Kcal nos 4 min ?
Qual a proporção de energia de CHO ? E de gordura ?
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Cálculo de dispêndio energético
% CHO = 100 . [(R-0,707)/(1,00-0,707)]
% Gordura = 100 . [(1-R)/(1,000-0,707)]
Kcal/l O2 = 4,686 . % gordura/100 + 5,047 . % CHO/100
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Equivalente metabólico: EM ou MET
Em repouso:
1 MET = 3,5 ml O2/ kg/min.
Dispêndio/h = MET x Peso corporal em kg
Ex: Caminhada a 4 km/h, 70 kg
DE=3 x 70 = 210 Kcal/h
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Energia no exercício
Energia Química
Trabalho Interno
Trabalho Externo Útil
Calor
Trabalho não aproveitado
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Eficiência mecânica
Eficiência Mecânica = Trabalho útil/ Energia utilizada 
Ex:
Natação: 2.9 a 9.4 %
Ciclismo: 24 a 34 % 
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Exemplo de cálculo de eficiência
Do exemplo da bicicleta
P = 600 kpm/min
VO2ss=1,5 l/min
Admitindo que 1 l O2 produz 5 Kcal ou 21 KJ
Dispêndio energético (DE)
DE = 1,5 l/min x 21 KJ/l
DE =31,5 KJ/min
Potência mecânica
P=600 kpm/min x 10 m/s2 = 6000 J/min=6 KJ/min
Eficiência (e)
e =P/DE
e =6/31,5=19,0 %
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Custo energético do exercício ou Economia de Corrida
Custo energético relaciona DE com medida de intensidade do exercício
P.ex: 
VO2/velocidade de corrida
Kcal/watt
Exemplo:
Do cicloergômetro
VO2 = 1,5 l/min
P = 600 kpm/min
CE = (1500 ml/min)/(600 kpm/min) = 2,5 mlO2/kpm
 VO2 estado estável
VO2 relativo – peso corporal ml.kg -1.min-1
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Energia no exercício
Energia Química
Trabalho Interno
Trabalho Externo Útil
Calor
Trabalho não aproveitado
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Alguns exemplos de custos
Cicloergômetro
VO2[mlO2/min]=12 mlO2/min/w x carga [watts]
Caminhada
DE [kcal] = 0,5 kcal/kg/km x distância [km] x peso [kg]
Corrida
DE [kcal] = 1,0 kcal/kg/km x distância [km] x peso [kg]
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Algumas fórmulas comuns para cálculo de dispêndio energético
Caminhada na esteira (plano)
VO2 [ml/(kg.min] = 0,1 ml/(kg.min) x velocidade [m/min] + 3,5 ml/(kg.min) {custo de repouso}
Este é o componente horizontal
Caminhada na esteira (inclinação)
VO2 [ml/(kg.min)] = 1,8 ml/(kg.min) x velocidade [m/min] x inclinação [%]
Este é o componente vertical
Caminhada:
Dispêndio energético total = VO2horizontal + VO2 vertical
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Dispêndio energético na bicicleta ergométrica
VO2[ml/min] = 3,5 ml/(kg.min) x peso corporal [kg] + 12 ml/(min.watt) x potência [watt]
Exemplo:
Carga: 2 kp
Velocidade: 30 km/h
Peso: 70 kg
Potência
P = F . V
V=30km/h/3,6=8,33 m/s
P = 2 kp x 10 m/s2 x 8,33 m/s = 167 w
VO2 = 3,5 ml/(kg.min) x 70 kg + 12 ml/(min.watt) x 167 w
VO2 = 2.249 ml/min
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Principais conceitos: trabalho externo (mecânico) que é realizado às custas do trabalho interno (fisiológico) com alguma perda.
Custo que possibilita estimar o trabalho interno, conhecendo o trabalho externo: isso é importante para calculo de dispêncio energético numa dieta,, p.ex.
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A mensuração do gasto energético e da potência possui muitas aplicações na ciência do exercício. O conhecimento adequado das necessidades energéticas das atividades físicas, por exemplo a corrida, é importante para o treinador ao planejar um programa de treinamento e uma dieta para atletas.
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Sistema internacional, padronização do relato de dados cientificos e facilitar a comparação dos valores publicados.
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Força: resistênica X duração do exercicio X numero de volta
Distância: 50rpm
Kpm para KJ, multiplicar por 10 m/s é a gravidade arredondado
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Quando o organismo utiliza energia para realizar um trabalho, o calor é liberado. Essa produção de calor pelas células ocorre por meio da respiração celular (bioenergetica) e do trabalho celular.
Alimento + O2 = ATP + Calor trabalho celular – calor
1 caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de agua em um grau Celsius. Como a caloria é muito pequena, o termo quilocaloria é utilizada para expressar o gasto energetico e os valores energeticos dos alimentos
1 kcal é equivalente a 1000 calorias
1 caloria = 4,186 joules
 A calorimetria direta é de alto custo e é mais utilizada para medição
do metabolismo de repouso do que para exercicio devido: 1- o exercicio realizado dentro de um calorimetro direto causa um aumento da produção de calor pela fricção desenvolvida pelo ergometro e pelo voluntario, 2- durante o exercicio o corpo armazena calor, evidenciado pelo aumento da temperatura central e 3 - não é adequado para fornecer dados em pequenos intervalos de tempo, necessario para medir a rapidez das mudanças metabolicas durante mudanças da intensidade do exercicio.
Atulamente é utilizada para estudar o metabolismo basal, gasto energetico diario e a influencia de mudanças fisiologicas ou ambiente
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Medida através do consumo de oxigênio e assim avaliar a intensidade metabólica do exercício.Além disso a relação da produção de dióxido de carbono e oxigênio é usada para indicar as contribuições de dos carboidratos e gorduras para a produção de energia.
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A razão entre a produção de dióxido de carbono e o consumo de oxigênio é tradicionalmente chamado de quoeficiente respiratório (QR). O QR é usado para indicar a respiração celular e portanto o VO2 e o VCO2 resultantes do catabolismo do alimento. O QR pode ser usado para calculo do gasto energético durante o exercício 
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Assim, quando a oferta de oxigênio é limitada, e há necessidade de produzir energia, é preferível utilizar CHO como combustível.
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Exercitar
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Eficiencia mecanica e economia geralmente são utilizadas como sinonimos qdo descrevem condições de exercicio. Isso é incorreto pois esses termos dizem respeito a condições bastante diferentes do corpo;
Economia de movimento refere-se ao gasto de energia do movimento (consumo de oxigenio submaximo) biomecanica. Consumo de oxigenio necessario para determinado exercicio.
Eficiencia do movimento refere-se a energia mecanica produzida durante o moviemento relativo a energia metabólica usada para causar o movimento.
Razao entre a energia mecanica produzida durante o exerciio e o gasto energetico do exercico em %
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Eficiência é medida em %
Custo é medido em Dipendio eneergético por medida de intensidade
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