Introdução à transferência de energia

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Fisiologia do Exercício
Aula 1: Introdução à transferência de energia
Apresentação
Nesta aula, compreenderemos conceitos básicos sobre medidas de trabalho, potência e dispêndio energético, bem como a sua relação com os sistemas de transferência de energia no organismo.
Com base na quantificação e no monitoramento de diversas variáveis psicofisiológicas, como consumo de oxigênio, frequência cardíaca e percepção subjetiva de esforço, observaremos que a obtenção de tais medidas é essencial para a prática de diversos profissionais da área de saúde.
O conhecimento das necessidades energéticas de exercícios realizados em diferentes intensidades é importante, por exemplo, para que o técnico ou preparador físico seja capaz de planejar, programar e monitorar cada sessão ou período de treino, visando promover a melhora da saúde ou do condicionamento esportivo.
Objetivos
· Identificar os mecanismos físicos relacionados às medidas de trabalho, potência e dispêndio energético;
· Descrever a função do potencial de ação de células excitáveis para propagação dos estímulos;
· Reconhecer a organização morfofuncional do sistema sensorial humano.
Trabalho e potência
O que é trabalho?
Podemos definir trabalho como a quantidade de força produzida em determinada distância ou tempo.
O trabalho é calculado por meio da seguinte fórmula:
trabalho= força × distância
Antes de realizarmos esse cálculo, no entanto, precisamos obter conhecimentos básicos acerca das principais unidades do Sistema Internacional de Medidas (SI).
De acordo com o SI, a unidade de força é expressa em newtons (N), enquanto a distância é dada é metros (m).
Na tabela a seguir, podemos observar essas e outras unidades utilizadas na quantificação do exercício humano, veja:
Tabela 1. Unidades do SI mais utilizadas para a mensuração do desempenho humano durante o esforço.
	Unidades para quantificação do exercício humano
	unidades do SI
	massa
	quilograma (kg)
	distância
	metro (m)
	tempo
	segundo (s)
	força
	newton (N)
	trabalho
	joule (J)
	energia
	joule (J)
	potência
	watt (W)
	velocidade
	metros por segundo (m.s-1)
	torque
	newton por metro (N.m)
Fonte: Powers e Howley (2017).
Agora, podemos partir para a prática. Imagine que um participante tenha realizado o levantamento de 10 quilogramas (kg) ao percorrer uma distância de 2 metros (m). Nesse caso, para calcularmos o trabalho realizado, devemos seguir os seguintes passos:
Passo 1
Converter kg em N → como 1 kg = 9,81 N, então 10 kg = 98,1 N.
Passo 2
Inserir os dados na fórmula apresentada → trabalho = 98,1 N x 2 m = 196,2 N.m, ou seja, 196,2 J.
É importante notarmos que, em muitas situações, são utilizadas unidades diferentes do joule para expressar tanto o trabalho quanto a energia.
Por exemplo, o trabalho pode ser expresso em quilogramas-metro (kgm) ou kiloponds-metro (kpm). Em casos como esses, devemos realizar a conversão em joules, pois, como vimos, essa é a unidade utilizada pelo SI para trabalho e energia.
Na tabela a seguir, apresentamos algumas unidades comumente utilizadas para expressar a quantidade de trabalho realizado ou de energia gasta. Além disso, demonstramos de que forma deve ser realizada a conversão.
Tabela 2. Unidades comuns usadas para expressar a quantidade de trabalho realizado ou energia.
	Unidades
	formas de conversão
	quilograma-metro (kgm)
	1 kgm = 9,81 joules (J)
	kilopond-metro (kpm)
	1 kpm = 1 kgm
	quilocaloria (kcal)
	1 kcal= 4.186 J, 4,186 kJ ou 1 kcal = 426,8 kgm
	potência
	watt (W)
	velocidade
	metros por segundo (m.s-1)
	torque
	newton por metro (N.m)
Fonte: Powers e Howley (2017).
 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal
No exemplo que acabamos de analisar, o trabalho poderia ter sido expresso em quilogramas-metro (kgm) ou kiloponds-metro (kpm). Nesse caso, o peso de 10 kg seria considerado uma força de 10 kg (ou 10 kiloponds) que foi exercida ao longo de um percurso de 2 m, o que resultaria em um trabalho de 20 kgm ou 20 kpm.
Como pudemos observar na Tabela 2, 1 kgm é igual a 9,81 J. Sendo assim, o trabalho realizado equivaleria a 20 kgm x 9,81 J/kgm = 196,2 J.
Notou como obtemos o mesmo resultado?
Fique atento à necessidade de conversão ao calcular o trabalho realizado!
O que é potência?
A potência é comumente utilizada para descrever a quantidade de trabalho produzido por unidade de tempo.
Segundo o SI, a unidade utilizada para expressar a potência é o watt (W), que é definido como 1 joule por segundo.
A potência pode ser calculada por meio da seguinte fórmula:
Potência = força × distância/tempo
O conceito de potência é muito importante, pois descreve a velocidade com que o trabalho é realizado, ou seja, a taxa de trabalho.
A taxa de trabalho (produção de potência) descreve, por sua vez, a intensidade do esforço físico.
Por exemplo, qualquer adulto saudável é capaz de realizar uma produção de trabalho equivalente a 20.000 J. No entanto, apenas atletas altamente treinados são capazes de realizar essa quantidade de trabalho em 60 segundos (s). Nesse caso, a potência do trabalho realizado por um atleta pode ser calculada do seguinte modo:
Potência =(20.000 J)/(60 s) =333,33
Que equipamentos são utilizados para mensurar o trabalho e a potência?
Ao longo dos anos, muitos equipamentos foram desenvolvidos visando à mensuração precisa do trabalho e da potência durante o esforço físico. Esses equipamentos são denominados ergômetros. Daí vem o termo ergometria, que se refere à medida de produção de trabalho (ergo- = trabalho + -metria = medida).
Veja a seguir exemplos de ergômetros:
Exemplo
São exemplos de ergômetros:
a) Ergômetro do tipo step;
b) Cicloergômetro com frenagem mecânica;
c) Esteira ergométrica motorizada;
d) Ergômetro de braços;
e) Remoergômetro.
Alguns desses aparelhos são muito utilizados em laboratórios de Fisiologia do Exercício, para obtenção de medidas de trabalho e potência. A seguir, analisaremos alguns deles com mais detalhes.
Tipos de ergômetros
Step
Devido à sua praticidade e ao seu baixo custo, um dos primeiros ergômetros a ser utilizado para mensurar a produção de trabalho durante o esforço foi o step. Nesse caso, basta que o avaliado suba e desça do step alternando os membros inferiores, com velocidade controlada (ritmo de subidas e descidas), como demonstrado na figura a seguir.
Figura 1. Ergômetro do tipo step.
O cálculo do trabalho realizado durante o exercício no step é bastante simples. Suponhamos que um participante de 70 kg suba e desça de um banco com 41 cm de altura (0,41 m), durante um período de 10 minutos e a uma velocidade de 30 passadas por minuto. Nesse caso, o trabalho produzido pode ser calculado da seguinte forma:
trabalho= 70 × 0,41 × 30 × 10=8.610 kgm
Onde:
· Força = 70 kg;
· Distância = 0,41 m x 30 passos.min–1 x 10 min = 90 m.
Para obtermos a produção de potência, basta dividirmos o valor do trabalho pelo tempo de realização do esforço, que, no exemplo apresentado, foram 10 min. Desse modo, temos:
potência=8.610/10 = 861kgm.min − 1ou 148,68W
Cicloergômetro
O cicloergômetro foi desenvolvido há mais de 100 anos e consiste em uma bicicleta estacionária que nos permite mensurar, com precisão, a quantidade de trabalho realizado e a potência produzida pelo avaliado, desde que tenhamos ciência dos parâmetros relacionados à força e à distância.
O cicloergômetro Monark com frenagem mecânica, por exemplo, possui uma correia enrolada em torno da sua roda (também chamada de volante) que pode ser afrouxada ou apertada para modificar a resistência (força), como podemos observar na figura a seguir.
Figura 2. Cicloergômetro com frenagem mecânica.
Nesse cicloergômetro, cada pedalada realizada pelo avaliado equivale a uma distância virtual de 6 m. Sendo assim, para calcularmos a distância percorrida, basta multiplicarmos esse valor pelo ritmo de pedaladas (rev.min-1) e pelo tempo em que o esforço está sendo realizado.
Vamos, agora, analisar um exemplo para melhor entendermos de que forma é realizado o cálculo do trabalho e da potência no cicloergômetro Monark.
Consideremos os seguintesparâmetros:
· Duração do exercício = 10 minutos;
· Resistência contra o volante (força) = 1,5 kg;
· Distância percorrida a cada pedalada = 6 m;
· Ritmo de pedalada = 60 rev.min–1.
Com base nesses parâmetros, o cálculo da produção de trabalho pode ser realizado da seguinte maneira:
trabalho= força × distância
trabalho= 1,5 × 6 × 60 × 10=5.400 kgm
Já o cálculo da produção de potência, durante o período de 10 minutos, pode ser realizado da seguinte forma:
potência=força ×  distância/tempo
potência=5.40010=540kgm.min−1ou 88,24W
Esteira ergométrica
A esteira ergométrica também é utilizada para medição de trabalho e potência. Um exemplo pode ser observado na figura a seguir.
Há, no entanto, uma limitação: quando o indivíduo corre ou caminha no plano horizontal, é inviável a mensurar o deslocamento vertical do centro de gravidade corporal.
É mais fácil mensurar a produção de trabalho quando o avaliado realiza uma caminhada ou corrida com a esteira inclinada, como se estivesse subindo uma ladeira. Normalmente, a inclinação da esteira é expressa em graus percentuais, que, por sua vez, podem ser definidos como a quantidade de elevação vertical a cada 100 unidades de movimento da correia.
Suponhamos que uma pessoa esteja realizando uma caminhada em uma esteira a um grau de inclinação de 10% e percorra 10 m na vertical para cada 100 m de movimento da correia. O grau percentual é estipulado multiplicando o seno do ângulo da esteira por 100. Na prática, o ângulo da esteira pode ser determinado por cálculos de trigonometria simples, como demonstrado na figura a seguir, ou por meio do uso de um inclinômetro.
Figura 4. Determinação do grau percentual em uma esteira inclinada.
Na figura apresentada, Teta (θθ) representa o ângulo de inclinação. O grau percentual é calculado como seno do ângulo θθ x 100.
Para calcular a produção de trabalho durante o exercício na esteira, é necessário saber o peso da pessoa e a distância percorrida na vertical. O deslocamento vertical pode ser calculado multiplicando-se o grau percentual pela distância percorrida pela correia. Vejamos:
Deslocamento vertical= grau (%) × distância (m)
Na fórmula apresentada, o grau percentual é expresso como uma fração, e a distância total percorrida é calculada multiplicando-se a velocidade da esteira (m.min-1) pelo tempo total do esforço em minutos.
Como exemplo, vamos considerar a seguinte amostra de cálculo de débito de trabalho durante um exercício na esteira:
· Peso corporal do participante = 60 kg;
· Velocidade na esteira = 200 m.min–1;
· Ângulo da esteira = grau de 7,5% (7,5%/100 = 0,075 como grau fracionado);
· Tempo de exercício = 10 minutos;
· Distância vertical total percorrida = 200 m.min–1 x 0,075 x 10 min = 150 m.
Com base nessa amostra e empregando as unidades tradicionais, o cálculo da produção de trabalho deve ser realizado da seguinte forma:
trabalho = 60 kg × 0,075 × 200 m.min-1 × 10 min⁡= 9.000 kgm ou 88.290 J (88,3 kJ)
Dispêndio energético
A mensuração do dispêndio energético de uma pessoa nas condições de repouso ou durante o esforço físico é útil e necessária em muitos casos, como em programas que visam à perda de peso corporal, auxiliados ou não por exercícios físicos.
O gasto energético resultante de atividades físicas como caminhada, corrida ou natação, realizadas em diferentes intensidades, é útil para aqueles que utilizam a modalidade visando à manutenção ou à redução do peso corporal.
Como medir o dispêndio energético?
Uma das características dos seres vivos consiste na sua grande capacidade de produzir calor. Quando um corpo está em repouso, os processos vitais já resultam na produção de calor, como demonstrado na figura a seguir.
Figura 5. Mecanismos básicos associados à produção de calor corporal proveniente da oxidação dos alimentos.
Atenção
Como o calor deve ser medido para determinar a taxa metabólica, esse procedimento é denominado calorimetria.
Os cientistas desenvolveram duas definições de metabolismo:
1. O metabolismo é a soma de todas as transformações de energia que ocorrem dentro de um organismo:
Segundo essa definição, o metabolismo é o conjunto de todas as reações químicas que acontecem, diariamente, no nosso corpo. Esse fenômeno é, contudo, impossível de ser mensurado.
2. O metabolismo é a taxa de produção de calor:
De acordo com essa definição, mais aplicável que a primeira, o metabolismo é proporcional ao nível de reações químicas que ocorrem no organismo. Essa definição tira proveito do fato de que todos os eventos celulares resultam em produção de calor. Sendo assim, a partir da determinação do calor produzido, pode-se inferir que ele se relaciona diretamente à medida do metabolismo (BROOKS et al., 1996).
A unidade utilizada para expressar a produção de calor é a caloria, que pode ser definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius.
Como 1 caloria é uma quantidade muito pequena, o termo quilocalorias (kcal) é mais usado. Uma quilocaloria representa 1.000 calorias.
Geralmente, duas técnicas são utilizadas para mensurar o dispêndio de energia no corpo humano:
Calorimetria direta
Envolve a medição direta de calor, algo tecnicamente muito difícil
Calorimetria indireta
Envolve a mensuração do consumo de oxigênio, um procedimento bastante confiável para medir a taxa metabólica
A seguir, veremos cada uma dessas técnicas com mais detalhes.
Calorimetria direta
O processo de obtenção da taxa metabólica por meio da mensuração da produção de calor é denominado calorimetria direta.
Para que essa técnica seja realizada, a pessoa precisa estar em uma câmara isolada (em geral, por um revestimento de água) do meio ambiente. Essa câmara se chama calorímetro e permite o monitoramento da troca livre de O2 e CO2.
Durante o processo, o calor do corpo do indivíduo eleva a temperatura da água que circula ao redor da câmara, o que possibilita a mensuração da mudança de temperatura por unidade durante determinado período. A partir daí a quantidade de produção de calor pode ser calculada.
Ainda durante o processo, o indivíduo também perde calor, por conta da água que evapora pela sua pele e pelas suas vias respiratórias. Essa perda de calor é mensurada e somada ao calor total assimilado pela água, rendendo então uma estimativa da taxa de utilização de energia da pessoa.
Na figura a seguir, podemos observar um calorímetro simples usado para mensurar a taxa metabólica via medição da produção de calor corporal.
Figura 6. Calorímetro simples.
É importante observarmos que, durante o exercício, o uso dos calorímetros diretos é de pouca utilidade. Além de ter um alto custo, essa técnica resultaria em uma superestimativa da produção de calor, pois, nesse caso, teríamos o calor produzido pela pessoa somado ao calor gerado pelo ergômetro.
Como é alimentado eletricamente, o ergômetro pode fazer com que o calor produzido pela pessoa seja excessivo, devido ao contato dos seus pés com a lona da esteira, por exemplo.
Calorimetria indireta
A técnica de calorimetria indireta é muito propícia para mensuração do gasto calórico em condições de repouso. Por meio dela, é possível avaliar possíveis alterações metabólicas no indivíduo, considerando proporção corporal, crescimento, doenças, sexo, drogas, nutrição, idade e ambiente.
Por exemplo, a taxa metabólica de repouso por unidade de massa corporal é maior nos homens do que nas mulheres, maior nas crianças do que nos idosos, maior nos indivíduos pequenos do que nos grandes e maior nos extremos de calor e frio do que nas condições normais.
A taxa metabólica durante o período de repouso é mensurada, usualmente, com a pessoa em decúbito dorsal, após um período de jejum e sem prática de exercícios físicos. Essa taxa varia conforme a idade e o sexo, sendo menor nas mulheres do que nos homens e diminuindo com o avanço da idade.
Já durante o esforço físico, temos uma situação de análise metabólica específica. Como vimos, em condições de repouso, toda a energia liberada aparece como produção de calor. Se o metabolismo for constante, a quantidadede calor produzido pelo corpo durante determinado período será a mesma que aquela que está sendo monitorada. Durante o exercício, contudo, parte da energia liberada pelo corpo aparece como trabalho físico externo (em watts, por exemplo). Por conta disso, para esse fim, são utilizados dispositivos que medem o trabalho externo realizado, como cicloergômetros (Figura 7a) e esteiras (Figura 7b).
Figura 7. Cicloergômetro (a) e esteira rolante (b).
Esses dispositivos são muito utilizados em laboratórios para aplicar esforço físico e registrar as respostas fisiológicas dos indivíduos em condições estacionárias durante o exercício.
 Você sabe como é medido o consumo de oxigênio durante o exercício?
Para medir o consumo de oxigênio (VO2) durante o exercício, é utilizada uma técnica denominada espirometria de circuito aberto.
No passado, a técnica clássica para mensuração do VO2 e da produção de CO2 (VCO2) consistia em prender um clipe no nariz do indivíduo e acoplar uma válvula respiratória que permite tanto a passagem do ar a ser respirado quanto a condução do gás exalado para uma bolsa coletora (bolsa de Douglas). Dessa forma, era possível medir o volume de gás por meio de um gasômetro, bem como os percentuais de O2 e CO2, o que podia ser realizado quimicamente ou com auxílio de analisadores de gases calibrados.
Atualmente, na espirometria moderna de circuito aberto (Figura 8), utiliza-se uma tecnologia computadorizada que, por meio de sensores de fluxo eletrônicos, mensura o volume do gás expirado a cada ciclo respiratório individual. Esse gás é conduzido a uma câmara de mistura onde é feita a coleta de amostras para análise contínua dos gases. Veja na figura a seguir:
Figura 8. Sistema de mensuração metabólica
Os cálculos de consumo de O2 e produção de CO2 são feitos de modo automático. No entanto, embora o sistema computadorizado facilite o processo de mensuração do consumo de O2, o método tradicional é usado como padrão-ouro para garantir que o sistema automatizado esteja atuando corretamente.
E como determinar o gasto energético a partir da análise de gases?
O consumo de oxigênio (VO2) é calculado em litros de oxigênio consumidos por minuto (L.min) e pode ser usado para expressar o gasto energético de diferentes formas.
Vamos analisar um exemplo?
Exemplo
Os dados a seguir foram obtidos de uma mulher treinada, com peso de 70 kg, durante uma corrida submáxima na esteira. Vejamos:
· Ventilação (STPD) = 60 L.min–1;
· O2 inspirado = 20,93%;
· O2 expirado = 16,93%.
O cálculo a ser realizado para obtermos o VO2, nesse caso, é o seguinte:
VO2(L. min-1)=ventilação×(O2 inpirado+O2 expirado)
Com base nos dados do nosso exemplo, teremos: VO2 (L.min-1) = 60 L.min-1 × (20,93% O2 – 16,93% O2) = 2,4 L.min-1
O VO2 também pode ser expresso em quilocalorias produzidas por minuto (kcal.min-1). O equivalente calórico de 1 L de O2 varia de 4,7 kcal.L-1 para gorduras a 5,05 kcal.L-1 para carboidratos. Por motivos práticos, contudo, admite-se que, para cada 1 L.min-1 de O2, são produzidas 5 kcal.min-1.
Nesse caso, o gasto energético total é calculado multiplicando-se as quilocalorias gastas por minuto (kcal.min-1) pela duração da atividade em minutos.
Retornando então ao nosso exemplo...
Exemplo
Se a mulher de 70 kg mencionada corresse na esteira por 30 minutos, a um VO2 = 2,4 L.min–1, o seu gasto energético total poderia ser calculado do seguinte modo:
2,4 L.min-1 de O2 × 5 kcal.L-1 = 12 kcal. min-1
12 kcal. min-1 x 30 min = 360 kcal.min-1
Quando o VO2 é expresso em L.min-1, seu valor é multiplicado por 1.000 para ser expresso em mL.min-1 e, em seguida, dividido pelo peso corporal da pessoa, expresso em kg.
Nesse caso, o valor obtido é expresso em mL de O2/kg de peso corporal.min, ou mL.kg-1.min--1 (VO2 relativo). Isso nos possibilita realizar comparações entre participantes de diversos tamanhos corporais.
No nosso exemplo, o VO2 relativo da mulher de 70 kg com VO2 = 2,4 L.min-1 seria calculado da seguinte forma:
VO2 (mL.kg-1.min-1) = 2,4 L.min-1 × 1.000 mL.L-1/70 kg = 34 mL.kg-1.min-1
Outra unidade utilizada para expressar o dispêndio energético de um metabolismo em repouso é o equivalente metabólico (MET). Por convenção, 1 MET = 3,5 mL.kg-1.min-1.
O dispêndio energético durante o esforço físico pode ser expresso, portanto, em termos de múltiplos de unidade de MET. Considerando os dados do nosso exemplo, teríamos:
MET da atividade = 34 mL.kg-1.min-1 ÷ 3,5 = 9,71 METs