Produktionsergonomie

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1 Übungen zur Vorlesung Produktionsergonomie Versuch 2: Ergometer (Stand 6/2010) Betreuer: Herr STERR (Tel ) Raum R0.093 Verantwortlich: Prof. Dr. Kurz (Tel ) Raum R5.016 Video-Podcasts Ergometer Inhalt Seite 1 Zielsetzung 2 2 Einführung 2 Begriffsdefinitionen 3 Durchführung, Ausarbeitung 7 4 Unterlagen 7 Allgemeine Hinweise zur Durchführung von Laborübungen: Durch Ihre Immatrikulation sind Sie nachweislich krankenversichert. Diese deckt aber Verletzungen durch nichtsachgemäßen oder grobfahrlässigen Umgang mit Laborgeräten bei Ausschluss sicherheitstechnischer Mängel nur teilweise ab. Bei Beschädigungen an Geräten, die nachweislich mutwillig oder grobfahrlässig herbeigeführt wurden, wird eine persönliche Haftung des Verursachers in Anspruch genommen. Den Sicherheits- und Bedienungshinweisen des Betreuungspersonals ist folglich unbedingt nachzukommen. 1

2 1 Zielsetzung Fachkenntnisse Beurteilung der persönlichen Leistungsfähigkeit über Ergometrie Energetische Zusammenhänge zwischen Muskelarbeit und Nährstoffaufnahme 2 Einführung Was ist Ergometrie? Unter Ergometrie versteht man die quantitative Erfassung und Beurteilung der körperlichen Leistungsfähigkeit eines Menschen. Ergometrie bedeutet in wörtlicher Übersetzung: Leistungsmessung (ergon = griech. das Werk, die Arbeit, die Leistung). Das Ziel der Ergometrie in der Praxis ist die Beurteilung der Leistungsfähigkeit die Aufdeckung von Krankheiten, die unter Ruhebedingungen noch nicht nachweisbar sind die Klassifizierung von vegetativen Veränderungen, die unter Belastung meist verschwinden Die Fragestellungen in der Ergometrie sind also sehr unterschiedlich; es lassen sich folgende Anwendungsgebiete klassifizieren: Funktionsbeurteilung Krankheitsdiagnose Therapiekontrolle Prognosebeurteilung Bei der ergometrischen Untersuchung zur Funktionsbeurteilung soll festgestellt werden, ob jemand gesund ist und wie gesund er ist. Ist die Gesundheit gestört, soll das Ausmaß der Funktionsstörung erfasst werden. Darüber hinaus soll der körperliche Trainingszustand beurteilt und gegebenenfalls das Ausmaß der Verbesserung durch Training nachgewiesen werden. 2

3 Den Zusammenhang zwischen den einzelnen im weiteren benutzten Dimensionen macht folgende Tabelle deutlich: Basiseinheiten Dimension Abkürzung Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Kraft = Masse x Beschleunigung Newton N kg m 2 s Arbeit = Kraft x Weg Joule J kg m 2 s 2 Leistung = Arbeit / Zeit Watt W kg s³ m² Es gelten folgende Umrechnungen: 1 J = 1 Nm 1 Watt = 1 Nm/s = 1 J/s 1 kcal = 4,186 KJ 1 KJ = 0,238 Kcal Begriffsdefinitionen Dauerleistung: Bei körperlichen Tätigkeiten kann als Maßstab für die Leistung niemals die Höchstleistungsfähigkeit gelten. Man geht von der Überlegung aus, dass der Organismus nicht ständig über eine gewisse Leistungsschwelle, der sogenannten Dauerleistungsgrenze oder Ausdauergrenze, hinaus belastet werden darf. Denn sonst können irreparable Schädigungen auftreten, die man heute unter dem Begriff der Abnutzungserscheinung zusammenfasst. An der DLG kann der Kreislauf gerade noch den notwendigen Sauerstoff liefern. Der Bereich unterhalb und an der DLG wird deshalb auch der aerobe Bereich und oberhalb der DLG als der 3

4 anaerobe Bereich bezeichnet. Die Pulsfrequenz ist ein beinahe idealer Indikator, weil sie ein indirektes Maß für die Muskeldurchblutung und ein direktes Maß für die Beanspruchung ist. Die Dauerleistungsgrenze (DLG) liegt im untrainierten Zustand bei ca. 40 Pulsen über dem jeweiligen Ruhepuls. Bei einem Ruhepuls von 70 min -1 ergibt sich daraus eine Pulsfrequenz an der Dauerleistungsgrenze von 110 min -1. Bei gleicher Herzfrequenz zweier Personen sind unabhängig von Alter, Geschlecht und Trainingszustand die Beanspruchungen gleich groß. Die dabei erbrachte Leistung ist jedoch sehr wohl eine Funktion dieser Parameter. Belastungsstufen: Bei einer Belastungsdauer von 2 3 Minuten und einer Belastungshöhe von 25 Watt oder ein Vielfaches davon, geht man davon aus, dass sich nach dieser Zeit ein Gleichgewichtszustand einstellt. Das Stoffwechselgleichgewicht kennzeichnet eine Belastungsphase, bei der nach Änderung der physikalischen vorgegebenen Leistung die biologischen Größen keine wesentlichen Änderungen mehr erfahren. Speziell bei der direkten Messung des O 2 - Verbrauchs in Abhängigkeit von der Leistung ist zu beachten, dass er sich mit einer gewissen Verzögerung der Leistungserhöhung anpaßt. Bei Belastungsstufen von zu kurzer Dauer ist der Sauerstoffverbrauch daher systematisch niedriger. Es empfehlen sich deshalb Belastungsstufen von 4 Minuten Dauer. Herzfrequenz: Das Verhalten der Herzfrequenz in Ruhe und während der Belastung wird beeinflusst durch Alter, Größe und Gewicht, durch den Trainingszustand und das Geschlecht, sowie durch verschiedene, methodisch bedingte Parameter. Aus dem Herzfrequenzverhalten bei Belastung lassen sich wichtige Erkenntnisse über die cardio-corporale Leistungsbreite des Probanden gewinnen. Je höher die Herzschlagfrequenz bei gleicher Leistung ist, umso kleiner ist die cardio-corporale Leistungsbreite und umgekehrt. Die Herzschlagfrequenz misst man am einfachsten auskultatorisch (Stetoskop) oder palpatorisch (am Handgelenk) mit einer Stoppuhr. Dabei wird zwischen 50. und 60. Sekunde jeder Minute die Zeitdauer von 10 Herzschlägen gestoppt und daraus die Minutenfrequenz errechnet. 4

5 Maximale O 2 Aufnahme: Die Regression zwischen O 2 Verbrauch und Herzfrequenz bzw. zwischen Leistung und Herzfrequenz ist ein Kriterium für die Leistungsfähigkeit im submaximalen Bereich. Auf der Grundlage dieser gesetzmäßigen Beziehungen kann daher die maximale Sauerstoffaufnahme indirekt bestimmt werden. Die am weitesten verbreitete Methode ist die indirekte Ermittlung der maximalen O 2 Aufnahme aus dem Nomogramm. Blutdruck: Beim Blutdruck in der Ergometrie ist immer der arterielle Blutdruck im Körperkreislauf gemeint. Er schwankt bei jedem Herzschlag zwischen einem Maximalwert (systolischer Blutdruck) und einem Minimalwert (diastolischer Blutdruck). Der systolische Blutdruck ist hauptsächlich durch die Herztätigkeit bestimmt; der diastolische Wert hängt von der Abflussgeschwindigkeit in Aorta und Arterien ab, d. h. vom Strömungswiderstand und dem damit verbundenen Druckabfall. Für unsere Zwecke wird der Blutdruck indirekt gemessen. Hierbei wird eine aufblasbare Gummimanschette mit einer undehnbaren Außenhülle um den Oberarm gelegt und über den erwarteten systolischen Druck aufgeblasen. Ein Manometer zeigt den Druck in der Manschette an. Die Armarterie (Arteria brachialis) ist vollständig komprimiert, ein Puls an der Ellenbeuge mit einem Stetoskop nicht mehr hörbar. Wird durch Öffnen eines Ventils der Druck langsam reduziert, so wird der Puls beim systolischen Druck wieder hörbar und verschwindet wieder beim diastolischen Druck. Grundumsatz: Als Grundumsatz definiert man den Energieumsatz, der zum Erhalt des Lebens notwendig ist. Dieser Energieverbrauch findet auch in völliger Ruhe statt. Ein einfacher Weg, ihn überschlägig zu bestimmen, ist die Messung des Atemminutenvolumens im Liegen, das bei ca. 12 Atemzüge / Minute und bei ca. 500 ml Atemzugvolumen bei ca. 6 Litern liegt. Unter der Annahme, daß die Raumluft mit ca. 21% Sauerstoff und die ausgeatmete Luft mit ca. 17% gesättigt ist, werden pro Minute ca. 240 ml Sauerstoff vom Körper aufgenommen und verstoffwechselt. 5

6 Das kalorische Äquivalent von Sauerstoff beträgt bei gemischter Kost 20,3 KJ / l, wird über das Verhältnis von CO 2 -Abgabe und O 2 -Aufnahme (Respiratorischer Quotient) errechnet. Daraus folgt, daß der Grundumsatz pro Minute etwa 5 KJ / min beträgt, also ca KJ / Tag. Das entspricht ca kcal / Tag. Genauere individuelle Werte erhält man aus der empirischen Gleichung nach Harris und Benedikt mit Hilfe folgender Formeln: Frauen: GU = ,47. H m 19,55. L kj/24 h Männer: GU = ,9. H + 57,5. m 28,2. L kj/24 h Zusätzlich zum Grundumsatz definiert man noch den Freizeitumsatz, das ist der Energiebedarf, den ein wacher Mensch, der sonst keine Tätigkeiten verrichtet, zusätzlich zum Grundumsatz hat, um beispielsweise zu sitzen, gehen oder stehen. Der Freizeitumsatz liegt durchschnittlich bei Frauen und Männern bei 2,2 bzw. 2,6 kj/min. Im Versuch werden zunächst ohne Leistungsabgabe die Summe aus Freizeit- und Grundumsatz über die Sauerstoffverbrauchsmessung bestimmt, anschließend wird bei Leistungsabgabe die Summe aus Grund-, Freizeit- und Arbeitsumsatz bestimmt. Durch Vergleich der Werte ist es dann möglich, auf den Energieverbrauch während der Arbeitsphasen zurückzuschließen. Respiratorischer Quotient: Der Respiratorische Quotient (RQ), das Verhältnis von ausgeatmetem CO 2 zu eingeatmetem O 2, ist stark abhängig von der Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung: Bei reinem Kohlenhydratumsatz liegt er bei 1,0; während er bei reiner Fettverbrennung bis auf 0,7 absinken kann. Daraus ergibt sich dann auch die Verschiebung des kalorischen Äquivalents des Sauerstoffes in Abhängigkeit der Nahrung. Bei gemischter (mitteleuropäischer) Kost liegt der RQ bei 0,84. Zwischen dem Kalorischen Äquivalent (KÄ) und dem RQ besteht die Beziehung KÄ = 16, RQ 6

7 3 Durchführung, Ausarbeitung Führen Sie für jede(n) aus Ihrer Gruppe einen Versuch am Ergometer unter Anleitung unseres Werkmeisters (Hr. Sterr) durch. Erstellen Sie aus den charakteristischen Versuchsdaten das jeweilige, individuelle Leistungsprofil und diskutieren Sie die Ergebnisse. Berechnen Sie den ungefähren Energieumsatz während des Ergometerversuchs und vergleichen Sie diesen energetisch mit einem Fast-Food-Menue. Überprüfen Sie Ihre Abschätzungen mit einem Energiebalancer im Internet, bspw. unter 4 Unterlagen Videopodcast: Diagrammblatt Leistungsbandbreite 7

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