Physische Leistungsfähigkeit: Ergometrie

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1 arbeitsphysiologie 12 Physische Leistung Ergometrie sept 20.doc iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

2 H. Krueger Dauerleistung Die Dauerleistungsgrenze wird durch die Leistungsanforderung definiert, bei der sich der Organismus über längere Zeit, z.b. eine Arbeitstag im Gleichgewicht befindet (steady state). 1 Bei statischer Haltearbeit wird die Dauerleistungsgrenze schon bei sehr niedrigen Kräften erreicht (Abb. 1). Der Muskel schränkt durch den Druck, den er erzeugt, die eigene Durchblutung ein. Abb Haltezeit als Funktion der aufgebrachten relativen Kraft. Wesentlich günstiger gestalten sich die Verhältnisse deshalb bei dynamischer Muskelarbeit (Abb. 2). Durch ständigen Wechsel von Anspannung und Entspannung tritt eine gewisse Pumpwirkung ein. Abb Leistungsdauer als Funktion der Tätigkeit sowie der eingesetzten Kraft. Hinweis: Grundsätzlich soll statische Arbeit am Arbeitsplatz vermieden werden. Wenn sie nicht umgangen werden kann, müssen als Entlastung dynamische Arbeitselemente in den Arbeitsablauf eingebaut werden einfügen Muskelzellstoffwechsel nach Muskelart iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 12-1

3 Arbeitsphysiologie Abb. 3 Abb. 4 Tab Zeitliche Folge der Energiebereitstellung für die Muskelzelle. V CO2 RQ = = Kohlenhydrat V O2 CO 2 -Abgabe O 2 -Aufnahme 1705 Definition des respiratorischen Quotienten freie Fettsäuren kalorisches Äquivalent respiratorischer Quotient [%] [%] kcal/l O 2 kj/l O 2 RQ Kalorisches Sauerstoffäquivalent mit Bezug auf den respiratorischen Quotienten. Tätigkeit Bedingung Energieverbrauch [J/min] Gehen Landstrasse, schweres Schuhwerk 13,0 Gehen 10kg 4km/h 15,1 ebener, fester Weg mit Rückenlast Treppensteigen 30kg 4km/h 22,2 unbelastet 34,8 20kg 44 unbelastet 57,4 20kg 77,1 Radfahren 16km/h 17,6 Hammerarbeit 4,4kg Hammergewicht, 15Schläge/min 30,6 Schaufeln Wurfweite 2m, Wurfhöhe 1m, 10Hübe/min 32,7 Mauern Schraubeneindrehen Normalformat, 0,0041m 3 /min waagerechte Schraube 12,6 2,1 senkrechte Schraube 2,9-6,7 Hauswirtschaft Tab. 2 Steigen 16% Steigung 17,2m/min 30,5, 17,2m/min Kochen leichte Reinigungsarbeiten schwere Reinigungsarbeiten 4,2-8,4 8,4-12,6 16,8-21, Physiologische Kosten verschiedener Tätigkeiten Energieumsatz Die umgesetzten Energien sind so etwas wie die physiologischen Kosten einer Tätigkeit. Die Muskulatur benötigt als primären Energielieferanten Adenosintriphosphat (ATP) (Abb. 3). Dieses liefert beim Abbau zu Adenosindiphosphat (ADP) die notwendige Energie für Kontraktion und Dilatation. Die im Muskel vorhandenen Speicher reichen nur sehr kurze Zeit. Es muss deshalb über andere Energielieferanten aus dem ADP ATP aufgebaut werden. Anaerob geschieht dieses mittels Creatinphosphat (CP) und die Glykolyse. Erst nach s setzen oxidative Prozesse ein. Erst dann wird auf Kohlenhydrate und frei Fettsäuren zurückgegriffen. Der Energieumsatz bei verschiedenen Tätigkeiten kann mit der direkten Kalorimetrie bestimmt werden. Dabei wird die Wärmeentwicklung des Menschen bei der entsprechenden Tätigkeit gemessen. Das Verfahren ist technisch aufwendig und deshalb für die Praxis wenig geeignet. Eine weitere Möglichkeit bietet die sogenannte indirekte Kalorimetrie. Bei dieser wird der Energieumsatz indirekt über die umgesetzte Menge O 2 und CO 2 bestimmt. Grundlage ist das kalorische O 2 Äquivalent (Tab. 1). Grundsätzlich greift der Muskel auf Kohlenhydrate und Freie Fettsäuren (FFS) als Energielieferanten zurück. Da Fett fast doppelt soviel Energie liefert wie Kohlenhydrate, muss das Verhältnis der beiden Grundenergielieferanten bekannt sein. Dieses kann über den respiratorischen Quotienten ermittelt werden (Abb. 4). Im Normalfall wird für muskuläre Arbeit etwa 1/3 der Energie aus Kohlenhydraten und 2/3 aus FFS bezogen. Körperliche Tätigkeit ist damit ein wichtiger Weg zum Abbau von Fett. Tab. 2 und Abb. 5 geben einen qualitativen Überblick über den Energieumsatz bei verschiedenen Tätigkeiten iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

4 H. Krueger Abb Abb. 6 Körperhaltung und physiologische Kosten. Grenzen des linearen Zusammenhangs von Arbeitsschwere und Pulsrate Abb. 7 Entwicklung der maximalen O 2 -Aufnahme im Laufe des Lebens Puls als Beanspruchungsindikator Das Herzminutenvolumen korreliert qualitativ mit dem O 2 -Verbrauch. Da sich das Schlagvolumen nur wenig mit der Herzfrequenz ändert, ist das Herzminutenvolumen eine lineare Funktion des Herzschlages und damit auch der O 2 -Verbrauch. Man kann also als grobe Näherung für die physiologischen Kosten auch die Pulsrate messen. Allerdings gilt dieses nur mit Einschränkungen (Abb. 6). Die Voraussetzungen sind umso besser, je grösser die eingesetzten Muskelmassen sind. Nicht angewendet werden kann der Puls für statische Arbeit. Die individuelle Leistungsfähigkeit des Kreislaufs wird mit der Ergometrie gemessen. Der PWC 170, die Leistung bei einem Puls 170/min ist ein solches Mass. Er lässt allerdings nur bedingt Rückschlüsse auf die Arbeitsfähigkeit von Personen zu. Bei der tatsächlichen Arbeitsfähigkeit muss die motorische Geschicklichkeit, die Erfahrung mitberücksichtigt werden; denn der tatsächlich Krafteinsatz hängt von dieser ab. iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 12-3

5 Arbeitsphysiologie Die physische Leistungsfähigkeit sinkt nach dem 30. Lebensjahr stetig mit zunehmendem Lebensalter (Abb. 7, Abb. 8, Abb. 9) Abb. 8 Lebensalter und maximale O 2 -Aufnahme Abb. 9 Leistungsfähigkeit und Alter Arbeitsschwere Die Arbeitsschwere kann über den Energieumsatz gemessen werden. In Abb. 10 sind die Energieumsätze für leichte, mittelschwere, schwere und sehr schwere körperliche Tätigkeiten zusammengestellt. Abb. 10 Arbeitsschwere und Energieumsatz iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

6 H. Krueger Pulsrate [S min -1 ] Pulsrate [S min -1 ] Abb. 11 Pulsrate [S/min] Pulsrate [S/min] Pulsrate [S/min] Gleichgewicht Ruhepuls Ermüdungsanstieg Ruhepuls Dauerleistungsgrenze Erholung- Pulssumme Erholung- Pulssumme Ruhe Arbeit Erholung leichte Arbeit (75W) 128 schwere Arbeit (150W) 128 Zeit [min] 0128 Pulsrate und Belastung (Ergometrie). 1 5 min Tätigkeit 7,5 min Pause gesamtes Arbeitsergebnis mkp 1 Arbeitszeit Radfahren 1 20mkp/s bei U/min Pause Ruhepuls Zeit [min] 1 2 min Tätigkeit 3 min Pause gesamtes Arbeitsergebnis 28 0 mkp Zeit [min] 1 0,5 min Tätigkeit 0,75 min Pause gesamtes Arbeitsergebnis 28 0 mkp Zeit [min] 0394 Abb. 12 Die Auswirkung von Pausen auf die ergometrische Arbeitsfähigkeit Pausengestaltung Häufig liegen Arbeitsanforderung über der Dauerleistungsgrenze. Dann gilt es, mit Pausen einer vorzeitigen ermüdungsbedingten Arbeitsunfähigkeit zuvor zu kommen. In Abb. 11 ist der Verlauf des Pulses für zwei verschieden hohe Arbeitsanforderungen schematisch dargestellt. Im unteren Fall liegt die Anforderung unter der Dauerleistungsgrenze und im oberen deutlich über dieser. Zu Beginn der Arbeit wird eine O2-Schuld eingegangen bzw. hier ein Pulsdefizit. Der Kreislauf braucht bei Beginn der Tätigkeit einige Zeit für die Einstellung auf die neuen Anforderungen. Am Ende der Tätigkeit wird dieses Defizit als Erholungsarbeit wieder gutgemacht (Erholungspulssumme). Solange die Arbeit unter der Dauerleistungsgrenze liegt, ist die Schuld zu Beginn und die Erholungsarbeit nach Ende der Tätigkeit etwa gleich gross. Bei Überschreiten der Dauerleistungsgrenze wird die Erholungsarbeit zunehmend grösser als die eingegangene Schuld. Ein richtiges Pausenregime verhindert diesen Effekt, auch wenn die Arbeit über der Dauerleistungsgrenze liegt (Abb. 12). Der Erholungswert einer Pause ist zu Beginn einer Pause gross und sinkt mit zunehmender Pausendauer exponentiell ab. Der Erholungswert vieler kurzer Pausen ist deshalb grösser als der weniger langer. iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 12-5

7 Arbeitsphysiologie Belastungsfaktoren Im Puls findet sich die Wirkung einer ganzen Reihe weitere Belastungsarten wieder. Er ist also nicht nur ein Indikator für motorische Arbeitsanforderungen. Dies darf niemals übersehen werden, wenn in der Praxis, im Feld Pulsmessungen durchgeführt werden Abb. 13 Pulsrate bei körperlicher Arbeit mit Atemschutz. Erklärung s. Abb Atemarbeit Das Tragen einer Feinstaubmaske erhöht den Atemwiderstand und damit die Atemarbeit. Um den Atemwiderstand zu überwinden muss tiefer als normal geatmet werden. Dies zeigt sich in einem Anstieg von Puls (Abb. 13), Atemvolumen (Abb. 14) und Atemfrequenz (Abb. 15) mit (mpa) und ohne (AP) Atemmaske Abb. 14 Erhöhtes Atemminutenvolumen bei körperlicher Tätigkeit mit Atemschutz Abb. 15 Erhöhte Atemzugfrequenz bei körperlicher Arbeit mit Atemschutz iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit

8 [min-1] H. Krueger Thermoregulatorische Belastung Umgebungstemperatur [ C] Der Kreislauf ist mit seiner Transportleistung für thermische Energie deutlich von den thermischen Ausgangsituationen mitbestimmt. Abb. 16 zeigt den Einfluss der relativen Luftfeuchte und der Umgebungstemperatur auf die Pulsrate. 42 Herzfrequenz Sehr deutlich steigert jede thermische Belastung bei der Arbeit den Puls, wie z.b. bei leichter Tätigkeit vor einem Hochofen (Abb. 17). Der Energiegewinn durch die IR-Strahlung muss ausgeglichen werden rel. Luftfeuchte [%] Abb. 16 Werte der Herzfrequenz nach jeweils 2 Stunden Arbeit von Versuchen in verschiedener Raumtemperatur und bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit n. H.G. Wenzel, Abb. 17 Durch Tätigkeit und Thermoregulation bedingte Erhöhung der Pulsrate Psychomentale Belastung 3,5t Psychomentale Belastungen verändern den Puls vor allem dann, wenn keine wesentlichen motorischen Belastungen vorliegen. Beispiele zeigen die Abb Tor iha Ergonomie / Arbeit + Gesundheit 12-7