UNI EN 28996, Ergonomia. Determinazione della produzione
di energia termica metabolica, 1996
Questa appendice riassume le normative CEE riguardanti la stima della energia metabolica richiesta per sostenere un dato lavoro. L'energia metabolica viene misurata in Watt (W). Nelle tabelle e` riportato il coefficiente di energia metabolica per unita` di area corporea (W/m2).
La produzione di energia metabolica, ovvero la potenza metabolica,
e` una misura della attivita` del corpo umano.
L'energia metabolica deriva dalla conversione di energia chimica potenziale
in energia meccanica (lavoro e movimento) e termica.
Poiche` la maggior parte dell'energia metabolica prodotta viene convertita
in energia termica (la frazione di energia meccanica essendo normalmente
trascurabile) l'energia termica metabolica puo` essere assunta uguale
alla energia metabolica ed utilizzata come misura.
La misura dell'energia termica metabolica puo` essere fatta in vari modi
piu` o meno approssimati o accurati: da una classificazione
grossolana basata sul
tipo di attivita`, ad una stima basata su una analisi dettagliata della
attivita`, fino ad una misurazione vera e propria basata sul consumo di
ossigeno.
Si considerano cinque classi, schematizzate nella tabella sotto.
6.A.1 Classificazione dell'energia metabolica
| Classe | Energia Metabolica | Esempi | |
|---|---|---|---|
| (W/m2) | (W) | ||
| riposo | 65 | 115 | riposo |
| leggera | 100 | 180 | Lavoro leggero (seduto o in piedi), guida auto, passeggiare (3.5 Km/h) |
| moderata | 165 | 295 | Lavoro sostenuto (martellare), camminare (5.5 Km/h) |
| elevata | 230 | 415 | Lavoro intenso (scavare, portare carichi), camminare veloce (7 Km/h) |
| molto elevata |
290 | 520 | Attivita` molto intensa, salire scale, correre (> 7 Km/h) |
La stima viene ottenuta sommando vari contributi:
Si utilizzano prospetti che riportano i valori medi, e quindi la stima e` affetta da un alto grado di incertezza. Questo e` influenzato da molti fattori: condizioni ambientali (temperatura), allenamento del soggetto, velocita` di esecuzione della attivita`, atrezzature, tecniche. Le variazioni da individuo ad individuo variano di circa +/- 5%. Le variazioni causate dai vari fattori possono arrivare al 20%.
In condizioni di caldo si ha un aumento di 5-10 W/m2 a causa dell'aumento della frequenza cardiaca e della sudorazione. Il freddo causa un aumento fino a 200 W/m2 (in condizioni di brivido). Il vestiario (soprattutto se troppo pesante) influenza l'energia metabolica.
Da ricordare hce i dati delle tabelle si riferiscono solo ai valori medi durante l'attivita`, e non contemplano le lunghe pause di riposo. Con brevi intervalli di attivita` e lunghe pause si ha aumento della energia metabolica (effetto Simonson). In pratica le tabelle che seguono sono applicabili solo se la durata delle pause soddisfa
L'energia metabolica basale e` funzione del peso, dell'eta`, della statura, del sesso. Con buona approssimazione si possono usare i valori riportati nella tebella sottostante (assieme ai dati dell'uomo "tipo", secondo la Comunita` Europea).
| Energia metabolica basale (W/m2) |
Altezza (cm) |
Peso (Kg) |
Superficie corporea (m2) |
Eta` (anni) |
|
|---|---|---|---|---|---|
| maschi | 44 | 170 | 70 | 1.8 | 35 |
| femmine | 41 | 160 | 60 | 1.6 | 35 |
La seguente tabella riporta l'equazione per il calcolo della energia basale a cura dell'Istituto Italiano della Nutrizione. Il metabolismo basale risulta espresso in Kcal/die. Il peso e` in Kg. Una attivita` leggera richiede circa 1.6 volte l'energia basale; una attivita` media circa 2.5 volte, e una pesante 4-6 volte.
| Eta` | Maschi | Femmine |
|---|---|---|
| 10-17 | 651 + (17.5 * Peso) | 746 + (12.2 * Peso) |
| 18-29 | 679 + (15.3 * Peso) | 496 + (14.7 * Peso) |
| 30-59 | 879 + (11.6 * Peso) | 829 + ( 8.7 * Peso) |
| >59 | 609 + (12.3 * Peso) | 688 + ( 9.0 * Peso) |
L'energia metabolica di postura e` un contributo alla stima dell'energia metabolica, dovuto alla posizione del corpo:
| Postura | En. metab. (W/m2) |
|---|---|
| seduto | 10 |
| inginocchiato | 20 |
| accucciato | 20 |
| in piedi | 25 |
| in piedi chinato | 30 |
L'energia metabolica di attivita` [FIXME in W ???] dipende dall'intensita` della attivita` e dagli organi coinvolti (mani, braccia, tronco):
| mani | un braccio | due braccia | tronco | |
| leggera | 10-20 | 25-45 | 55-75 | 100-155 |
| media | 20-35 | 45-65 | 75-95 | 155-230 |
| intensa | 35-50 | 65-85 | 95-115 | 230-330 |
L'energia metabolica di movimento puo` essere stimata moltiplicando i valori per attivita` per la velocita` del movimento. Nella tabella sono riportati quindi i coefficienti (in W/m2 / m/s).
| Camminare (2-5 Km/h) | 110 | |
| Camminare in salita (2-5 Km/h) |
Pendenza 5% | 210 |
| Pendenza 10% | 360 | |
| Camminare in discesa (5 Km/h) |
Pendenza 5% | 60 |
| Pendenza 10% | 50 | |
| Trasportare un carico in spalla (4 Km/h) |
Carico 10 Kg | 125 |
| Carico 30 Kg | 185 | |
| Scendere una scala | 480 | |
| Salire una scala | 1725 | |
| Salire una scala inclinata |
Senza carico | 1660 |
| Carico 10 Kg | 1870 | |
| Salire una scala verticale |
Senza carico | 2030 |
| Carico 10 Kg | 2335 |
6.A.3 Misura dell'energia metabolica
La misura dell'energia metabolica si basa sulla misura dell'ossigeno consumato dal corpo umano durante l'attivita`.
Ci sono due metodi di misura:
Nella attivita` leggera o moderata, dopo un breve periodo iniziale di 3-5 minuti, il consumo di ossigeno si stabilizza al regime di fabbisogno. Nell'attivita` pesante il corpo rimane sempre in debito di ossigeno, cioe` non riesce a ricevere ossigeno sufficiente a coprire il fabbisogno. Pertanto l'attivita` intensa deve essere intervallata da pause di recupero, e la misura dell'energia metabolica deve comprendere anche il debito di ossigeno pagato durante la pausa successiva alla attivita`.
Nella misura parziale si raccolgono i gas espirati a partire da 5 minuti dopo l'inizio della attivita`, e si continua per la durata del lavoro.
Nel metodo integrale la raccolta dei gas espirati inizia contemporaneamente al lavoro e continua fino alla fine del periodo di recupero che segue. In questo caso al valore misurato bisogna sottrarre l'energia metabolica (misurata) relativa alla attivita` di riposo per il tempo di recupero.
Il consumo di ossigeno viene convertito in energia metabolica usando l'equivalente energetico. Questo dipende dal tipo di metabolismo, caratterizzato dal quoziente respiratorio, cioe` dal rapporto fra la produzione di anidride carbonica e il consumo di ossigeno (entrambi misurati in litri/ora):
Si puo` usare un valore medio QR=0.85 che da` EE=5.68 W h/l(O2). In tal caso non e` necessario misurare la produzione di CO2. Questo da` un errore +/- 3.5% (solitamente +/- 1%).
L'energia metabolica (in W/m2) e`
dove C(O2) e` il consumo di ossigeno, ad A e` l'area corporea (in funzione del peso W in Kg, e della altezza H in metri: formula di Du Bois):
Per determinare il consumo di ossigeno bisogna misurare, oltre ai dati
dell'individuo,
Per il calcolo dei flussi si riportano i volumi dei gas raccolti (l'aria espirata e` satura di vapor acqueo) a condizioni standard (T=273 oK e P=101.3 kPa, usando la legge delle pressioni parziali e la legge dei gas) e si divide per il tempo della prova:
La pressione di vapore dell'acqua dipende dalla temperatura. Il consumo di ossigeno e` dato dal flusso d'aria per la differenza fra la frazione di ossigeno nell'aria inspirata (0.209) e quella misurata nell'aria espirata. Similmente per la produzione di anidride carbonica.
In genere i volumi d'aria inspirato ed espirato non sono uguali: si ha una contrazione del volume espirato di cui si puo` tener conto utilizzando le formule
Nel metodo integrale la formula dell'energia metabolica, deve sottrarre a M il contributo dell'energia basale del recupero. Si usa la formula (dove ta e` il tempo di attivita` e tr quello di recupero; Mr l'energia metabolica dell'individuo seduto)
6.A.4 Valutazione tramite frequenza cardiaca
Il metodo di stima mediante la misurazione della frequenza cardiaca
e` meno complesso della misura tramite il consumo di ossigeno e
meno accurato, ma e` migliore della stime basate sui dati medi.
Questo metodo di stima e` adeguato quando
La frequenza cardiaca puo` essere misurata accuratamente con una apparecchiatura telemetrica, o approssimativamente contando il battito arterioso. La frequenza cardiaca e` la somma di varie componenti:
La frequenza cardiaca puo` essere misurata su intervalli piu` o meno lunghi (dal minuto a parecchie ore).
Se l'attivita` e` puramente dinamica e l'ambiente termicamente neutro, c'e` una relazione lineare fra l'energia metabolica e la frequenza cardiaca. Quando queste condizioni non sono rispettate, la relazione e` piu` complicata. In generale la linearita` vale sopra i 120 battiti/min (in cui la componente mentale puo` essere trascurata), e sotto (Fmax - 20) battiti/min oltre il quale limite la frequenza cardiaca si avvicina troppo al valore massimo Fmax. In tale intervallo
dove Mb e` l'energia metabolica basale, e (DF/DM) rappresenta la variazione di frequenza cardiaca per unita` di energia metabolica. Da questa formula si ricava (F in battiti/min, M in W/m2)