Выработка и рассеивание тепла во время физической нагрузки

Поскольку мышечное сокращение преобразует лишь часть метаболической энергии во внешнюю работу, остальная часть выделяется в виде тепла, и во время физической нагрузки эта внутренняя выработка тепла может во много раз превышать уровень покоя. Тело должно отводить это тепло в окружающую среду посредством излучения, конвекции, теплопроводности и испарения пота; когда выработка превышает рассеивание, тепло накапливается, и температура ядра тела повышается.

Definition

Выработка тепла во время физической нагрузки — это метаболическое тепло, выделяемое работающими мышцами (энергия, не преобразованная во внешнюю работу), а рассеивание тепла — это его передача в окружающую среду посредством излучения, конвекции, теплопроводности и испарения; разница между ними определяет накопление тепла и изменение температуры тела.

Scope

Эта тема охватывает источники метаболического тепла во время физической нагрузки, уравнение теплового баланса, которое связывает выработку тепла с путями его потери, то, как интенсивность физической нагрузки и условия окружающей среды смещают этот баланс, и последствия дисбаланса — накопление тепла и повышение температуры ядра тела. Она рассматривает теплообмен как физиологический процесс, а не как руководство по безопасному выполнению упражнений в условиях жары.

Core questions

• Почему работающие мышцы выделяют тепло и какова величина тепловой нагрузки?
• Каковы пути теплообмена и как уравнение теплового баланса их описывает?
• Как интенсивность физической нагрузки, температура воздуха и влажность изменяют баланс?
• Что происходит физиологически, когда выработка тепла превышает его рассеивание?

Key concepts

• Метаболическая эффективность и тепло как побочный продукт работы
• Уравнение теплового баланса (накопление = выработка - рассеивание)
• Излучение, конвекция, теплопроводность, испарение
• Сухая (ощутимая) против испарительной (скрытой) потери тепла
• Температура ядра тела и накопление тепла
• Факторы окружающей среды: температура воздуха, влажность, движение воздуха, лучистая нагрузка
• Гипертермия и пределы производительности

Mechanisms

При типичной механической эффективности подавляющее большинство энергии, расходуемой работающими мышцами, превращается в тепло, которое передается в кровоток и переносится к ядру и поверхности тела. Содержание тепла в организме изменяется в соответствии с балансом: накопленное тепло равно метаболической выработке минус сумма излучательного, конвективного, кондуктивного и испарительного обмена (каждый из которых может добавлять или удалять тепло в зависимости от градиента между кожей и окружающей средой). В прохладном, сухом, движущемся воздухе сухая потеря тепла может выполнять большую часть работы, но по мере того, как температура воздуха приближается или превышает температуру кожи, сухие пути становятся неэффективными, и испарение пота становится доминирующим — а в неподвижном, влажном воздухе — ограничивающим — путем. Когда рассеивание не может соответствовать выработке, тепло накапливается, температура ядра тела повышается, и прогрессирующая гипертермия способствует утомлению и, в крайних случаях, тепловому удару при физической нагрузке.

Clinical relevance

Баланс между выработкой и рассеиванием тепла объясняет, почему длительные или интенсивные физические нагрузки, особенно в жарких или влажных условиях, повышают температуру ядра тела и могут привести к гипертермии при физической нагрузке и тепловому удару. Эта статья описывает основную физиологию для поддержки понимания этих состояний; это не протокол для профилактики, охлаждения или лечения.

Evidence & guidelines

Концепция метаболической выработки тепла, путей рассеивания и сердечно-сосудистых затрат на транспортировку тепла к поверхности основана на фундаментальных обзорах (Rowell, 1974) и современных синтезах гипертермии и производительности (Nybo et al., 2014; Cheuvront & Kenefick, 2014). Патофизиологический экстремум нарушения рассеивания описан в обзорах теплового удара (Bouchama & Knochel, 2002).

History

Количественное рассмотрение теплообмена человека развивалось наряду с экологической физиологией в двадцатом веке, когда партиционная калориметрия позволила распределить потери тепла между излучением, конвекцией, теплопроводностью и испарением. Обзор Роуэлла 1974 года интегрировал это с сердечно-сосудистой реакцией на физическую нагрузку, а более поздние работы связали нарушение рассеивания с гипертермически-индуцированной усталостью и с патофизиологией теплового удара.

Key figures

• Loring B. Rowell
• Lars Nybo
• Michael N. Sawka
• Abderrezak Bouchama

Seminal works

• rowell-1974
• nybo-2014

Frequently asked questions

Какая часть энергии, используемой при физической нагрузке, превращается в тепло?

Поскольку механическая эффективность мышечной работы скромна, большая часть метаболической энергии, расходуемой во время физической нагрузки, выделяется в виде тепла, а не внешней работы, поэтому даже умеренная физическая нагрузка создает значительную тепловую нагрузку.

Почему тренироваться во влажную жару особенно тяжело?

Когда температура воздуха приближается к температуре кожи или превышает ее, тело больше не может терять тепло сухими путями и зависит от испарения; высокая влажность уменьшает испарение пота, поэтому рассеивание тепла снижается, и температура ядра тела имеет тенденцию к повышению.