การผลิตและการระบายความร้อนระหว่างการออกกำลังกาย

เนื่องจากการหดตัวของกล้ามเนื้อเปลี่ยนพลังงานเมแทบอลิซึมเพียงส่วนน้อยให้เป็นงานภายนอก ส่วนที่เหลือจะปรากฏเป็นความร้อน และในระหว่างการออกกำลังกาย การผลิตความร้อนภายในนี้สามารถเพิ่มขึ้นได้หลายเท่าของอัตราการพักผ่อน ร่างกายต้องระบายความร้อนนั้นสู่สิ่งแวดล้อมผ่านการแผ่รังสี การพาความร้อน การนำความร้อน และการระเหยของเหงื่อ เมื่อการผลิตความร้อนแซงหน้าการระบายความร้อน ความร้อนจะถูกเก็บสะสมและอุณหภูมิแกนกลางของร่างกายจะสูงขึ้น

Definition

การผลิตความร้อนระหว่างการออกกำลังกายคือความร้อนเมแทบอลิซึมที่ปลดปล่อยออกมาจากกล้ามเนื้อที่ทำงาน (พลังงานที่ไม่ได้ถูกใช้เป็นงานภายนอก) และการระบายความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนนั้นสู่สิ่งแวดล้อมโดยการแผ่รังสี การพาความร้อน การนำความร้อน และการระเหย; ความแตกต่างระหว่างสองสิ่งนี้เป็นตัวกำหนดการสะสมความร้อนและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิร่างกาย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมแหล่งที่มาของความร้อนเมแทบอลิซึมระหว่างการออกกำลังกาย สมการสมดุลความร้อนที่เชื่อมโยงการผลิตกับการสูญเสียความร้อน วิธีที่ความเข้มข้นของการออกกำลังกายและสภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลงสมดุลนั้น และผลที่ตามมาของความไม่สมดุล – การสะสมความร้อนและอุณหภูมิแกนกลางที่สูงขึ้น โดยจะพิจารณาการแลกเปลี่ยนความร้อนในเชิงสรีรวิทยา ไม่ใช่เป็นแนวทางในการออกกำลังกายอย่างปลอดภัยในสภาพอากาศร้อน

Core questions

• ทำไมกล้ามเนื้อที่ออกกำลังกายจึงผลิตความร้อน และปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นมีมากน้อยเพียงใด?
• ช่องทางการแลกเปลี่ยนความร้อนมีอะไรบ้าง และสมการสมดุลความร้อนอธิบายสิ่งเหล่านี้ได้อย่างไร?
• ความเข้มข้นของการออกกำลังกาย อุณหภูมิอากาศ และความชื้นเปลี่ยนแปลงสมดุลอย่างไร?
• เกิดอะไรขึ้นทางสรีรวิทยาเมื่อการผลิตความร้อนเกินกว่าการระบายความร้อน?

Key concepts

• ประสิทธิภาพเมแทบอลิซึมและความร้อนเป็นผลพลอยได้จากการทำงาน
• สมการสมดุลความร้อน (การสะสม = การผลิต - การระบาย)
• การแผ่รังสี การพาความร้อน การนำความร้อน การระเหย
• การสูญเสียความร้อนแบบแห้ง (สัมผัสได้) เทียบกับการสูญเสียความร้อนแบบระเหย (แฝง)
• อุณหภูมิแกนกลางและการสะสมความร้อน
• ปัจจัยสิ่งแวดล้อมที่ปรับเปลี่ยน: อุณหภูมิอากาศ ความชื้น การเคลื่อนที่ของอากาศ ภาระการแผ่รังสี
• ภาวะอุณหภูมิร่างกายสูงเกินไปและข้อจำกัดต่อประสิทธิภาพ

Mechanisms

ที่ประสิทธิภาพเชิงกลทั่วไป พลังงานส่วนใหญ่ที่กล้ามเนื้อใช้ในการออกกำลังกายจะกลายเป็นความร้อน ซึ่งจะถูกนำเข้าสู่กระแสเลือดและถูกพาไปยังแกนกลางและพื้นผิวของร่างกาย ปริมาณความร้อนในร่างกายจะเปลี่ยนแปลงไปตามสมดุล: ความร้อนที่สะสมเท่ากับการผลิตเมแทบอลิซึมลบด้วยผลรวมของการแลกเปลี่ยนความร้อนจากการแผ่รังสี การพาความร้อน การนำความร้อน และการระเหย (แต่ละอย่างสามารถเพิ่มหรือลดความร้อนได้ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผิวหนังกับสิ่งแวดล้อม) ในอากาศที่เย็น แห้ง และมีการเคลื่อนที่ การสูญเสียความร้อนแบบแห้งสามารถรับภาระได้มาก แต่เมื่ออุณหภูมิอากาศเข้าใกล้หรือเกินอุณหภูมิผิวหนัง ช่องทางแห้งจะล้มเหลวและการระเหยของเหงื่อจะกลายเป็นเส้นทางหลัก – และในอากาศที่นิ่งและชื้น จะเป็นเส้นทางที่จำกัด – เมื่อการระบายความร้อนไม่สามารถเทียบเท่ากับการผลิตได้ ความร้อนจะถูกสะสม อุณหภูมิแกนกลางจะสูงขึ้น และภาวะอุณหภูมิร่างกายสูงเกินไป (hyperthermia) ที่ดำเนินไปจะนำไปสู่ความเหนื่อยล้า และในกรณีที่รุนแรง จะนำไปสู่ภาวะเจ็บป่วยจากความร้อนจากการออกกำลังกาย

Clinical relevance

ความสมดุลระหว่างการผลิตและการระบายความร้อนอธิบายว่าทำไมการออกกำลังกายที่ยืดเยื้อหรือเข้มข้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพอากาศร้อนหรือชื้น จึงทำให้อุณหภูมิแกนกลางสูงขึ้นและอาจนำไปสู่ภาวะอุณหภูมิร่างกายสูงเกินไปจากการออกกำลังกายและโรคลมแดดได้ ข้อมูลนี้อธิบายสรีรวิทยาพื้นฐานเพื่อสนับสนุนความเข้าใจในภาวะเหล่านี้; ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติสำหรับการป้องกัน การทำให้เย็นลง หรือการรักษา

Evidence & guidelines

กรอบแนวคิดของการผลิตความร้อนเมแทบอลิซึม ช่องทางการระบายความร้อน และต้นทุนทางหัวใจและหลอดเลือดในการขนส่งความร้อนไปยังพื้นผิว มาจากการทบทวนพื้นฐาน (Rowell, 1974) และการสังเคราะห์ร่วมสมัยเกี่ยวกับภาวะอุณหภูมิร่างกายสูงเกินไปและประสิทธิภาพ (Nybo et al., 2014; Cheuvront & Kenefick, 2014) ภาวะทางพยาธิสรีรวิทยาที่รุนแรงของการระบายความร้อนที่ล้มเหลวได้อธิบายไว้ในการทบทวนโรคลมแดด (Bouchama & Knochel, 2002)

History

การศึกษาเชิงปริมาณของการแลกเปลี่ยนความร้อนในมนุษย์พัฒนาควบคู่ไปกับสรีรวิทยาทางสิ่งแวดล้อมในศตวรรษที่ 20 เมื่อการวัดแคลอรีแบบแบ่งส่วนทำให้สามารถแบ่งสัดส่วนการสูญเสียความร้อนระหว่างการแผ่รังสี การพาความร้อน การนำความร้อน และการระเหยได้ การทบทวนของ Rowell ในปี 1974 ได้รวมสิ่งนี้เข้ากับการตอบสนองของระบบหัวใจและหลอดเลือดต่อการออกกำลังกาย และงานวิจัยต่อมาได้เชื่อมโยงความล้มเหลวของการระบายความร้อนกับความเหนื่อยล้าที่เกิดจากภาวะอุณหภูมิร่างกายสูงเกินไปและกับพยาธิสรีรวิทยาของโรคลมแดด

Key figures

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

Seminal works

• rowell-1974
• nybo-2014

Frequently asked questions

พลังงานที่ใช้ในการออกกำลังกายส่วนใหญ่กลายเป็นความร้อนเท่าไร?

เนื่องจากประสิทธิภาพเชิงกลของการทำงานของกล้ามเนื้ออยู่ในระดับปานกลาง พลังงานเมแทบอลิซึมส่วนใหญ่ที่ใช้ไปในระหว่างการออกกำลังกายจะถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อนมากกว่าที่จะเป็นงานภายนอก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแม้แต่การออกกำลังกายในระดับปานกลางก็ยังสร้างภาระความร้อนที่สำคัญ

ทำไมการออกกำลังกายในสภาพอากาศร้อนชื้นจึงเป็นเรื่องที่ยากเป็นพิเศษ?

เมื่ออุณหภูมิอากาศใกล้เคียงหรือเกินอุณหภูมิผิวหนัง ร่างกายจะไม่สามารถสูญเสียความร้อนด้วยวิธีแห้งได้อีกต่อไปและต้องพึ่งพาการระเหย; ความชื้นสูงจะลดการระเหยของเหงื่อ ดังนั้นการระบายความร้อนจึงลดลงและอุณหภูมิแกนกลางมีแนวโน้มที่จะสูงขึ้น